KR101545335B1 - Pump control system and method for rainfall water discharge of reservoir using artificial neural network and fuzzy logic - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 인공 지능형 우수 펌프 실시간 제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인공신경망 및 퍼지 기법을 이용하여 발생되는 우수의 양을 예측하고, 펌퍼의 토출량 및 운전 조건을 산출함으로써, 집중 호우시 급격히 증가하는 우수를 효과적으로 제어할 수 있는 인공 지능형 우수 펌프 실시가 제어시스템을 제공한다.
The present invention relates to an artificial intelligent superior pump real time control system, and more particularly, to an artificial intelligent superior pump real time control system that predicts an amount of storm generated using an artificial neural network and a fuzzy technique, calculates a discharge amount of a pump, The control system is provided with an artificial intelligent excellent pump capable of effectively controlling the storm.
최근 전세계적인 기후변화로 인하여 국지적인 돌발 또는 집중 강우 빈도가 증가하고 있으며, 이로 인하여 도시 지역내 침수 사고로 인한 피해규모가 증가하고 있는 실정이다. Due to the recent global climate change, the frequency of local eruptions or intensive rainfalls is increasing and the damage caused by flooding accidents in urban areas is increasing.
일 예로서, 2006년 7월에는 경기도 일원의 집중호우로 인하여 서울 양평동 인근 안양천의 제방 일부가 붕괴되었으며, 이로 인한 막대한 피해가 발생하였다. As an example, in July 2006, part of the bank of the Anyang Stream near Yangpyeong-dong, Seoul was collapsed due to the heavy rain of Gyeonggi-do members, resulting in enormous damage.
도시 지역의 침수피해는 주로 저지대, 관거 불량, 범람 등 다양한 원인에 의하여 발생되고 있지만, 우수의 저지대 집중으로 인한 침수피해가 가장 높은 비중을 차지하고 있다. Inundation damages in urban areas are mainly caused by various causes such as lowlands, poor pipelines and flooding, but the flood damage caused by concentration of lowlands in the rain is the highest.
이와 같은 우수의 저지대 침수를 방지하기 위해 하수관거 개량, 배수펌프 증설, 관거 토사 제거 등 다양한 대책이 강구되고 있다. In order to prevent flooding of such low-lying areas, various measures are being taken such as improvement of sewer pipes, expansion of drainage pumps, removal of soil and soil.
그러나, 하수 관거 개량 및 토사제거는 장기 대책에 불과하여 하절기 집중 호우로 인하여 급격히 증가하는 우수에 대한 대책으로는 적절치 않으며, 수시간 동안에 발생되는 집중 호우에 효과적으로 대응 하기 위해서는 배수펌프에 대한 적절한 제어가 매우 중요하다.However, improvement of sewerage system and removal of soil are merely long-term countermeasures, so it is not appropriate for countermeasures against rapid increase in rainfall due to heavy rain during the summer season. In order to effectively cope with heavy rainfall occurring over several hours, very important.
안양천 침수는 도시침수의 대표적인 사례이다. 안양천 유역은 서울시(7구)와 경기도(7시)에 걸쳐 위치하고 있는 전형적인 도시하천으로, 유역면적 281.6㎢, 유로연장 32.2㎞인 한강 제1지류인 국가하천이며, 1996∼2005년 동안 침수면적 2699ha, 홍수피해액 약 1100억 원, 인명피해(사망) 가 30명 발생하였다. Anyang River flooding is a representative example of urban flooding. The Anyangcheon watershed is a typical urban river located in Seoul (District 7) and Gyeonggi-do (7:00). It is the national river, the first tributary of the Han River, with a basin area of 281.6㎢ and an extension of 32.2㎞. , About 110 billion won in flood damage, and 30 deaths (deaths).
잇따른 도시 침수 사례는 도시 침수 피해 방지 대책의 한계를 보여주고 있으며, 이와 같은 도시 침수는 급격한 경제 성장과 도시 확대 과정에서 저지대의 토지 이용이 극대화 되었음에도 불구하고, 우수 특성을 반영하지 못하는 우수 펌프 제어시스템에 기인한 것으로 풀이될 수 있다. The succession of urban flooding shows the limit of urban flood damage prevention measures. Even though the urban flood has been maximized in the low economic growth and urban expansion process, As a result.
집중호우로 인한 도시 침수 방지를 위해서는 하천 제방이나 수문 등을 설치하여 하천의 범람을 막고 빗물펌프장 등을 설치하여 도시 지역 내의 우수를 도시 외부로 배제하여야 한다. In order to prevent flooding in the city due to heavy rain, river embankments and water gates should be installed to prevent flooding of rivers and to install stormwater pumping stations to exclude urban stormwater from outside the city.
