KR102100739B1 - Method for predicting fine dust occurrence of target area - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세먼지 발생 예측방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다중선형모델 회귀수식을 이용하여 대상지역의 미세먼지 발생을 예측하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting the occurrence of fine dust, and more particularly, to a method for predicting the occurrence of fine dust in a target region using a multi-linear model regression equation.
비특허문헌 1에 기재된 '미세먼지 예보 정확도 현황'을 참조하면 우리나라의 미세먼지 예보 정확도는 2014년에 84%, 2015년에 87%, 2016년에 86% 및 2017년에 89% 등 평균 80% 후반대를 유지했다. 그러나 '미세먼지 예보 정확도 현황'은 예보관들의 판단이 평균 30% 정도 개입된 수치이기 때문에 컴퓨터 수치모델에서 산출한 예측값의 정확도는 평균 50% 대에 불과하다.Referring to the 'fine dust forecast accuracy status' described in Non-Patent Document 1, Korea's fine dust forecast accuracy averages 80%, including 84% in 2014, 87% in 2015, 86% in 2016, and 89% in 2017. Remained in the second half. However, the accuracy of forecasts calculated by computer numerical models is only about 50% on average because the forecaster's judgment is about 30% on average.
환경부는 2014년에 미세먼지 예보를 시작하면서 미국 환경청이 개발한 미세먼지 예측모델을 활용해 미세먼지 예측값을 산출하였으므로, 미국 환경청이 개발한 미세먼지 예측모델은 미국의 관측자료를 이용해 평가되고, 최적화된 프로그램의 모형이며, 대기질 예보보단 주로 대기질 해석에 활용돼 온 것으로 알려져 있다.As the Ministry of Environment started fine dust forecasting in 2014, the fine dust prediction model developed by the U.S. Environmental Agency was evaluated and optimized using U.S. observational data, using the fine dust prediction model developed by the U.S. Environmental Agency. It is a model of the old program, and it is known that it has been mainly used for air quality analysis rather than air quality forecasting.
따라서 종래에는 미세먼지 예측모델이 우리나라의 기상관측자료와 미세먼지자료를 이용해 평가되지 않았으므로, 미세먼지 예보 정확도가 떨어지는 문제점이 있다. 또한 종래에는 미세먼지가 기상에 영향을 받는 것뿐만 아니라 특정지역의 대기오염물질이나 환경조건에 따라 영향을 받을 수 있는데, 이러한 영향을 미세먼지 예측모델에 미반영하여 미세먼지 예보 정확도가 더욱 떨어지는 문제점이 있다.Therefore, conventionally, the fine dust prediction model has not been evaluated using Korea's weather observation data and fine dust data. In addition, in the related art, not only the fine dust is affected by the weather, but also may be affected by air pollutants or environmental conditions in a specific region. have.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 다중선형모델 회귀수식을 생성하고, 다중선형모델 회귀수식을 이용하여 대상지역의 미세먼지 발생을 예측한다.In order to solve the above problems, the present invention generates a multilinear model regression equation using fine dust data, air pollution data, and weather observation data, and predicts the occurrence of fine dust in a target region using the multilinear model regression equation.
본 발명은 미세먼지에 영향을 주는 최종 독립변수와 대상지역정보 간의 상관관계를 분석하거나, 미세먼지에 영향을 주는 최종 독립변수와 식물생육 상태에 영향을 주는 최종 독립변수 간의 상관관계를 분석한다.The present invention analyzes the correlation between the final independent variable affecting fine dust and the target area information, or analyzes the correlation between the final independent variable affecting fine dust and the final independent variable affecting plant growth state.
본 발명은 다중선형모델 회귀수식을 이용하여 이상기후 또는 비정상적인 대기오염물질의 농도에 따른 미세먼지 발생을 모의 실험한다.The present invention simulates the occurrence of fine dust according to the abnormal climate or the concentration of abnormal air pollutants using a multilinear model regression equation.
상기 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 입출력부, 연산부, 분석부 및 제어부를 포함하는 미세먼지 발생 예측장치를 이용한 미세먼지 발생 예측방법은, 상기 입출력부에서 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 종속변수로 설정된 미세먼지의 관측값을 입력하고, 독립변수로 설정된 복수 개의 대기오염물질과 기상요소의 관측값을 입력하는 단계; 상기 연산부에서 종속변수와 독립변수 사이의 회귀함수를 이용하여 각각의 독립변수에 대한 비표준화계수값과 상수값을 연산하는 단계; 상기 연산부에서 각각의 독립변수에 대한 표준화계수를 연산하고, 상기 제어부에서 제1 계수임계값을 초과하는 표준화계수를 선택하며, 선택된 표준화계수를 갖는 독립변수를 상위 독립변수로 설정하는 단계; 상기 연산부에서 각각의 상위 독립변수에 대한 결정계수를 연산하고, 제2 계수임계값을 초과하는 결정계수를 선택하며, 상기 제어부에서 선택된 결정계수를 갖는 독립변수를 최종 독립변수로 설정하는 단계; 상기 연산부에서 최종 독립변수의 비표준화계수값과 상수값을 포함하여 다중선형모델 회귀수식을 생성하는 단계 및 상기 분석부에서 대기오염물질과 기상요소로 다중선형모델 회귀수식을 이용하여 미세먼지 발생을 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for predicting fine dust generation using a fine dust generation prediction apparatus including an input / output unit, a calculation unit, an analysis unit, and a control unit of the present invention for the above-mentioned problems to be solved is: Inputting observation values of fine dust set as a dependent variable using data and inputting observation values of a plurality of air pollutants and meteorological elements set as independent variables; Calculating non-standardized coefficient values and constant values for each independent variable by using a regression function between the dependent variable and the independent variable in the operation unit; Calculating a standardization coefficient for each independent variable in the operation unit, selecting a standardization coefficient exceeding a first coefficient threshold value in the control unit, and setting the independent variable having the selected standardization coefficient as a higher independent variable; Calculating a determination coefficient for each upper independent variable in the calculation unit, selecting a determination coefficient exceeding a second coefficient threshold, and setting an independent variable having a determination coefficient selected by the control unit as a final independent variable; Generating a multilinear model regression equation including the non-standardized coefficients and constant values of the final independent variable in the calculation unit, and generating fine dust by using the multilinear model regression equation as air pollutants and meteorological factors in the analysis unit And a step of predicting.
