KR102151727B1 - Device and method for assessing groundwater contamination vulnerability using adaptive neuro-fuzzy inference system with differential evolution - Google Patents

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박세훈
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Abstract

The present invention relates to a device and a method for groundwater contamination vulnerability assessment based on an adaptive neuro-fuzzy inference system combined with a differential evolution technique. According to the present invention, a groundwater contamination vulnerability factor weight is calculated with a differential evolution algorithm, a groundwater contamination vulnerability index calculated by multiplying the groundwater contamination vulnerability factor weight by groundwater contamination vulnerability factor data is input to an input node of an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), a nitrate nitrogen concentration is input to an output node, and machine learning is performed. An ANFIS model is generated as a result, a groundwater contamination vulnerability factor is input to an input node of the generated ANFIS model, and a predicted nitrate nitrogen concentration value is calculated as a result.

Description

차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR ASSESSING GROUNDWATER CONTAMINATION VULNERABILITY USING ADAPTIVE NEURO-FUZZY INFERENCE SYSTEM WITH DIFFERENTIAL EVOLUTION}Groundwater pollution vulnerability assessment device and method based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combining differential evolution techniques {DEVICE AND METHOD FOR ASSESSING GROUNDWATER CONTAMINATION VULNERABILITY USING ADAPTIVE NEURO-FUZZY INFERENCE SYSTEM WITH DIFFERENTIAL EVOLUTION}

본 발명은 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자의 가중치를 산출하고, 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 산출된 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 네트워크의 입력노드에 입력함과 아울러 질산성 질소 농도를 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성하고, 생성된 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하는, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for evaluating groundwater pollution vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combined with a differential evolution technique.In particular, a weight of a groundwater pollution vulnerability factor is calculated using a differential evolution (DE) algorithm. And, the groundwater pollution vulnerability index calculated by multiplying the groundwater pollution vulnerability factor data by the weight of the groundwater pollution vulnerability factor is input to the input node of the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) network. An adaptive combination of differential evolution technique that generates an ANFIS model by inputting acid nitrogen concentration to the output node and machine learning, and calculating the predicted value of nitrate nitrogen concentration by inputting a groundwater pollution vulnerability factor to the input node of the generated ANFIS model. An apparatus and method for evaluating groundwater contamination vulnerability based on neuro-fuzzy inference techniques.

일반적으로, 지하수 오염취약성 평가를 위해 드래스틱(Drastic) 기법이 사용되고 있다. 이 기법은 지하수 오염취약성 평가를 위해 드래스틱 인자의 범위에 따른 등급을 부여하여 점수를 계산해서 오염취약성을 평가하는 방법으로서 평가가 간단하고, 이해하기 쉽다는 장점이 있다. In general, for the evaluation of groundwater pollution vulnerability, a drag technique is used. This technique is a method of evaluating the pollution vulnerability by assigning a grade according to a range of drag factors to evaluate the pollution vulnerability of groundwater, and has the advantage that the evaluation is simple and easy to understand.

국내 특허 등록 제2006826호 공보에는 지하수 오염 취약성 평가에 사용되는 드래스틱(Drastic) 모델 이용 기법에 평가 지역의 토지 이용에 따른 평가기준을 적용하여 지하수 오염 취약성 평가의 성능을 향상시킬 수 있는, 토지이용을 고려한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법이 개시되어 있다.In Korean Patent Registration No. 2006826, land use, which can improve the performance of groundwater pollution vulnerability assessment by applying the evaluation criteria according to the land use of the evaluation area to the method of using the dynamic model used in the evaluation of groundwater pollution vulnerability. An apparatus and method for evaluating the vulnerability of groundwater pollution in consideration of

그러나 이와 같은 종래의 지하수 오염 취약성 평가 장치는 기본적으로 드래스틱 모델 이용 기법을 사용하며, 이 드래스틱 모델 이용 기법은 평가 인자들의 등급과 가중치를 주관적으로 판단하여 오염취약성을 평가하기 때문에 정밀성이 결여되었다는 문제점이 있었다. However, such a conventional groundwater pollution vulnerability assessment device basically uses a method of using a drag model, and this method of using a drag model has a lack of precision because it evaluates pollution vulnerability by subjectively judging the grade and weight of the evaluation factors. There was a problem.