최근 급격한 도시화로 인해 불투수 지역이 점차 증가하면서, 도시지역에서 범람하는 우수를 효과적으로 처리하기 위한 배수펌프장의 중요성이 부각되고 있다. In recent years, rapid urbanization has increased the number of impervious areas, and the importance of drainage pumping stations to effectively handle overflowing urban areas has been highlighted.
우수 펌프장은 2002년 말까지 전국 에 1,028개소가 설치되어 있고, 그 중 지자체가 관리하는 전기설비용량 200kW이상의 배수펌프장은 368개소이며, 연간 운영비는 328억여 원에 달한다. By the end of 2002, 1,028 pumping stations were installed nationwide. Of these, 368 pumping stations with electric capacity of 200kW or more managed by the municipality, and the annual operating cost reached 328 billion won.
일반적으로 우수펌프는 수위계와 펌프가 연동되어 제어되며, 둘 이상의 펌프가 조합되어 운영되는데 인버터 제어 및 대수 제어가 동시에 이루어진다. In general, the excellent pump is controlled by the interlocking of the water level meter and the pump, and two or more pumps are operated in combination. Inverter control and algebraic control are simultaneously performed.
그러나, 상기 제어 방식은 집중호우 등으로 인하여 우수유입량이 급격히 증가하는 경우에는 신속히 대응하게 대응할 수 없는 단점이 있다. However, the above-described control method has a disadvantage in that it can not cope with a sudden increase in the inflow amount due to heavy rain or the like in a rapid manner.
즉, 기존의 제어 방식은 도 3에 나타난 것과 같이 우수량이 급격히 증가하는 경우에 있어서, 우수량에 따라 펌프 토출량이 효과적으로 제어되지 아니하고, 펌프 토출량의 급격한 증가 및 감소가 반복되며, 이로 인해 배수지의 수위 역시 고수위(H.W.L, High Water Level)와 저수위(L.W.L, Low Water Level)사이에서 급격히 반복된다. That is, in the conventional control method, as shown in FIG. 3, when the amount of abundance increases sharply, the pump discharge amount is not effectively controlled according to the amount of water, and the pump discharge amount is repeatedly increased and decreased repeatedly. It also repeats rapidly between high water level (HWL) and low water level (LWL).
이와 같은 결과는 기존의 우수 펌프 제어 방식이 유입 우수량을 예측하지 않고 배수지 수위만을 측정하여 펌프를 제어하기 때문에 초래된다. This result is caused by the fact that the existing excellent pump control method controls the pump by measuring the water level only without estimating the inflow water quantity.
또한, 대수제어 방식은 유입 유량 변화율이 큰 경우, 배수펌프에 의한 토출량 제어가 효과적으로 이루어지지 않을 수 있으며 빈번한 펌프제어로 인하여 펌프 수명단축의 원인이 될 수 있다.
Also, in the logarithmic control method, when the change rate of the inflow flow rate is large, the discharge amount control by the drain pump may not be effectively performed and the pump life may be shortened due to frequent pump control.
전술한 문제점을 해결하고자 본 발명은 실제 측정되는 배수지 수위 값과, 과거 강우패턴 자료를 이용하여 향후 수분 또는 수시간 후의 우수 유입량을 예측하고, 상기 예측 결과에 기초하여 우수 펌프를 실시간으로 제어할 수 있는 우수 펌프 제어시스템을 제공하고자 한다. In order to solve the above-described problems, the present invention predicts a stormwater inflow amount in the next few minutes or several hours by using the measured water level of the reservoir and past rainfall pattern data, and controls the stormwater pump in real time based on the prediction result To provide an excellent pump control system.
또한, 상기 우수 펌프 제어시스템은 인공신경망 학습결과의 오차를 최소화 하고자 시간-수위 패턴 분석 기법을 통해 과거 자료를 학습하고, 이를 토대로 미래 수위값을 예측하는 우수 펌프 제어시스템을 제공하고자 한다.
Also, the excellent pump control system aims to provide an excellent pump control system that learns past data through a time-and-water pattern analysis technique and predicts a future water level value based on the past data to minimize an error of an artificial neural network learning result.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배수지의 수위를 실시간으로 측정하고 수집하는 계측부; 상기 계측부에서 수신된 계측 자료 및 과거 수위 자료를 저장하는 자료 저장부; 상기 자료 저장부에 저장된 수위 자료를 인공신경망 기법을 통해 학습하고, 상기 학습 결과에 기초하여 미래 수위값을 예측하는 계산부; 및 상기 미래 수위값에 기초한 퍼지 제어 로직에 따라 펌프부의 출력값을 제어하는 자동 제어부;를 포함하는 우수 펌프 제어시스템이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring a water level of a reservoir, A data storage unit for storing measurement data and past water level data received from the measurement unit; A calculating unit that learns the water level data stored in the data storage unit through an artificial neural network technique and predicts a future water level value based on the learning result; And an automatic control unit for controlling the output value of the pump unit according to the purge control logic based on the future water level value.