상기 분석부는 대상지역의 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 설정된 최종 독립변수와 대상지역정보 간의 상관관계를 분석하여 미세먼지의 발생원인을 도출하는 것을 특징으로 할 수 있다.The analysis unit may be characterized by deriving the cause of the fine dust by analyzing the correlation between the final independent variable and the target area information set using the fine dust data, air pollution data, and weather observation data of the target area.
상기 분석부는 식물생육 상태자료 및 식물생육 환경자료를 이용하여 종속변수로 설정된 식물상태 관측값과 독립변수로 설정된 복수 개의 생육환경 관측값을 입력하고, 종속변수와 독립변수 사이의 회귀함수를 이용하여 식물생육의 상태에 영향을 주는 최종 독립변수를 선택하며, 미세먼지에 영향을 주는 최종 독립변수와 식물생육 상태에 영향을 주는 최종 독립변수 간의 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 할 수 있다.The analysis unit inputs a plant state observation value set as a dependent variable and a plurality of growth environment observation values set as an independent variable using plant growth state data and plant growth environment data, and uses a regression function between the dependent variable and the independent variable. The final independent variable affecting the state of plant growth is selected, and the correlation between the final independent variable affecting the fine dust and the final independent variable affecting the plant growth state may be analyzed.
상기 분석부는 최종 독립변수의 모의 실험값을 입력받아 다중선형모델 회귀수식에 대입하여 종속변수의 모의 결과값을 연산하고, 모의 결과값을 이용하여 이상기후 또는 비정상적인 대기오염물질의 농도에 따른 미세먼지 발생을 모의 실험하는 것을 특징으로 할 수 있다.The analysis unit receives the simulated values of the final independent variables and substitutes them into the multiple linear model regression equation to calculate the simulated results of the dependent variables, and uses the simulated results to generate fine dust according to the abnormal climate or the concentration of abnormal air pollutants. It may be characterized by simulating a.
본 발명은 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 다중선형모델 회귀수식을 생성하고, 다중선형모델 회귀수식을 이용하여 미세먼지 발생을 예측함으로써, 미세먼지 예보 정확도를 향상시킬 수 있다.The present invention can improve the accuracy of forecasting fine dust by generating a multilinear model regression equation using fine dust data, air pollution data, and weather observation data, and predicting occurrence of fine dust using the multilinear model regression equation. .
본 발명은 최종 독립변수와 대상지역정보 간의 상관관계를 분석하여 미세먼지의 발생원인을 알아낼 수 있고, 미세먼지의 저감방안을 도출해낼 수 있다.The present invention can analyze the correlation between the final independent variable and the target area information to find out the cause of the fine dust and derive a method for reducing the fine dust.
본 발명은 식물생육을 위해 미세먼지에 영향을 주는 최종 독립변수와 식물생육 상태에 영향을 주는 최종 독립변수 간의 상관관계를 분석한 분석정보를 활용할 수 있고, 고품질의 식물 생산에 기여할 수 있다.The present invention can utilize analysis information analyzing the correlation between the final independent variable affecting fine dust and the final independent variable affecting plant growth state for plant growth, and can contribute to high-quality plant production.
본 발명은 이상기후 또는 비정상적인 대기오염물질의 농도에 따른 미세먼지 발생을 모의 실험한 다양한 결과값을 분석하여 미세먼지 발생에 따른 대처방법을 도출할 수 있다.The present invention can derive a coping method according to the occurrence of fine dust by analyzing various result values that simulate the occurrence of fine dust according to the abnormal climate or the concentration of abnormal air pollutants.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 발생 예측장치(100)를 도시한 블록도이다.
도 2a는 PM10과 1.0m 평균지중온도 간의 산점도를 나타낸 예이다.
도 2b는 PM10과 평균상대습도 간의 산점도를 나타낸 예이다.
도 2c는 PM10과 일산화탄소 간의 산점도를 나타낸 예이다.
도 2d는 PM10과 대형총증발량 간의 산점도를 나타낸 예이다.
도 2e는 PM10과 최고기온 간의 산점도를 나타낸 예이다.
도 3은 독립변수와 종속변수 간의 회귀직선 그래프를 도시한 예이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대상지역의 미세먼지 발생 예측방법을 도시한 흐름도이다.1 is a block diagram illustrating a fine dust
Figure 2a is an example showing a scatter plot between PM 10 and the average underground temperature of 1.0m.
Figure 2b is an example showing a scatter plot between PM 10 and the average relative humidity.
Figure 2c is an example showing the scatter plot between PM 10 and carbon monoxide.
Figure 2d is an example showing the scatter plot between PM 10 and large total evaporation.