국내 특허 등록 제2006826호 공보(등록일:2019.07.29)Korean Patent Registration No. 2006826 Publication (Registration Date: 2019.07.29)

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 지하수 오염 취약성 평가의 정밀성을 높일 수 있는, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to evaluate groundwater contamination vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combining differential evolution techniques that can increase the precision of groundwater contamination vulnerability assessment It is to provide an apparatus and a method.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시형태에 의한, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치는 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 복수의 질산성 질소 농도 데이터를 입력하도록 구성된 데이터 입력부; 분산팽창인자(Variance Inflation Factor: VIF) 및 공차한계(Tolerance Limit:TL)을 이용하여 상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 중 하나 이상의 지하수 오염 취약성 인자 데이터를 선택하도록 구성된 취약성 인자 선택부; 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 질산성 질소 농도 데이터를 기초로 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 산출하도록 구성된 취약성 인자 가중치 산출부; 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 상기 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 지하수 오염 취약성 지수를 산출하고, 이 산출된 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 네트워크의 입력노드에 입력함과 아울러 상기 질산성 질소 농도를 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성하도록 구성된 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부; 및 생성된 상기 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하도록 구성된 취약성 값 예측부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the apparatus for evaluating groundwater contamination vulnerability based on an adaptive neuro-purge inference technique combining a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention includes a plurality of groundwater contamination vulnerability factor data and a plurality of nitrate nitrogen concentrations. A data input unit configured to input data; A vulnerability factor selection unit configured to select at least one groundwater contamination vulnerability factor data from among the plurality of groundwater contamination vulnerability factor data using a Variance Inflation Factor (VIF) and a tolerance limit (TL); A vulnerability factor weight calculation unit configured to calculate a groundwater contamination vulnerability factor weight by using a differential evolution (DE) algorithm based on the selected groundwater contamination vulnerability factor data and nitrate nitrogen concentration data; The selected groundwater pollution vulnerability factor data is multiplied by the weight of the groundwater pollution vulnerability factor to calculate a groundwater pollution vulnerability index, and the calculated groundwater pollution vulnerability index is an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) An adaptive neuro-fuzzy inference system model generator configured to generate an ANFIS model by machine learning by inputting the nitrate nitrogen concentration to the output node and inputting it to the input node of the network; And a vulnerability value predicting unit configured to calculate a predicted value of nitrate nitrogen concentration by inputting a groundwater pollution vulnerability factor to an input node of the generated ANFIS model.

상기 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치에 있어서, 상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터는 지하수면 깊이, 지하수 함양량, 대수층 매체, 토양 매체, 지형 경사도, 통기대에 대한 영향(Impact of vadose zone), 수리전도도 및 토지용도를 포함할 수 있다.In the groundwater pollution vulnerability evaluation apparatus based on an adaptive neuro-purge inference method combining the differential evolution method, the plurality of groundwater pollution vulnerability factor data include groundwater surface depth, groundwater recharge amount, aquifer medium, soil medium, topographic slope, barrel It may include the impact of vadose zone, hydraulic conductivity and land use.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 실시형태에 의한 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 방법은 데이터 입력부에 의해 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 복수의 질산성 질소 농도 데이터가 입력되는 단계; 취약성 인자 선택부가 분산팽창인자(Variance Inflation Factor) 및 공차한계(Tolerance Limit)을 이용하여 상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 중 하나 이상의 지하수 오염 취약성 인자 데이터를 선택하는 단계; 취약성 인자 가중치 산출부가 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 질산성 질소 농도 데이터를 기초로 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 산출하는 단계; 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부가 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 상기 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 지하수 오염 취약성 지수를 산출하는 단계; 상기 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부가 산출된 상기 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 네트워크의 입력노드에 입력함과 아울러 상기 질산성 질소 농도를 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성하는 단계; 및 취약성 값 예측부가 생성된 상기 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the groundwater pollution vulnerability evaluation method based on the adaptive neuro-fuzzy inference method combining the differential evolution method according to another embodiment of the present invention includes a plurality of groundwater pollution vulnerability factor data and a plurality of data by a data input unit. Inputting the nitrate nitrogen concentration data; Selecting one or more groundwater contamination vulnerability factor data from among the plurality of groundwater contamination vulnerability factor data using a Variance Inflation Factor and a Tolerance Limit by a vulnerability factor selection unit; Calculating a groundwater pollution vulnerability factor weight using a differential evolution (DE) algorithm based on the groundwater pollution vulnerability factor data and the nitrate nitrogen concentration data selected by the vulnerability factor weight calculator; Calculating a groundwater contamination vulnerability index by multiplying the groundwater contamination vulnerability factor data selected by an adaptive neuro-fuzzy inference system model generation unit by a weight of the groundwater contamination vulnerability factor; The groundwater pollution vulnerability index calculated by the adaptive neuro-fuzzy inference system model generation unit is input to an input node of an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) network and the nitrate nitrogen concentration Generating an ANFIS model by inputting to the output node and performing machine learning; And calculating a predicted value of nitrate nitrogen concentration by inputting a groundwater pollution vulnerability factor to an input node of the ANFIS model in which the vulnerability value predicting unit is generated.