일 실시예에 따르면, 상기 계산부는, 상기 과거 수위 자료를 유형화 하여 가중치를 부여하고, 상기 유형화된 과거 수위자료와 계측된 수위값을 비교하여, 상기 출력값 제어를 위한 가중치를 결정할 수 있다. According to an embodiment, the calculation unit may classify the past water level data to assign weights, and compare the water level data with the measured water level data to determine a weight for the output value control.
일 실시예에 따르면, 기상청의 강우 정보를 상기 계산부에 제공하는 정보 제공부를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, the information providing unit may further include an information providing unit for providing rainfall information of the weather station to the calculation unit.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배수지 수위를 실시간으로 계측 하는 단계; 상기 계측된 수위값 및 과거 수위 자료를 수집하는 단계; 상기 수집된 자료를 학습 인공신경망 기법을 통해 학습하고, 상기 학습 결과에 기초하여 미래 수위 값을 예측하는 단계; 및 상기 미래 수위값에 기초한 퍼지 제어 로직에 따라 펌프부의 출력값을 제어하는 단계;를 포함하는 우수 펌프 제어 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for measuring a water level of a reservoir in real time; Collecting the measured water level value and past water level data; Learning the collected data through a learning artificial neural network technique and predicting future water level values based on the learning results; And controlling the output value of the pump section according to the purge control logic based on the future water level value.
일 실시예에 따르면, 상기 미래 수위 값을 예측하는 단계는, 상기 과거 수위 자료를 분석하여 유형화 하고, 유형별로 미리 정해진 가중치를 부여하는 단계; 및 상기 계측된 수위값을 상기 유형화된 과거 수위 자료와 비교하여 대응되는 가중치를 결정하는 단계;를 포함하고, 상기 출력값은 상기 결정된 가중치에 기초하여 제어될 수 있다.
According to one embodiment, the step of predicting the future water level value may include analyzing the past water level data, and classifying the past water level data, and assigning a predetermined weight value to each type of water level data; And comparing the measured water level value with the typed past water level data to determine a corresponding weight value, wherein the output value can be controlled based on the determined weight value.
상기 우수 펌프 제어시스템은 인공신경망(Artificial Neural Network) 기법을 이용하여 과거 자료를 학습(Training)하고, 예측된 미래 수위를 기초로 퍼지 로직에 의해 펌프부의 제어량을 결정하므로, 펌프의 기동 횟수가 감소하여 펌프의 수명이 연장되고, 급격히 변화되는 유입 우수량에 더욱 신속하게 대응할 수 있다. The excellent pump control system learns past data using an artificial neural network technique and determines the amount of control of the pump unit based on the predicted future water level, So that the service life of the pump is prolonged and the inflow water quantity which changes rapidly can be responded to more quickly.
또한, 상기 우수 펌프 제어시스템은 시간-수위 패턴 분석 기법을 통해 과거자료를 학습하므로, 학습결과의 오차가 최소화 되고 학습 시간이 단축되어 예측 정밀도가 향상된다. Also, since the excellent pump control system learns past data through time-and-water pattern analysis technique, the error of the learning result is minimized and the learning time is shortened and the prediction accuracy is improved.
다만, 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
It should be understood, however, that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, but include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 우수 펌프 제어시스템의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 과거 수위 데이터를 학습하기 위한 인공 신경망 구조를 도식화 한 것이다.
도 3은 기존의 수위 자료만을 이용한 우수 펌프 제어 방법에 의한 수위 및 펌프 토출량을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 우수 펌프 제어 방법에 의한 수위 및 펌프 토출량을 나타낸 것이다. 1 is a block diagram of an excellent pump control system according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of an artificial neural network structure for learning past water level data.
3 shows the water level and the pump discharge amount by the excellent pump control method using only the existing water level data.
4 is a graph showing a water level and a pump discharge amount according to an excellent pump control method according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
As used herein, the terminology used herein is intended to encompass all commonly used generic terms that may be considered while considering the functionality of the present invention, but this may vary depending upon the intent or circumstance of the skilled artisan, the emergence of new technology, and the like. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term, not on the name of a simple term, but on the entire contents of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 우수 펌프 제어시스템의 구성도를 나타낸 것이다.1 is a block diagram of an excellent pump control system according to an embodiment of the present invention.