Figure 2e is an example showing the scatter plot between PM 10 and the highest temperature.
3 is an example showing a regression line graph between the independent variable and the dependent variable.
4 is a flowchart illustrating a method for predicting the occurrence of fine dust in a target area according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.
대기환경보전법에서는 대기오염물질을 가스성과 입자상 물질을 포함하여 61종으로 정의하였고, 그중에서 미세먼지는 입자의 크기별로 PM10, PM2.5, 및 PM1.0으로 분류된다. PM10은 지름이 10마이크로미터 이하의 미세먼지이고, PM2.5는 초미세먼지이며, PM1.0은 극초미세먼지이다.In the atmospheric environment conservation method, air pollutants were defined as 61 types including gaseous and particulate matter, and among them, fine dust is classified into PM 10 , PM 2.5 , and PM 1.0 by particle size. PM 10 is a fine dust having a diameter of 10 micrometers or less, PM 2.5 is a very fine dust, and PM 1.0 is a very fine dust.
미세먼지 발생원은 인위적인 발생원과 자연적인 발생원으로 구분되고, 인위적인 발생원은 산업단지의 매연, 자동차의 배기가스, 건설현장의 날림먼지 및 소각장의 연기 등이 있고, 자연적인 발생원은 흙먼지, 바닷물에서 생기는 소금 및 꽃가루 등이 있다.Fine dust sources are divided into artificial and natural sources, and artificial sources include fumes in industrial complexes, exhaust gases from automobiles, flying dust at construction sites, and smoke from incinerators, and natural sources are soil dust, salt from seawater And pollen.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 발생 예측장치(100)를 도시한 블록도로서, 미세먼지 발생 예측장치(100)는 대상지역의 미세먼지 발생을 예측한다. 대상지역은 시, 도, 군, 읍 또는 리 단위로 나눠질 수 있고, 이에 한정하지 않는다.1 is a block diagram showing a fine dust
미세먼지 발생 예측장치(100)는 입출력부(110), 연산부(120), 분석부(130) 및 제어부(140)를 포함한다. 입출력부(110)는 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 종속변수(dependent variable)로 설정된 미세먼지의 관측값을 입력하고, 독립변수(independent varible)로 설정된 복수 개의 대기오염물질과 기상요소의 관측값을 입력받는다. 더욱 상세하게는 입출력부(110)는 대상지역의 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 종속변수로 설정된 미세먼지의 관측값을 입력하고, 독립변수로 설정된 복수 개의 대기오염물질과 기상요소의 관측값을 입력받을 수 있다. 제어부(140)는 대기오염자료와 기상관측자료를 입력받아 대기오염물질과 기상요소별로 독립변수를 설정할 수 있다. 독립변수는 다른 변수의 변화와 관계없이 독립적으로 변할 수 있는 변수이고, 종속변수는 독립변수가 변화함에 따라 변하는 변수이다. The fine dust
대기오염물질은 오존(O3), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOX) 또는 황산화물(SOX)일 수 있고, 생물이나 물질에 악영향을 끼치는 다양한 물질이다. 질소산화물은 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 아산화질소(N2O) 또는 사산화이질소(N2O4)일 수 있고, 질소와 산소의 화합물로 이루어진 다양한 화합물이다. 황산화물은 이산화황(SO2) 또는 삼산화황(SO3)일 수 있고, 황과 산소의 화합물로 이루어진 다양한 화합물이다.Air pollutants may be ozone (O 3 ), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NO X ) or sulfur oxides (SO X ), and are various substances that adversely affect organisms or substances. The nitrogen oxides may be nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ), nitrous oxide (N 2 O) or dinitrogen tetraoxide (N 2 O 4 ), and are various compounds composed of compounds of nitrogen and oxygen. The sulfur oxide may be sulfur dioxide (SO 2 ) or sulfur trioxide (SO 3 ), and is a variety of compounds composed of a compound of sulfur and oxygen.
기상요소는 지면ㅇ지중 온도, 기온, 강수, 바람, 습도, 기압, 일조ㅇ일사량, 증발량, 눈 또는 구름일 수 있고, 대기 중에 일어나는 현상을 측정할 수 있는 다양한 요소이다. 지면ㅇ지중 온도는 평균지면온도, 평균 최저초상온도, 최저초상온도, 0.05m 평균지중온도, 0.1m 평균지중온도, 0.2m 평균지중온도, 0.3m 평균지중온도, 0.5m 평균지중온도, 1.0m 평균지중온도, 1.5m 평균지중온도, 3.0m 평균지중온도 또는 5.0m 평균지중온도로 구분될 수 있다.Meteorological factors can be ground, ground temperature, temperature, precipitation, wind, humidity, air pressure, sunlight, solar radiation, evaporation, snow or clouds, and are various factors that can measure the phenomenon occurring in the atmosphere. The ground and ground temperature are average ground temperature, average minimum ground temperature, minimum ground temperature, 0.05m average ground temperature, 0.1m average ground temperature, 0.2m average ground temperature, 0.3m average ground temperature, 0.5m average ground temperature, 1.0m It can be divided into average ground temperature, 1.5m average ground temperature, 3.0m average ground temperature, or 5.0m average ground temperature.