본 발명의 실시형태에 의한, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법에 의하면, 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 복수의 질산성 질소 농도 데이터가 입력되고; 분산팽창인자(Variance Inflation Factor) 및 공차한계(Tolerance Limit)을 이용하여 상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 중 하나 이상의 지하수 오염 취약성 인자 데이터를 선택하며; 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 질산성 질소 농도 데이터를 기초로 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 산출하며; 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 상기 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 지하수 오염 취약성 지수를 산출하고, 이 산출된 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 네트워크의 입력노드에 입력함과 아울러 상기 질산성 질소 농도를 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성하며; 생성된 상기 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하도록; 구성됨으로써, 지하수 오염 취약성 평가의 정밀성을 높일 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.According to an apparatus and method for evaluating groundwater contamination vulnerability based on an adaptive neuro-purge inference technique combined with a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention, a plurality of groundwater contamination vulnerability factor data and a plurality of nitrate nitrogen concentration data are input. Become; Selecting at least one groundwater contamination vulnerability factor data from among the plurality of groundwater contamination vulnerability factor data using a Variance Inflation Factor and a tolerance limit; Calculating a weight of a groundwater contamination vulnerability factor using a differential evolution (DE) algorithm based on the selected groundwater contamination vulnerability factor data and nitrate nitrogen concentration data; The selected groundwater pollution vulnerability factor data is multiplied by the weight of the groundwater pollution vulnerability factor to calculate a groundwater pollution vulnerability index, and the calculated groundwater pollution vulnerability index is an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) Generating an ANFIS model by machine learning by inputting the nitrate nitrogen concentration to the output node as well as inputting it to the input node of the network; Inputting a groundwater contamination vulnerability factor to an input node of the generated ANFIS model to calculate a nitrate nitrogen concentration prediction value; By being configured, there is an excellent effect that it is possible to increase the precision of the groundwater contamination vulnerability assessment.