상기 우수 펌프 제어시스템은 배수지의 수위를 실시간으로 측정하고 수집하는 계측부(100); 상기 계측부(100)에서 수신된 계측 자료 및 과거 수위 자료를 저장하는 자료저장부(110); 상기 자료저장부(110)에 저장된 수위 자료를 인공신경망 기법을 통해 학습하고, 상기 학습 결과에 기초하여 미래 수위값을 예측하는 계산부(120); 및 상기 미래 수위값에 기초한 퍼지 제어 로직에 따라 펌프부(160)의 출력값을 제어하는 자동제어부(150);를 포함할 수 있다. The excellent pump control system includes a metering unit 100 for measuring and collecting the water level of a reservoir in real time; A data storage unit 110 for storing measurement data and past water level data received from the measurement unit 100; A
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배수지 수위를 실시간으로 계측 하는 단계; 상기 계측된 수위값 및 과거 수위 자료를 수집하는 단계; 상기 수집된 자료를 학습 인공신경망 기법을 통해 학습하고, 상기 학습 결과에 기초하여 미래 수위 값을 예측하는 단계; 및 상기 미래 수위값에 기초한 퍼지 제어 로직에 따라 펌프부(160)의 출력값을 제어하는 단계;를 포함하는 우수 펌프 제어 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for measuring a water level of a reservoir in real time; Collecting the measured water level value and past water level data; Learning the collected data through a learning artificial neural network technique and predicting future water level values based on the learning results; And controlling an output value of the pump unit 160 according to the fuzzy control logic based on the future water level value.
상기 계측부(100)는 수위 센서 및 강우 센서를 포함할 수 있다. 상기 수위 센서는 유수지의 수위를 실시간으로 계측하여 상기 자료저장부(110)로 전송하고, 상기 강우 센서는 상기 우수 펌프 제어시스템이 관할하는 특정 구역에 설치되어 실시간으로 강우 상태를 계측하며, 상기 자료저장부(110)로 전송할 수 있다. The measuring unit 100 may include a water level sensor and a rainfall sensor. The water level sensor measures the water level of the liquefied water in real time and transmits it to the data storage unit 110. The rainfall sensor is installed in a specific area of the excellent pump control system to measure the rainfall state in real time, To the storage unit 110.
일 실시예에 따르면, 상기 계측부(100)는 유선 또는 무선 전송망을 통해 상기 계측값을 상기 자료저장부(110)로 전송할 수 있으며, 설계 사양이나 비용을 고려하여 전송 방법을 다양하게 변형할 수 있다. According to one embodiment, the measurement unit 100 can transmit the measurement value to the data storage unit 110 through a wired or wireless transmission network, and can variously modify a transmission method in consideration of a design specification and a cost .
상기 계측부(100)는 수위 센서 또는 강우 센서 외에도 관할 구역에 대한 영상 정보를 수집하고 전달하기 위한 비디오 카메라, CCTV 등 영상 취득 수단을 더 구비할 수 있다. In addition to the water level sensor or the rainfall sensor, the measuring unit 100 may further include an image acquiring unit such as a video camera or a CCTV for collecting and transmitting image information about a jurisdiction.
상기 자료저장부(110)는 상기 펌프부(160)의 출력값 제어를 위한 사전 정보를 미리 저장할 수 있으며, 유역 데이터 및 우수 관거망 데이터 등 펌프부(160) 제어에 필요한 일련의 계측 데이터를 저장할 수 있다. The data storage unit 110 may store advance information for controlling an output value of the pump unit 160 and may store a series of measurement data required for controlling the pump unit 160 such as watershed data and stormwater network data. have.
상기 유역 데이터는 상기 우수 펌프 제어시스템이 관할하는 유역의 면적, 폭, 지면 경사, 매닝(Manning) 조도 계수 등을 포함할 수 있으며, 우수 관거망 데이터로는 우수 관거의 길이, 조도 계수, 직경, 경사, 단면 크기 등 펌프 제어를 위해 요구되는 각종 변수값을 제한 없이 포함할 수 있다. The watershed data may include an area, a width, a ground slope, a Manning roughness coefficient, and the like of a watershed to which the excellent pump control system is subject, and the storm water network data includes a length of the storm drainage, Slope, section size, and other parameters required for pump control.
즉, 상기 계측부(100)에서 계측된 각종 데이터는 상기 자료저장부(110)에 실시간으로 수집되고 저장되며, 상기 수집된 데이터는 향후 미래 수위 예측을 위한 데이터로 활용될 수 있다. That is, various data measured by the measurement unit 100 are collected and stored in the data storage unit 110 in real time, and the collected data can be utilized as data for predicting future water level in the future.