기온은 평균기온, 평균최고기온, 평균최저기온, 최고기온 또는 최저기온으로 구분될 수 있다. 강수는 월합강수량, 일최다강수량, 1시간당 최다강수량 또는 10분 최다강수량으로 구분될 수 있다. 바람은 평균풍속, 최대풍속, 최대순간풍속, 최대풍속풍향 또는 최대순간풍속풍향으로 구분될 수 있다. 습도는 평균상대습도 또는 최소상대습도로 구분될 수 있다.The temperature can be divided into an average temperature, an average maximum temperature, an average minimum temperature, a maximum temperature, or a minimum temperature. Precipitation can be divided into monthly precipitation, maximum precipitation, maximum precipitation per hour, or 10 minutes maximum precipitation. The wind may be divided into an average wind speed, a maximum wind speed, a maximum instantaneous wind speed, a maximum wind speed wind direction, or a maximum instantaneous wind speed wind direction. Humidity can be divided into average relative humidity or minimum relative humidity.
기압은 평균현지기압, 평균수증기압, 평균이슬점온도, 평균 해면기압, 최고 해면기압, 최저해면기압, 최고수증기압 또는 최저수증기압으로 구분될 수 있다. 일조ㅇ일사량은 일조시간합, 일조율 또는 전천일사합으로 구분될 수 있다. 증발량은 소형총증발량, 소형일최대증발량, 대형총증발량 또는 대형일최대증발량으로 구분될 수 있다. 눈은 평균중화층운량으로 나타낼 수 있고, 구름은 평균운량으로 나타낼 수 있다. 증발량은 일정기간 동안 단위 면적에서 증발된 물의 양이다.The air pressure can be classified into an average local barometric pressure, an average water vapor pressure, an average dew point temperature, an average sea level pressure, a maximum sea level pressure, a minimum sea level pressure, a maximum water vapor pressure, or a minimum water vapor pressure. The amount of sunshine and insolation can be divided into the sum of sunshine time, sunshine rate, or total sun sunshine. The amount of evaporation can be divided into small total evaporation, small maximum evaporation, large total evaporation, or large daily evaporation. Snow can be represented by average neutral cloud cover, and clouds can be represented by average cloud cover. The amount of evaporation is the amount of water evaporated in a unit area over a period of time.
입출력부(110)는 통신 기능을 제공할 수 있고, 통계자료서버(미도시)로부터 대상지역의 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 수신할 수 있다. 통계자료서버는 대상지역의 자치단체 또는 국가에서 운영하는 서버일 수 있다. 예를 들어 미세먼지자료와 대기오염자료는 환경관리공단, 시청 또는 군청에서 제공하는 데이터일 수 있고, 기상관측자료는 기상청의 기상자료개방포털에서 제공하는 데이터일 수 있다.The input /
도 2a는 PM10과 1.0m 평균지중온도 간의 산점도를 나타낸 예이고, 도 2b는 PM10과 평균상대습도 간의 산점도를 나타낸 예이며, 도 2c는 PM10과 일산화탄소 간의 산점도를 나타낸 예이고, 도 2d는 PM10과 대형총증발량 간의 산점도를 나타낸 예이며, 도 2e는 PM10과 최고기온 간의 산점도를 나타낸 예이다. 산점도는 종속변수 및 독립변수 등 2개의 연속형 변수 간의 관계를 보기 위하여 직교좌표의 평면에 관측값을 찍어 만든 통계 그래프이다.Figure 2a is an example showing the scatter plot between PM 10 and the average ground temperature of 1.0 m, Figure 2b is an example showing the scatter plot between PM 10 and the average relative humidity, Figure 2c is an example showing the scatter plot between PM 10 and carbon monoxide, Figure 2d Is an example showing the scatter plot between PM 10 and large total evaporation, and FIG. 2E is an example showing the scatter plot between PM 10 and the maximum temperature. The scatter plot is a statistical graph created by taking observations on a plane of rectangular coordinates to see the relationship between two continuous variables such as dependent and independent variables.
연산부(120)는 종속변수와 독립변수 사이의 회귀함수를 이용하여 각각의 독립변수에 대한 비표준화계수와 상수를 연산한다. 더욱 상세하게는 연산부(120)는 도 2a 내지 도 2e에 나타낸 산점도에 분포된 복수 개의 점들에 대하여 가장 가까이 통과하는 회귀직선에 대한 회귀함수를 이용하여 각각의 독립변수에 대한 비표준화계수와 상수를 연산한다. [수식 1]은 회귀직선을 연산하는 식이다.The calculating
[수식 1][Equation 1]
여기서, 는 종속변수이고, 는 독립변수이며, 는 독립변수의 인덱스이고, 은 의 추정값에 대한 평균이며, 는 상수이고, 는 비표준화계수이다.here, Is a dependent variable, Is an independent variable, Is the index of the independent variable, silver Is the mean for the estimate of Is a constant, Is the non-standardization factor.
독립변수의 단위가 달라지면 비표준화계수도 달라지기 때문에 독립변수의 측정단위가 크다면 비표준화계수는 상대적으로 작아질 수 있다. 본 발명은 각각의 독립변수에 대한 비표준화계수로 상대적인 영향력의 크기를 비교하기 어려우므로, 연산부(120)는 각각의 독립변수의 상대적인 영향력의 크기를 비교하기 위해 각각의 독립변수에 대한 표준화계수를 연산한다. 표준화계수는 단위에 무관하기 때문에 독립변수의 상대적인 영향력을 비교하는데 사용되는 것이다. 예를 들어 표준화계수가 크면 독립변수의 종속변수에 대한 영향력도 크다고 할 수 있다. 연산부(120)는 표준화계수를 연산할 때 [수식 2]를 이용한다.If the unit of the independent variable is different, the non-standardized coefficient will also be different. Since the present invention is difficult to compare the magnitude of the relative influence as a non-standardized coefficient for each independent variable, the
[수식 2][Equation 2]
여기서, 는 표준화계수이고, 는 의 관측값에 대한 평균이며, 는 의 관측값에 대한 평균이다.here, Is the standardization coefficient, The Is the mean of the observed values of The Is the average of the observed values of.