즉, 본 발명의 실시형태에 의한, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법에 의하면, 차등 진화 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 객관적으로 산출하고, 이 산출된 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 곱셈하여 획득한 지하수 취약성 지수를, 인공지능 기법 중에서 효율성이 큰 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법 네트워크에 적용시켜서 지하수 오염 취약성 평가를 하도록 구성됨으로써, 지하수 오염 취약성 평가의 정밀성을 높일 수 있다.That is, according to an apparatus and method for evaluating groundwater pollution vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combined with a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention, the weight of the groundwater pollution vulnerability factor is objectively calculated using a differential evolution algorithm. Then, the groundwater vulnerability index obtained by multiplying the calculated weight of the groundwater pollution vulnerability factor by the data on the groundwater pollution vulnerability factor is applied to the adaptive neuro-fuzzy inference method network, which is highly efficient among artificial intelligence techniques, to evaluate the vulnerability of groundwater pollution. By being configured, it is possible to increase the precision of the groundwater contamination vulnerability assessment.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치의 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치를 이용한 지하수 오염 취약성 평가 방법에 대한 플로우챠트이다.
도 3은 질산성 질소에 의한 지하수 오염 취약성 맵들을 나타낸 도면으로서, (a)는 원 질산성질소 농도분포 맵을 나타내고, (b)는 원 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS)에 의한 지하수 오염취약성 맵을 나타내며, (C)는 본 발명의 실시예에 의한 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS-DE)에 의한 지하수 오염취약성 맵을 나타낸다.
도 4는 원 ANFIS 기법과 본 발명의 ANFIS-DE 기법의 학습과정과 검정과정에서 도출된 반응자 작용 특성 곡선(ROC)을 나타낸 도면으로서, (a)는 학습과정에서의 ROC를 나타내고, (b)는 검정과정에서의 ROC를 나타낸다.
1 is a block diagram of an apparatus for evaluating groundwater contamination vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique incorporating a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a method for evaluating groundwater contamination vulnerability using an apparatus for evaluating groundwater contamination vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combined with a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing groundwater contamination vulnerability maps by nitrate nitrogen, (a) shows the original nitrate nitrogen concentration distribution map, and (b) is groundwater contamination by the original adaptive neuro-purge inference technique (ANFIS) A vulnerability map is shown, and (C) shows a groundwater pollution vulnerability map by an adaptive neuro-fuzzy inference technique (ANFIS-DE) combining the differential evolution technique according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram showing the response characteristic curve (ROC) derived in the learning process and the verification process of the original ANFIS technique and the ANFIS-DE technique of the present invention, (a) shows the ROC in the learning process, (b) Represents the ROC during the assay.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치의 블록구성도이다.1 is a block diagram of an apparatus for evaluating groundwater contamination vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combining a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 의한, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 데이터 입력부(100), 취약성 인자 선택부(200), 취약성 인자 가중치 산출부(300), 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부(400) 및 취약성 값 예측부(500)를 포함한다.An apparatus for evaluating groundwater contamination vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combined with a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention includes a data input unit 100 and a vulnerability factor selection unit 200, as shown in FIG. 1. ), a vulnerability factor weight calculation unit 300, an adaptive neuro-fuzzy inference system model generation unit 400, and a vulnerability value prediction unit 500.

데이터 입력부(100)는 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 복수의 질산성 질소 농도 데이터를 취약성 인자 선택부(200)에 입력하는 역할을 한다.The data input unit 100 serves to input a plurality of groundwater contamination vulnerability factor data and a plurality of nitrate nitrogen concentration data into the vulnerability factor selection unit 200.

복수의 질산성 질소 농도 데이터는 예컨대, 경상남도 밀양시에 위치한 95개의 모니터링 우물에서 수집될 수 있다. 우물 깊이는 30m 내외가 될 수 있다. 일부 우물은 기반암에 도달했지만, 대부분의 우물은 충적 퇴적층의 얕은 대수층에 있다. 질산성 질소 농도 10mg/L는 식수의 임계값이다. 질산성 질소 농도 데이터는 원 ANFIS 기법과 ANFIS-DE 기법의 학습(training) 및 검정(testing) 과정의 연속성을 보장하기 위해 자연스럽게 로그 변환되고, 처리 후 지수화에 의해 역변환되었다.A plurality of nitrate nitrogen concentration data may be collected, for example, from 95 monitoring wells located in Miryang-si, Gyeongsangnam-do. The depth of the well can be around 30m. Some wells have reached bedrock, but most are in shallow aquifers of alluvial sediments. The nitrate nitrogen concentration of 10 mg/L is the critical value for drinking water. The nitrate nitrogen concentration data were naturally log-transformed to ensure the continuity of the training and testing process of the original ANFIS and ANFIS-DE methods, and inversely transformed by exponentiation after processing.

복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터는 지하수면 깊이, 지하수 함양량, 대수층 매체, 토양 매체, 지형 경사도, 통기대에 대한 영향(Impact of vadose zone), 수리전도도 및 토지용도를 포함한다. 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터는 예컨대, (Aller et al., 1987b)에서 제안한 등급 값을 취할 수 있다.Data on multiple groundwater pollution vulnerability factors include groundwater depth, groundwater recharge, aquifer media, soil media, topographic gradient, impact of vadose zone, hydraulic conductivity, and land use. Data on multiple groundwater pollution vulnerability factors can take the grade value suggested by (Aller et al., 1987b), for example.

지하수면 깊이는 지표면에서 지하수위까지의 거리이다. Groundwater depth is the distance from the surface to the groundwater level.