상기 계산부(120)는 상기 자료저장부(110)에서 전달 받은 사전 설정 데이터 및 계측 데이터에 기초하여, 미래 수위를 예측할 수 있다. The
특히, 상기 계산부(120)는 미래 수위 예측을 위하여 상기 자료저장부(110)에서 전달 받은 과거 수위 자료를 인공 신경망 알고리즘을 통하여 학습할 수 있다. In particular, the
상기 인공신경망(artificial neural network 뉴럴 네트워크)은 뇌기능의 특성 몇 가지를 컴퓨터 시뮬레이션으로 표현하는 것을 목표로 하는 수학 모델이다. The artificial neural network (neural network) is a mathematical model aiming at expressing some characteristics of brain function by computer simulation.
도 2는 과거 수위 데이터를 학습하기 위한 인공 신경망 구조를 도식화 한 것이다. 2 is a schematic diagram of an artificial neural network structure for learning past water level data.
상기 인공신경망은 도 2에 나타난 것과 같은 처리구조를 포함하고 있으며, 가중치(weight)를 갖는 채널(데이터 통로)로 연결된 망(network)을 통해 특정 연산값을 산출할 수 있다. The artificial neural network includes a processing structure as shown in FIG. 2, and a specific computation value can be calculated through a network connected to a channel (data path) having a weight.
상기 인공신경망에 의한 미래 수위 예측방법은 하기와 같으며, 인공신경망 학습 알고리즘은 least sqaure curve fitting 방법을 사용하는 Levenberg-Marquartdt 알고리즘일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 학습 알고리즘을 달리할 수 있다.
The artificial neural network learning algorithm may be a Levenberg-Marquartdt algorithm using a least sqaure curve fitting method, but the present invention is not limited thereto. .
여기서, = dependent variableshere, = dependent variables
= parameter vector = parameter vector
상기 계산부(120)는 인공신경망에 의하여 학습된 결과, 현재의 수위, 기상청 강우자료를 이용하여 목표로 하는 펌프부(160) 제어량을 산출할 수 있다. As a result of learning by the artificial neural network, the
상기 우수 펌프 제어시스템은 상기 기상청 강우정보를 제공하는 정보제공부(140)를 더 포함할 수 있다. The excellent pump control system may further include an
또한, 상기 우수 펌프 제어시스템은 각 구성부간에 데이터를 전달하기 위한 통신부(130)를 더 포함할 수 있다. In addition, the excellent pump control system may further include a
상기 통신부(130)는 상기 자료저장부(110), 계산부(120), 정보제공부(140), 자동제어부(150)와 연결될 수 있으며, 상기 펌프부(160)를 제어함에 있어서 요구되는 각종 데이터를 전달할 수 있다. The
상기 통신부(130)는 상기 펌프부(160)를 제어하기 위한 각종 결과값, 강우 데이터, 수위 데이터 등을 전송하는 유선 데이터 전송망을 구비하거나, 무선 전송을 위한 별도의 송수신부를 구비하는 등 통상적으로 데이터 전송을 위한 구조 또는 수단이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. The
상기 정보제공부(140)는 지리, 지역 정보 등과 연계된 폭우 정보를 상기 자료저장부(110) 또는 상기 계산부(120)에 제공할 수 있으며, 상기 자료를 제공하기 위하여 상기 통신부(130)와 연결될 수 있다. The
상기 정보제공부(140)는 인터넷과 같은 통신망을 통해 기상청의 강우정보를 제공할 수 있으나, 강우 정보를 활용할 수 있도록 제공하는 하는 방식이라면 특별히 한정되는 것은 아니다. The
상기 학습 알고리즘에 사용하는 신규 자료 중 2 시그마(평균±표준편차×2) 상하위는 이상치로 간주하여 학습을 위한 자료 목록에서 제외하는 필터링 과정을 수행할 수 있으며, 상기 필터링을 거친 신규 자료와 기존에 저장된 운전자료를 이용하여 인공신경망 학습을 수행한다.Among the new data used in the learning algorithm, two sigma (mean + standard deviation 占 2) upper and lower levels can be regarded as outliers and can be filtered out from the list of data for learning. Perform artificial neural network learning using stored operation data.
일 실시예에 따르면, 상기 자동제어부(150)는 상기 계산부(120)에서 산출된 미래 수위값을 토대로, 퍼지 제어 로직을 통해 상기 펌프부(160)의 출력값을 제어할 수 있다. According to one embodiment, the automatic control unit 150 may control the output value of the pump unit 160 through the fuzzy control logic based on the future water level value calculated by the
상기 펌프부(160)는 유수지의 수위를 조절하기 위한 펌프 시스템 전체를 포괄하는 의미로, 상기 유수지의 수위를 조절하기 위한 복수의 펌프를 구비할 수 있으며 상기 복수의 펌프는 상기 퍼지 제어 로직에 의해 개별적 또는 동시적으로 제어될 수 있다. The pump unit 160 may include a plurality of pumps for adjusting the water level of the liquefied water, and the plurality of pumps may be connected to the purge control logic Can be controlled individually or simultaneously.