제어부(140)는 제1 계수임계값을 초과하는 표준화계수를 선택하며, 선택된 표준화계수를 갖는 독립변수를 상위 독립변수로 설정한다. 제1 계수임계값은 표준화계수의 가설 검정에서 기각역과 채택역의 경계(boundary)가 되는 값이다.The
도 3은 독립변수와 종속변수 간의 회귀직선 그래프를 도시한 예로서, 연산부(120)는 상위 독립변수 중에서도 설명력이 낮은 변수가 존재할 수 있으므로, 각각의 상위 독립변수에 대한 결정계수를 연산한다.3 is an example showing a regression linear graph between the independent variable and the dependent variable, since the calculating
결정계수는 설명력으로서 로 표기되고, 관측값의 표본자료를 얼마나 잘 설명하는지에 대한 평가기준이 되는 계수이며, [수식 3]을 참조하며 1에 가까우면 표본자료를 잘 설명하는 것이고, 0에 가까우면 자료를 거의 설명하지 못한다는 것을 의미한다. 표본자료를 잘 설명한다는 것은 정밀도가 높다는 것을 의미하고, 표본자료를 거의 설명하지 못한다는 것은 정밀도가 낮다는 것을 의미한다.The coefficient of determination is an explanatory power It is denoted as, and is a coefficient that serves as an evaluation criterion for how well the sample data of the observations are explained. Refer to [Equation 3] and close to 1, the sample data is well explained. If it is close to 0, the data is almost described. It means you can't. A good explanation of sample data means high precision, and a very little description of sample data means low precision.
[수식 3][Equation 3]
[수식 4] 내지 [수식 6]에 의해 결정계수를 연산하는 [수식 7]과 [수식 8]이 도출된다. [수식 7]은 의 최댓값이고, [수식 8]은 의 최솟값이다. 의 최댓값과 최솟값의 차이가 적을수록 결정계수의 신뢰도가 향상된다.[Equation 7] and [Equation 8] for calculating the coefficient of determination are derived from [Equation 4] to [Equation 6]. [Equation 7] Is the maximum value of [Equation 8] Is the minimum value of The smaller the difference between the maximum and minimum values of, the more reliable the coefficient of determination.
[수식 4][Equation 4]
[수식 5][Equation 5]
[수식 6][Equation 6]
[수식 7][Formula 7]
[수식 8][Equation 8]
여기서, 는 관측값 또는 추정값의 인덱스이다. SSE(explained sum of squares)는 설명된 변동으로서 의 추정값에 대한 편차제곱의 합이고, SSR(residual sum of squares)은 설명 안된 변동으로서 의 잔차에 대한 제곱의 합이며, SST(total sum of squares)는 SSE와 SSR을 합한 총 변동으로서 의 개별적인 편차제곱의 합이다.here, Is the index of the observed or estimated value. Explained sum of squares (SSE) is the described variation The sum of squares of deviations from the estimate of, and the residual sum of squares (SSR) is an unexplained variance. Is the sum of squares of the residuals of, and the total sum of squares (SST) is the total change of the sum of SSE and SSR. Is the sum of the individual squared deviations.
제어부(140)는 제2 계수임계값을 초과하는 결정계수를 선택하며, 선택된 결정계수를 갖는 독립변수를 최종 독립변수로 설정한다. 제2 계수임계값은 결정계수의 가설 검정에서 기각역과 채택역의 경계가 되는 값이다.The
본 발명은 1차적으로 상위 독립변수를 선택하고, 2차적으로 최종 독립변수를 선택하는 방식으로 대상지역에서 미세먼지 발생에 영향을 주는 독립변수를 선별함으로써, 대상지역에 대한 미세먼지 예보 정확도를 향상시킬 수 있다.The present invention improves the accuracy of forecasting fine dust for a target area by selecting the independent variables that affect the occurrence of fine dust in the target area by firstly selecting the upper independent variable and secondly selecting the final independent variable. I can do it.
연산부(120)는 최종 독립변수의 비표준화계수값과 상수값을 포함하여 다중선형모델 회귀수식을 생성한다. 다중선형모델 회귀수식은 [수식 9]와 같다.The
[수식 9][Equation 9]
[수식 10][Equation 10]
여기서, 는 최종 독립변수의 개수이다.here, Is the number of final independent variables.