지하수 함양량은 불포화 구역의 침투를 통해 지하수면에 도달하는 물의 양을 나타낸다. 지하수 함양은 연구 지역의 지하수 보충의 필수 원이다. 지하수 함양량의 결정은 피스코포(Piscopo) 방법을 사용할 수 있다.Groundwater recharge refers to the amount of water that reaches the groundwater level through infiltration of unsaturated areas. Groundwater recharge is an essential source of groundwater replenishment in the study area. The amount of groundwater recharge can be determined using the Piscopo method.

대수층 매체는 예컨대, 95개의 우물 관정 데이터에서 30m 깊이의 지질에 따라 분류될 수 있다. Aquifer media can be classified according to geology at a depth of 30 m, for example, in 95 well well data.

토양 매체는 예컨대, 국립 농업 과학 연구소에서 발행한 밀양시의 토양 지도에 의해 분류될 수 있다. The soil medium can be classified by, for example, a soil map of Miryang City issued by the National Institute of Agricultural Science.

지형 경사도는 예컨대, 밀양시의 디지털 고도지형도를 사용하여 ArcGIS 10.2에 의해 분류될 수 있다.The topographic slope can be classified by ArcGIS 10.2 using, for example, a digital elevation map of Miryang City.

통기대에 대한 영향(Impact of vadose zone)은 예컨대, 95개 우물관정의 통기대 지질자료에서 결정될 수 있다.The impact of vadose zone can be determined, for example, from the aeration zone geological data of 95 well wells.

수리전도도 데이터는 예컨대, 투수시험 또는 슬러그 테스트로부터 획득될 수 있다. The hydraulic conductivity data can be obtained, for example, from a water permeability test or a slug test.

랜드셋(Landsat) 이미지의 지도 분류를 통해 토지 이용도가 생성되었으며, 연구 영역에서의 분포에 따라 토지 용도가 식별되고 분류될 수 있다.Land use was created through map classification of Landsat images, and land uses can be identified and classified according to distribution in the research area.

취약성 인자 선택부(200)는 분산팽창인자(Variance Inflation Factor) 및 공차한계(Tolerance Limit)을 이용하여 위의 8개의 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 중 하나 이상의 지하수 오염 취약성 인자 데이터를 선택하여 취약성 인자 가중치 산출부(300) 및 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템(ANFIS) 모델 생성부(400)에 입력시키는 역할을 한다. The vulnerability factor selection unit 200 selects at least one groundwater contamination vulnerability factor data from among the eight plurality of groundwater contamination vulnerability factor data above using a Variance Inflation Factor and a tolerance limit. It serves to input to the weight calculation unit 300 and the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) model generation unit 400.

취약성 인자 가중치 산출부(300)는 취약성 인자 선택부(200)에 의해 선택된 지하수 오염 취약성 인자 데이터와, 대응하는 질산성 질소 농도 데이터를 기초로 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 산출하는 역할을 한다.The vulnerability factor weight calculation unit 300 uses a differential evolution (DE) algorithm based on the groundwater contamination vulnerability factor data selected by the vulnerability factor selection unit 200 and the corresponding nitrate nitrogen concentration data. It serves to calculate the vulnerability factor weight.

DE 알고리즘은 미분 정보를 사용하지 않고 자체적으로 구성한 벡터 기반의 검색 기법을 이용한다. DE 알고리즘은 단순성, 견고성, 빠른 수렴 속도 및 제어 변수가 거의 없음에 특징이 있다. 따라서 이 알고리즘은 미분 불가능 문제 및 비선형 최적화 문제를 해결하기 위해 적합하다. DE 알고리즘은 모집단을 구성하기 위해 많은 모집단 솔루션을 요구하는 기법으로서, 각 솔루션은 문제의 차원에 따라 특정 수의 매개 변수를 구성한다. DE 알고리즘의 기본 개념은 최상의 변수(부모)를 선택하기로 결정한 변수 솔루션을 생성하는 방법에 있다.The DE algorithm does not use differential information and uses a self-organized vector-based search technique. The DE algorithm is characterized by its simplicity, robustness, fast convergence speed, and few control variables. Therefore, this algorithm is suitable for solving the non-differentiable problem and nonlinear optimization problem. The DE algorithm is a technique that requires a large number of population solutions to construct a population, and each solution constructs a certain number of parameters according to the dimension of the problem. The basic concept of the DE algorithm lies in how to create a variable solution that decides to choose the best variable (parent).