즉, 상기 자동제어부(150)는 하기 퍼지 로직에 기초하여, 기동할 펌프의 대수와 인버터 제어량을 결정할 수 있다.
That is, the automatic control unit 150 can determine the number of pumps to be started and the inverter control amount based on the following fuzzy logic.
현재 출력값은 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)에서 현재 펌프를 기동하고 있는 출력값을 나타내고, 상기 현재 수위 값은 상기 계측부(100)에서 제공된 유수지 수위를 측정한 값을 나타내며, 상기 수위증가율은 단위시간당 수위증가율을 프로그래머블 로직 컨트롤러에서 계산한 유수지의 수위 증가값을 나타내고, 상기 미래 수위값은 상기 계산부(120)에서 산출된 미래 예상 수위를 나타낸다. The current output value represents an output value for starting the pump at the programmable logic controller (PLC), and the current water level value represents a value obtained by measuring the water level of the liquefied water supplied from the measurement unit 100. The water level increase rate is a rate of water level increase per unit time And a future water level value calculated by the programmable logic controller, and the future water level value indicates a future water level calculated by the
상기 자동제어부(150)는 상기 퍼지 상기 방법을 통하여 제어 대상 펌프와 인버터 출력량을 결정하고 기동장치로 출력을 전송하여 제어한다.The automatic control unit 150 determines the amount of output of the pump and the inverter through the purge method and transmits the output to the starter.
다만, 상기 퍼지 제어를 위한 변수는 펌프부(160)의 출력량 제어에 있어서 고려할 수 있는 요소라면 특별히 한정되지 않는다. However, the parameter for the fuzzy control is not particularly limited as long as it is a factor that can be considered in the control of the output amount of the pump unit 160. [
일 실시예에 따르면, 상기 계산부(120)는 상기 과거 수위 자료를 유형화 하여 가중치를 부여하고, 상기 유형화된 과거 수위자료와 계측된 수위값을 비교하여, 상기 출력값 제어를 위한 가중치를 결정할 수 있다.According to one embodiment, the
상기 미래 수위 값을 예측하는 단계는, 상기 과거 수위 자료를 분석하여 유형화 하고, 유형별로 미리 정해진 가중치를 부여하는 단계; 및 상기 계측된 수위값을 상기 유형화된 과거 수위 자료와 비교하여 대응되는 가중치를 결정하는 단계;를 포함하고, 상기 출력값은 상기 결정된 가중치에 기초하여 제어될 수 있다. The step of predicting the future water level value may include analyzing the past water level data, and classifying the past water level data, and assigning a predetermined weight value for each type; And comparing the measured water level value with the typed past water level data to determine a corresponding weight value, wherein the output value can be controlled based on the determined weight value.
즉, 인공신경망 학습은 일반적으로 과거 전체 기간에 대한 독립변수를 대상으로 수행하지만, 과거 자료의 변동특성의 편차가 시간에 따라 크게 변동하는 경우 인공신경망 학습결과의 오차를 유발할 수 있으며, 최근 기후 변화에 따른 집중강우 및 강우 발생시기의 변동에 따라 이와 같은 오차는 더욱 커질 수 있다. In other words, the artificial neural network learning generally performs independent variables for the entire past period, but if the variation of the variation characteristics of the past data greatly fluctuates with time, it may cause an error of the learning result of the artificial neural network. This error can be further increased in accordance with the variation of the concentrated rainfall and the rainfall occurrence period depending on the rainfall.
특히, 강우 및 수위 자료와 같이 1회 강우시 생성되는 자료의 양이 방대하므로, 시간이 지남에 따라 분석 되어야 할 자료가 과다해질 수 있다. In particular, the amount of data generated during a single rainfall, such as rainfall and water level data, is vast, and over time, data to be analyzed may become excessive.
데이터가 방대한 경우 신경망 학습에 소요되는 시간이 필연적으로 증가하고, 현장 제어 장치와 같은 CPU의 성능이 미흡한 컴퓨터에서는 과도한 부하로 인해 실질적인 제어가 불가능해질 수 있다. In the case of a large amount of data, the time required to learn the neural network necessarily increases, and in a computer in which the performance of a CPU such as a field control device is insufficient, actual control may become impossible due to an excessive load.