지리적 특성과 도시산업 구조에 의해 대상지역마다 미세먼지의 발생 빈도와 농도는 서로 다르기 때문에, 대상지역별 예경보 모델이 필요하다. 분석부(130)는 다중선형모델 회귀수식을 이용하여 대상지역의 미세먼지 발생을 예측한다. 또한 분석부(130)는 최종 독립변수와 대상지역정보 간의 상관관계를 분석한다. 대상지역정보는 지리적 특성과 도시산업 구조에 관한 지리정보, 산업현황정보, 개발현황정보, 차량등록대수현황 및 유류소비현황 중 적어도 하나를 포함한다.Due to the geographical characteristics and the structure of the urban industry, the frequency and concentration of fine dust are different for each target region, so a predictive alarm model is required for each target region. The
분석부(130)는 내륙 또는 해안지역인지 여부, 편서풍에 영향을 받는 지역인지 여부 또는 분지지역인지 여부에 따라 미세먼지 농도차이가 발생할 수 있기 때문에 최종 독립변수와 지리정보 간의 상관관계를 분석한다.The
분석부(130)는 미세먼지의 발생 원인은 대부분 미세먼지 인위적인 발생원과 관련되기 때문에 미세먼지 인위적인 발생원과 관련된 산업현황정보, 개발현황정보, 차량등록대수현황 또는 유류소비현황과 최종 독립변수 간의 상관관계를 분석한다. 산업현황정보는 공장의 매연 등 대상지역에 미세먼지의 인위적인 발생원과 관련된 산업들이 조성되어 있는지 이와 관련된 정보를 포함할 수 있고, 개발현황정보는 공사현장의 분진 등 대상지역에 미세먼지의 인위적인 발생원과 관련된 공사현황이 있는지 이와 관련된 정보를 포함할 수 있으며, 차량등록대수현황 또는 유류소비현황은 자동차의 매연 등 대상지역에 미세먼지의 인위적인 발생원과 관련된 차량대수 또는 유류소비와 관련된 현황 정보를 포함할 수 있다.The
본 발명은 최종 독립변수와 대상지역정보 간의 상관관계를 분석하여 미세먼지의 발생원인을 알아낼 수 있고, 미세먼지 발생원인을 참조하여 대상지역별 미세먼지를 저감할 수 있는 방안을 도출해낼 수 있으며, 대상지역별 예경보 모델을 제공할 수 있다.The present invention can analyze the correlation between the final independent variable and the target area information to find out the cause of fine dust, and refer to the cause of fine dust generation to derive a method to reduce fine dust for each target area. Regional forecasting models can be provided.
미세먼지는 미세먼지는 대기중에 부유하면서 식물의 잎 표면에 침적되어 잎의 기공을 막고 햇빛을 차단하여 광합성 동화작용, 호흡작용과 증산작용 등을 저해하여 식물생육에 악영향을 미친다.Fine dust is suspended in the air and deposited on the leaf surface of plants, blocking pores of the leaves and blocking sunlight, thereby inhibiting photosynthesis, assimilation, respiration and evaporation, and adversely affecting plant growth.
오존(O3)은 대기중의 질소산화물(NOx)과 휘발성유기화합물(VOCs)이 태양광선에 의해 광화학반응을 일으켜 생성되는 2차 오염물질로서, 강한 산화력이 있어 적당량이 존재할 때 살균이나 탈취의 작용을 제공하지만, 일정 기준 이상의 농도를 가지면 농작물의 수확량 감소에 영향을 미친다. 일산화탄소(CO)는 대류권의 오존 생성에 기여한다.Ozone (O 3 ) is a secondary pollutant produced by the photochemical reaction of nitrogen oxides (NOx) and volatile organic compounds (VOCs) in the atmosphere by sunlight, and has strong oxidizing power. It provides action, but having a concentration above a certain level affects the crop yield reduction. Carbon monoxide (CO) contributes to tropospheric ozone production.
아황산가스(SO2)는 화석연료가 연소될 때 인위적으로 배출되고, 주요 배출원은 발전소, 난방장치, 금속 제련공장, 정유공장 및 기타 산업공정에서 발생한다. 아황산가스는 질소산화물과 함께 산성비를 내리게 하는 물질로서 토양 산성화에 영향을 미치고, 식물의 잎맥 손상 또는 성장저해에 영향을 미친다.Sulfur dioxide (SO 2 ) is artificially released when fossil fuels are burned, and the main sources of emissions are from power plants, heating systems, metal smelting plants, refineries and other industrial processes. Sulfur dioxide is a substance that lowers acid rain with nitrogen oxides, affects soil acidification, and affects plant vein damage or growth inhibition.
전술한 바와 같이 미세먼지 또는 미세먼지 발생원으로 가능한 대기오염물질은 식물생육에 영향을 미치므로, 대상지역에서 식물생육 상태에 영향을 주는 독립변수를 알아낼 필요가 있고, 미세먼지에 영향을 주는 최종 독립변수와 식물생육 상태에 영향을 주는 최종 독립변수 간의 상관관계를 분석할 필요가 있다.As described above, air pollutants, which are possible sources of fine dust or fine dust, affect plant growth, so it is necessary to find out the independent variables affecting plant growth conditions in the target area, and the final independence affecting fine dust It is necessary to analyze the correlation between the variable and the final independent variable affecting plant growth status.