DE 알고리즘에 적용되는 전략은 모집단에서 무작위로 선택된 두 벡터 간의 차이를 사용하여 새로운 솔루션을 생성하는 것이다. 각 솔루션에 대해, 시도 솔루션은 돌연변이, 교배 및 선택 과정을 수행하여 원래 모집단에서 생성된다. 기존 솔루션과 새로운 솔루션이 비교되고, 최적의 솔루션이 차세대로 전달된다. 이를 위해, 모집단 개수 만큼의 벡터 또는 솔루션으로 구성된 초기 모집단은 문제의 D 차원 공간의 두 경계 사이에서 무작위로 생성된다. 모든 세대 g에서 각 솔루션 Xi에 대한 표기법은 다음 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다The strategy applied to the DE algorithm is to generate a new solution using the difference between two vectors randomly selected from the population. For each solution, a trial solution is generated from the original population by performing mutation, mating, and selection processes. The existing and new solutions are compared, and the optimal solution is delivered to the next generation. For this, an initial population consisting of as many vectors or solutions as the number of populations is randomly generated between the two boundaries of the D-dimensional space of the problem. The notation for each solution X i in all generations g can be expressed as [Equation 1]

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020033455781-pat00001
Figure 112020033455781-pat00001

[여기서,

Figure 112020033455781-pat00002
는 D 차원 공간의 모집단의 개체수를 나타내며,
Figure 112020033455781-pat00003
이다] [here,
Figure 112020033455781-pat00002
Represents the population of the population in the D-dimensional space,
Figure 112020033455781-pat00003
to be]

돌연변이 단계에서, 모든 세대에서의 모집단의 단일 솔루션(

Figure 112020033455781-pat00004
), 공여자 벡터 또는 돌연변이 벡터(
Figure 112020033455781-pat00005
)는 다음 [수학식 2]를 사용하여 생성된다.In the mutation stage, a single solution of the population in all generations (
Figure 112020033455781-pat00004
), donor vector or mutant vector (
Figure 112020033455781-pat00005
) Is generated using the following [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020033455781-pat00006
Figure 112020033455781-pat00006

[여기서,

Figure 112020033455781-pat00007
는 최상의 적합 함수를 달성하는 솔루션이고, F는 수렴 속도를 제어하는 돌연변이 인자이며, [1, 0] 사이의 범위 값이고,
Figure 112020033455781-pat00008
는 현재 세대에서 선택한 무작위 솔루션 벡터이다][here,
Figure 112020033455781-pat00007
Is the solution to achieve the best fit function, F is the mutant factor controlling the rate of convergence, and is a value ranging between [1, 0],
Figure 112020033455781-pat00008
Is the random solution vector chosen by the current generation]

교배단계에서, 시험 벡터

Figure 112020033455781-pat00009
는 원 모집단의 돌연변이 벡터(
Figure 112020033455781-pat00010
) 및 표적 벡터(
Figure 112020033455781-pat00011
)에 의해 생성된다. 이 과정은 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.In the mating stage, the test vector
Figure 112020033455781-pat00009
Is the mutant vector of the original population (
Figure 112020033455781-pat00010
) And target vector (
Figure 112020033455781-pat00011
). This process can be expressed as the following [Equation 3].

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020033455781-pat00012
Figure 112020033455781-pat00012

선택 단계에서 새로운 모집단은 교배단계

Figure 112020033455781-pat00013
(시험 벡터)와 원 모집단
Figure 112020033455781-pat00014
(표적 벡터)의 비교에 기초하여 차세대 벡터
Figure 112020033455781-pat00015
로 전달된다. 이 프로세스는 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.In the selection phase, the new population is in the mating phase
Figure 112020033455781-pat00013
(Test vector) and original population
Figure 112020033455781-pat00014
Next-generation vector based on comparison of (target vector)
Figure 112020033455781-pat00015
Is delivered to. This process can be expressed as the following [Equation 4].