따라서, 상기 계산부(120)는 인공신경망 학습의 오차를 최소화하고 학습시간을 단축하기 위하여, 강우 발생에 따른 수위 변동패턴을 구분(시간-수위 패턴 분석 기법)하여 학습에 적용하고 데이터를 분석할 수 있다. Accordingly, in order to minimize the error of the learning of the artificial neural network and shorten the learning time, the
즉, 상기 계산부(120)는 강우에 따라 실시간으로 수집된 수위 자료 패턴을 과거 가장 유사한 수위 발생 패턴 군집과 비교한 후 가장 유사한 수위 발생 패턴에 해당하는 자료를 학습에 활용할 수 있다. That is, the
상기 과거 강우 데이터 및 수위 데이터를 이용한 수위 패턴 분석은 기 운영 중인 펌프장 운영자료를 또는 상기 자료저장부(110)에 실시간으로 수집되고 축적된 데이터를 대상으로 할 수 있다. The water level pattern analysis using the past rainfall data and the water level data can be performed on the operation data of the pumping station in operation or the data collected and accumulated in the data storage unit 110 in real time.
일 실시예에 따르면, 상기 계산부(120)는 하기 식에 따라 과거 수위 발생 패턴을 분석할 수 있다.
According to one embodiment, the
여기서, = 해당 시각에서의 단위시간당 수위변화율here, = Rate of change in water level per unit time at the corresponding time
= 시간 변화율 = Time rate of change
= 강우발생 후 각 시간대별 수위변화율의 합 = Sum of rate of change of water level for each hour after rainfall
= 빈도 = Frequency
= 한계수심(제어수심) = Critical water depth (control water depth)
= 기준수심(유효수심)
= Reference depth (effective depth)
상기 는 강우발생 후 각 시간대별 단위 시간당 수위 증가율의 합을 의미한다. 특히, 한계수위()/기준수위()는 해당 펌프부(160)의 기준수위(유효수심) 대비 한계수심(제어수심)으로써 적용대상 펌프장의 특성 및 제어목적을 고려한 변수이다. remind Means the sum of the rate of increase in water level per unit time per hour after rainfall. In particular, ) / Reference water level ( (Control depth) with respect to the reference level (effective depth) of the pump unit 160 is a parameter considering the characteristics of the pump station to be applied and the control purpose.
일 실시예에 따르면, 상기 계산부(120)는 상기 과거 수위 발생 패턴을 표 1과 같이 5가지 수위패턴으로 군집화 한 후 각각의 군집에 대하여 인공신경망 학습결과를 저장할 수 있다.
According to one embodiment, the
(군집)pattern
(association)
(m/min)Classification criteria
(m / min)
표 1은 일 실시예에 따른 수위 패턴 분석에 있어서, 과거 수위 변화 패턴을 유형화한 것이다. 상기 패턴 1은 단위시간당 수위 변화율이 가장 큰 경우에 해당하며, 퍼지 제어 가중치를 가장 높게 설정함으로써 급격한 수위 상승에 대응 할 수 있도록 하였다. Table 1 shows the pattern of past water level change patterns in the water level pattern analysis according to an embodiment. The
상기 패턴 5는 단위시간당 수위변화율이 가장 낮은 경우로 퍼지 제어 가중치를 낮게 설정함으로써 펌프부(160) 제어를 위한 최소 수위확보를 가능하게 한다.In the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 우수 펌프 제어 방법에 의한 수위 및 펌프 토출량을 나타낸 것이다. 4 is a graph showing a water level and a pump discharge amount according to an excellent pump control method according to an embodiment of the present invention.
도 4에 따르면, 상기 우수 펌프 제어 방법에 따라 배수지 수위제어를 수행하는 경우 수리학적 모델에 기초한 기존 방법(도 3)에 비하여 배수지 수위변화율이 현격히 감소되며, 이에 따라 배수지 수위가 상대적으로 일정한 수준을 유지하고 있음을 알 수 있다. According to FIG. 4, when the drainage water level control is performed according to the excellent pump control method, the change rate of the water level of the reservoir is drastically reduced as compared with the existing method based on the hydraulic model (FIG. 3) It can be seen that
또한, 상기 우수 펌프 제어시스템에 의해 제어되는 배수 펌프의 토출량은 기존 제어 방법과 비교하여 토출량의 편차가 적게 나타난다. In addition, the discharge amount of the drain pump controlled by the excellent pump control system shows a less variation in the discharge amount as compared with the conventional control method.
즉, 상기 우수 펌프 제어 방법에 따르면, 급격한 우수량 증가시 안정적인 배수지 수위 제어가 가능하고, 배수펌프를 일정하게 운전 함으로써 펌프의 수명단축을 최소화 할 수 있으며, 최근 빈번히 발생하는 돌발 강우시 침수 사고를 예방할 수 있다.