입출력부(110)는 식물생육 상태자료 및 식물생육 환경자료를 이용하여 종속변수로 설정된 식물상태 관측값과 독립변수로 설정된 복수 개의 생육환경 관측값을 입력한다. 연산부(120)는 입력된 식물상태 관측값과 생육환경 관측값을 통해 변수값과 상수값을 연산한다. 제어부(140)는 종속변수와 독립변수 사이의 회귀함수를 이용하여 식물생육의 상태에 영향을 주는 최종 독립변수를 선택한다. 분석부(130)는 미세먼지에 영향을 주는 최종 독립변수와 식물생육 상태에 영향을 주는 최종 독립변수 간의 상관관계를 분석한다.The input /
본 발명은 식물생육을 위해 미세먼지에 영향을 주는 최종 독립변수와 식물생육 상태에 영향을 주는 최종 독립변수 간의 상관관계를 분석한 분석정보를 활용할 수 있고, 고품질의 식물 생산에 기여할 수 있다. 예를 들어 분석부(130)는 미세먼지와 식물생육 상태에 공통으로 영향을 주는 공통 독립변수를 도출할 수 있고, 공통 독립변수의 관측값에 대응하여 식물생육의 솔루션과 관련된 분석정보를 생성할 수 있다. 온실하우스를 제어하는 식물생육장치는 공통의 독립변수와 관련된 측정항목이 구비된 센서부가 설치될 수 있고, 분석정보를 참조하여 온실하우스의 환경을 제어할 수 있다.The present invention can utilize analysis information analyzing the correlation between the final independent variable affecting fine dust and the final independent variable affecting plant growth state for plant growth, and can contribute to high-quality plant production. For example, the
미세먼지 발생 예측장치(100)는 대상지역에 위치하는 식물생육장치에 설치된 센서부를 통해 최종 독립변수에 대응하는 센서값을 입력받아 다중선형모델 회귀수식에 대입하여 종속변수의 예측 결과값을 연산하고, 예측 결과값과 식물생육정보를 참조하여 식물생육장치의 동작을 제어할 수 있다. 생물생육정보는 식물의 생육 상태를 나타내는 식물상태정보 및 식물의 생육 환경을 나타내는 생육환경정보를 포함할 수 있다.The fine dust
미세먼지 발생 예측장치(100)는 최종 독립변수의 모의 실험값을 입력받아 다중선형모델 회귀수식에 대입하여 종속변수의 모의 결과값을 연산하고, 모의 결과값을 이용하여 이상기후 또는 비정상적인 대기오염물질의 농도에 따른 미세먼지 발생을 모의 실험할 수 있다.The fine dust
본 발명은 이상기후 또는 비정상적인 대기오염물질의 농도에 따른 미세먼지 발생을 모의 실험한 다양한 결과값을 분석하여 미세먼지 발생에 따른 대처방법을 도출할 수 있다.The present invention can derive a coping method according to the occurrence of fine dust by analyzing various result values that simulate the occurrence of fine dust according to the abnormal climate or the concentration of abnormal air pollutants.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대상지역의 미세먼지 발생 예측방법을 도시한 흐름도로서, 미세먼지 발생 예측방법은 미세먼지 발생 예측장치(100)를 통해 대상지역의 미세먼지 발생을 예측한다.4 is a flowchart illustrating a method for predicting occurrence of fine dust in a target area according to an embodiment of the present invention, and the method for predicting fine dust generation predicts occurrence of fine dust in the target area through the
미세먼지 발생 예측 장치(100)는 대상지역의 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 종속변수로 설정된 미세먼지의 관측값을 입력하고, 독립변수로 설정된 복수 개의 대기오염물질과 기상요소의 관측값을 입력한다. 다음으로 종속변수와 독립변수 사이의 회귀함수를 이용하여 각각의 독립변수에 대한 비표준화계수값과 상수값을 연산한다. 다음으로 각각의 독립변수에 대한 표준화계수를 연산하고, 제1 계수임계값을 초과하는 표준화계수를 선택하며, 선택된 표준화계수를 갖는 독립변수를 상위 독립변수로 설정한다. 다음으로 각각의 상위 독립변수에 대한 결정계수를 연산하고, 제2 계수임계값을 초과하는 결정계수를 선택하며, 선택된 결정계수를 갖는 독립변수를 최종 독립변수로 설정한다. 다음으로 최종 독립변수의 비표준화계수값과 상수값을 포함하여 다중선형모델 회귀수식을 생성하고, 다중선형모델 회귀수식을 이용하여 대상지역의 미세먼지 발생을 예측한다.The
[표 1]은 PM10에 대한 다중회귀분석 결과를 모형별로 나타내는 표이고, [표 2]는 모형별 결정계수를 나타내는 표이며, [표 3]은 모형별 다중선형모델 회귀수식을 나타내는 표이다.[Table 1] is a table showing the results of multiple regression analysis for PM 10 by model, [Table 2] is a table showing the decision coefficient for each model, and [Table 3] is a table showing the multilinear model regression equation for each model .
[표 1] 내지 [표 3]은 2007년부터 2017년까지 대전지역의 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 월별로 추출하여 얻어낸 결과이고, 본 발명의 미세먼지 발생 예측장치(100)를 활용하여 얻어낸 결과이다. 자료는 기상청과 환경관리공단으로부터 제공받은 자료이다. 유의확률(P)은 귀무가설이 옳다고 가정할 때 얻은 결과보다 극단적인 결과가 실제로 관측될 확률이고, 실험의 표본공간에서 정의되는 확률변수이며, 0에서 1 사이의 값을 가진다.[Table 1] to [Table 3] are the results obtained by extracting the fine dust data, air pollution data, and meteorological observation data of the Daejeon area from 2007 to 2017 on a monthly basis, and the
[표 1] 내지 [표 3]에 나타낸 바와 같이 대전지역의 결정계수가 가장 높은 모형 5를 참조하면, 정의 영향력 크기에서는 대형총증발량이 0.492로 가장 높게 나타났고, 다음으로 일산화탄소가 0.264로 나타났다. 부의 영향력 크기에서는 1.0m 평균지중온도가 -0.566으로 가장 높게 나타났고, 다음으로 최고기온이 -0.325로 나타났다. 더욱 상세하게는 대형총증발량과 일산화탄소 농도가 증가하면 미세먼지 농도도 함께 증가하는 것으로 나타났고, 반면에 평균지중온도와 최고기온이 낮아지면 미세먼지 농도가 감소하는 것으로 나타났다.As shown in [Table 1] to [Table 3], referring to Model 5, which has the highest coefficient of determination in Daejeon, the largest total evaporation amount was 0.492 in the positive influence size, followed by 0.264. In the magnitude of wealth influence, the average underground temperature of 1.0 m was highest at -0.566, and the highest at -0.325. More specifically, as the total total evaporation amount and the carbon monoxide concentration increased, the fine dust concentration also increased. On the other hand, when the average ground temperature and the maximum temperature decreased, the fine dust concentration decreased.