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112020033455781-pat00016
Figure 112020033455781-pat00016

적응형 뉴로-퍼지 추론 모델 생성부(400)는 취약성 인자 선택부(200)에 의해 선택된 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 취약성 인자 가중치 산출부(300)에 의해 산출된 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 지하수 오염 취약성 지수를 산출하고, 이 산출된 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System)의 입력노드에 입력함과 아울러 지하수 오염 취약성 인자에 대응되는 질산성 질소 농도를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System)의 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성하는 역할을 한다.The adaptive neuro-fuzzy inference model generation unit 400 multiplies the groundwater contamination vulnerability factor data selected by the vulnerability factor selection unit 200 by the groundwater contamination vulnerability factor weight calculated by the vulnerability factor weight calculation unit 300 to groundwater. Calculate the pollution vulnerability index, and input the calculated groundwater pollution vulnerability index into the input node of the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), and nitrate nitrogen corresponding to the groundwater pollution vulnerability factor. It plays a role of creating an ANFIS model by inputting the concentration to the output node of the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) and performing machine learning.

취약성 값 예측부(500)는 적응형 뉴로-퍼지 추론 모델 생성부(400)에 의해 생성된 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하는 역할을 한다.The vulnerability value predictor 500 serves to calculate a nitrate nitrogen concentration predicted value by inputting a groundwater contamination vulnerability factor to an input node of the ANFIS model generated by the adaptive neuro-fuzzy inference model generating unit 400.

이하, 위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치를 이용한 지하수 오염 취약성 평가 방법에 대해서 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for evaluating groundwater pollution vulnerability using a groundwater pollution vulnerability evaluation apparatus based on an adaptive neuro-fuzzy inference method combining the differential evolution method according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치를 이용한 지하수 오염 취약성 평가 방법에 대한 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 의미한다.2 is a flowchart of a groundwater contamination vulnerability assessment method using a groundwater contamination vulnerability assessment apparatus based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combined with a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention, where S is a step Means.

먼저, 데이터 입력부(100)에 의해 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 복수의 질산성 질소 농도 데이터가 입력되면(S100), 취약성 인자 선택부(200)가 분산팽창인자(Variance Inflation Factor) 및 공차한계(Tolerance Limit)을 이용하여 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 중 하나 이상의 지하수 오염 취약성 인자 데이터를 선택한다(S200).First, when a plurality of groundwater contamination vulnerability factor data and a plurality of nitrate nitrogen concentration data are inputted by the data input unit 100 (S100), the vulnerability factor selection unit 200 performs a Variance Inflation Factor and a tolerance limit. At least one groundwater contamination vulnerability factor data is selected from among a plurality of groundwater contamination vulnerability factor data using (Tolerance Limit) (S200).

다음, 취약성 인자 가중치 산출부(300)가 스텝(S200)에서 선택된 지하수 오염 취약성 인자 데이터와 이에 대응하는 질산성 질소 농도 데이터를 기초로 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 산출한다(S300).Next, the vulnerability factor weight calculation unit 300 uses a differential evolution (DE) algorithm based on the groundwater contamination vulnerability factor data selected in step S200 and the corresponding nitrate nitrogen concentration data. The weight is calculated (S300).

이어서, 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부(400)가 스텝(S200)에서 선택된 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 스텝(S300)에서 산출된 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 지하수 오염 취약성 지수를 산출한다(S400).Subsequently, the adaptive neuro-fuzzy inference system model generation unit 400 multiplies the groundwater pollution vulnerability factor data selected in step S200 by the weight of the groundwater pollution vulnerability factor calculated in step S300 to calculate the groundwater pollution vulnerability index. (S400).

다음, 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부(400)가 스텝(S400)에서 산출된 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 네트워크의 입력노드에 입력함과 아울러 질산성 질소 농도를 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성한다(S410).Next, the adaptive neuro-fuzzy inference system model generation unit 400 applies the groundwater pollution vulnerability index calculated in step S400 to the input node of the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) network. In addition to inputting, the ANFIS model is generated by machine learning by inputting the nitrate nitrogen concentration to the output node (S410).

다음, 취약성 값 예측부(500)가 스텝(S410)에서 생성된 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출한다(S500).Next, the vulnerability value predictor 500 calculates a nitrate nitrogen concentration predicted value by inputting a groundwater pollution vulnerability factor to the input node of the ANFIS model generated in step S410 (S500).