That is, according to the excellent pump control method, it is possible to control the water level of the reservoir stably in case of a sudden increase in the amount of water, minimize the life of the pump by operating the drain pump constantly, Can be prevented.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.
Claims (5)
상기 계측부에서 수신된 계측 자료 및 과거 수위 자료를 저장하는 자료 저장부;
상기 수집된 강우 및 수위 자료를 Levenberg-Marquartdt 알고리즘에 따라 학습하고, 상기 학습 결과에 기초하여 미래 수위값을 예측하는 계산부; 및
현재출력값, 현재수위, 수위증가율, 미래수위값을 포함하는 복수의 독립 변수를 기초로 퍼지 제어 로직에 따라 펌프부의 출력값을 제어하는 자동 제어부;를 포함하되,
상기 계산부는, 하기 수학식에 따라 상기 과거 수위 자료를 유형화하여 가중치를 부여하고, 상기 유형화된 과거 수위자료와 계측된 수위값을 비교하여, 상기 출력값 제어를 위한 가중치를 결정하는 우수 펌프 제어시스템.
[수학식]
여기서, 는 해당 시각에서의 단위시간당 수위변화율을, 는 시간 변화율을, 는 강우발생 후 각 시간대별 수위변화율의 합을, 는 빈도를, 는 한계수심(제어수심)을,는 기준수심(유효수심)을 의미한다.
A measuring unit for measuring and collecting water level and rainfall of a reservoir in real time;
A data storage unit for storing measurement data and past water level data received from the measurement unit;
A calculation unit that learns the collected rainfall and water level data according to the Levenberg-Marquartdt algorithm and predicts a future water level value based on the learning result; And
And an automatic control unit for controlling an output value of the pump unit according to a fuzzy control logic based on a plurality of independent variables including a current output value, a current water level, a water level increase rate, and a future water level value,
Wherein the calculation unit classifies the past water level data according to the following equation to assign weights, and compares the typed past water level data with the measured water level value to determine a weight for the output value control.
[Mathematical Expression]
here, The water level change rate per unit time at that time, A time change rate, Is the sum of the water level change rates for each hour after rainfall, However, Is the critical depth (control depth) Means the reference depth (effective depth).
기상청의 강우 정보를 상기 계산부에 제공하는 정보 제공부를 더 포함하는 우수 펌프 제어시스템.The method according to claim 1,
And an information providing unit for providing rainfall information of the weather station to the calculation unit.
상기 수집된 계측 자료 및 과거 수위 자료를 저장하는 단계;
상기 수집된 자료를 Levenberg-Marquartdt 알고리즘에 따라 학습하고, 상기 학습 결과에 기초하여 미래 수위 값을 예측하는 단계; 및
현재출력값, 현재수위, 수위증가율, 미래수위값을 포함하는 복수의 독립 변수를 기초로 퍼지 제어 로직에 따라 펌프부의 출력값을 제어하는 단계;를 포함하되,
상기 미래 수위 값을 예측하는 단계는, 상기 과거 수위 자료를 분석하여 하기 수학식에 따라 유형화하고, 유형별로 미리 정해진 가중치를 부여하는 단계; 및 상기 계측된 수위값을 상기 유형화된 과거 수위 자료와 비교하여 대응되는 가중치를 결정하는 단계;를 포함하고, 상기 출력값은 상기 결정된 가중치에 기초하여 제어되는 우수 펌프 제어 방법.
[수학식]
여기서, 는 해당 시각에서의 단위시간당 수위변화율을, 는 시간 변화율을, 는 강우발생 후 각 시간대별 수위변화율의 합을, 는 빈도를, 는 한계수심(제어수심)을,는 기준수심(유효수심)을 의미한다.Measuring and collecting water level and rainfall in real time;
Storing the collected measurement data and past water level data;
Learning the collected data according to the Levenberg-Marquartdt algorithm and predicting a future water level value based on the learning result; And
Controlling an output value of the pump unit according to a fuzzy control logic based on a plurality of independent variables including a current output value, a current water level, a water level increase rate, and a future water level value,
The step of predicting the future water level value may include analyzing the past water level data and classifying the past water level data according to the following equation and assigning a predetermined weight to each type: And comparing the measured water level value with the typed historical water level data to determine a corresponding weight value, wherein the output value is controlled based on the determined weight.
[Mathematical Expression]
here, The water level change rate per unit time at that time, A time change rate, Is the sum of the water level change rates for each hour after rainfall, However, Is the critical depth (control depth) Means the reference depth (effective depth).
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