본 발명은 대상지역의 미세먼지 발생에 영향을 주는 최종 독립변수를 명확히 알아내고, 최종 독립변수와 대상지역의 특징을 함께 분석하여 대상지역의 미세먼지를 관리하는 분야에 활용하고자 한다.The present invention is to find out the final independent variable that affects the occurrence of fine dust in the target area, and analyze the characteristics of the final independent variable and the target area together to utilize it in the field of managing fine dust in the target area.
100: 미세먼지 발생 예측장치
110: 입출력부 120: 연산부
130: 분석부 140: 제어부100: fine dust generation prediction device
110: input and output unit 120: operation unit
130: analysis unit 140: control unit
Claims (4)
상기 입출력부에서 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 종속변수로 설정된 미세먼지의 관측값을 입력하고, 독립변수로 설정된 복수 개의 대기오염물질과 기상요소의 관측값을 입력하는 단계;
상기 연산부에서 종속변수와 독립변수 사이의 회귀함수를 이용하여 각각의 독립변수에 대한 비표준화계수값과 상수값을 연산하는 단계;
상기 연산부에서 각각의 독립변수에 대한 표준화계수를 연산하고, 상기 제어부에서 제1 계수임계값을 초과하는 표준화계수를 선택하며, 선택된 표준화계수를 갖는 독립변수를 상위 독립변수로 설정하는 단계;
상기 연산부에서 각각의 상위 독립변수에 대한 결정계수를 연산하고, 제2 계수임계값을 초과하는 결정계수를 선택하며, 상기 제어부에서 선택된 결정계수를 갖는 독립변수를 최종 독립변수로 설정하는 단계;
상기 연산부에서 최종 독립변수의 비표준화계수값과 상수값을 포함하여 다중선형모델 회귀수식을 생성하는 단계 및
상기 분석부에서 대기오염물질과 기상요소로 다중선형모델 회귀수식을 이용하여 미세먼지 발생을 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 발생 예측방법.In the fine dust generation prediction method using a fine dust generation prediction apparatus including an input and output unit, a calculation unit, an analysis unit and a control unit,
Inputting observation values of fine dust set as a dependent variable using fine dust data, air pollution data, and weather observation data in the input / output unit, and inputting observation values of a plurality of air pollutants and meteorological elements set as independent variables. ;
Calculating non-standardized coefficient values and constant values for each independent variable by using a regression function between the dependent variable and the independent variable in the operation unit;
Calculating a standardization coefficient for each independent variable in the operation unit, selecting a standardization coefficient exceeding a first coefficient threshold value in the control unit, and setting the independent variable having the selected standardization coefficient as a higher independent variable;
Calculating a determination coefficient for each upper independent variable in the calculation unit, selecting a determination coefficient exceeding a second coefficient threshold, and setting an independent variable having a determination coefficient selected by the control unit as a final independent variable;
Generating a multilinear model regression equation including the non-normalized coefficient values and constant values of the final independent variable in the operation unit, and
And predicting the occurrence of fine dust using a multi-linear model regression equation as an air pollutant and a meteorological element in the analysis unit.
상기 분석부는 대상지역의 미세먼지자료, 대기오염자료 및 기상관측자료를 이용하여 설정된 최종 독립변수와 대상지역정보 간의 상관관계를 분석하여 미세먼지의 발생원인을 도출하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 발생 예측방법.According to claim 1,
The analysis unit predicts the occurrence of fine dust by analyzing the correlation between the final independent variable and the target area information set using the fine dust data, air pollution data, and weather observation data of the target area. Way.
상기 분석부는 식물생육 상태자료 및 식물생육 환경자료를 이용하여 종속변수로 설정된 식물상태 관측값과 독립변수로 설정된 복수 개의 생육환경 관측값을 입력하고, 종속변수와 독립변수 사이의 회귀함수를 이용하여 식물생육의 상태에 영향을 주는 최종 독립변수를 선택하며, 미세먼지에 영향을 주는 최종 독립변수와 식물생육 상태에 영향을 주는 최종 독립변수 간의 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 발생 예측방법.According to claim 1,
The analysis unit inputs a plant state observation value set as a dependent variable and a plurality of growth environment observation values set as an independent variable using plant growth state data and plant growth environment data, and uses a regression function between the dependent variable and the independent variable. A method for predicting the occurrence of fine dust characterized by selecting the final independent variable affecting the state of plant growth and analyzing the correlation between the final independent variable affecting the fine dust and the final independent variable affecting the plant growth state .
상기 분석부는 최종 독립변수의 모의 실험값을 입력받아 다중선형모델 회귀수식에 대입하여 종속변수의 모의 결과값을 연산하고, 모의 결과값을 이용하여 이상기후 또는 비정상적인 대기오염물질의 농도에 따른 미세먼지 발생을 모의 실험하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 발생 예측방법.According to claim 1,
The analysis unit receives the simulated values of the final independent variables and substitutes them into the multiple linear model regression equation to calculate the simulated results of the dependent variables, and uses the simulated results to generate fine dust according to the abnormal climate or the concentration of abnormal air pollutants. Method for predicting the occurrence of fine dust, characterized in that the simulation.
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