한편, 지하수 오염 취약성 평가의 기준이 되는 질산성 질소 맵(대상: 경상남도 밀양시)을, 도 3에 도시된 바와 같이, 원 질산성질소 자료, 원 ANFIS 모델, 및 ANFIS-DE 모델을 사용하여 생성하였다.On the other hand, a nitrate nitrogen map (target: Miryang-si, Gyeongsangnam-do), which is a standard for evaluating groundwater pollution vulnerability, was generated using raw nitrate nitrogen data, original ANFIS model, and ANFIS-DE model, as shown in FIG. .

원 질산성 질소 맵(도 3의 a)은 원 ANFIS 모델의 질산성 질소 맵(도 3의 b) 및 본 발명의 ANFIS-DE 모델의 질산성 질소 맵(도 3의 c)과 유사하다. 원 ANFIS 모델의 질산성 질소 맵(도 3의 b)은 원 질산성 질소 맵과 ANFIS-DE 모델의 질산성 질소 맵(도 3의 c)에 유사하지만, 밀양시 남부 지역의 낙동강 근처에서는 다르다. 원 ANFIS 모델의 낙동강 근처의 매우 높은 취약성 지수는 ANFIS-DE 모델보다 훨씬 높다. 이 사실은 본 발명의 ANFIS-DE 모델이 원 질산성 질소 맵과 매우 유사하며, 원 ANFIS 모델보다 훨씬 우수하다는 것을 나타낸다.The original nitrate nitrogen map (Fig. 3a) is similar to the nitrate nitrogen map of the original ANFIS model (Fig. 3b) and the nitrate nitrogen map of the ANFIS-DE model of the present invention (Fig. 3c). The nitrate nitrogen map of the original ANFIS model (Fig. 3b) is similar to the original nitrate nitrogen map and the nitrate nitrogen map of the ANFIS-DE model (Fig. 3c), but is different near the Nakdong River in the southern region of Miryang City. The very high vulnerability index of the original ANFIS model near the Nakdong River is much higher than that of the ANFIS-DE model. This fact indicates that the ANFIS-DE model of the present invention is very similar to the original nitrate nitrogen map and is far superior to the original ANFIS model.

한편, 다음의 표 1에는 원 ANFIS 기법과 본 발명의 ANFIS-DE 기법에서 산출된 질산성 질소 값들과 원 질산성 질소 값의 오차와 상관성을 비교한 결과가 나타나 있다. Meanwhile, Table 1 below shows the results of comparing the error and correlation between the nitrate nitrogen values calculated by the original ANFIS method and the ANFIS-DE method of the present invention and the original nitrate nitrogen value.

오차 값들에 대한 비교결과, 본 발명의 ANFIS-DE 기법이 원 ANFIS 기법보다 절대 오차 평균값(MAE)과 제곱 오차 평균값의 제곱근 값(RMSE)이 작으며, 상관계수는 본 발명의 ANFIS-DE 기법이 ANFIS 기법보다 크게 나타나고 있으므로, 본 발명의 ANFIS-DE 기법이 더 우수한 결과를 도출하고 있음을 알 수 있다.As a result of comparing the error values, the ANFIS-DE method of the present invention has a smaller absolute error mean value (MAE) and the square root value of the square error mean value (RMSE) than the original ANFIS method, and the correlation coefficient is the ANFIS-DE method of the present invention. Since it appears larger than the ANFIS technique, it can be seen that the ANFIS-DE technique of the present invention yields better results.

[표 1][Table 1]

Figure 112020033455781-pat00017
Figure 112020033455781-pat00017

한편, 도 4는 원 ANFIS 기법과 본 발명의 ANFIS-DE 기법의 학습과정과 검정과정에서 도출된 반응자 작용 특성 곡선(ROC)을 나타낸 도면으로서, (a)는 학습과정에서의 ROC를 나타내고, (b)는 검정과정에서의 ROC를 나타낸다.On the other hand, Figure 4 is a diagram showing the response characteristic curve (ROC) derived in the learning process and the verification process of the original ANFIS technique and the ANFIS-DE technique of the present invention, (a) shows the ROC in the learning process, ( b) represents the ROC during the assay.

ROC는 다음의 [수학식 5] 및 [수학식 6]에 의해 결정된다.ROC is determined by the following [Equation 5] and [Equation 6].

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112020033455781-pat00018
Figure 112020033455781-pat00018

[여기서, TPR(True Positive Rate)은 참 양의 비율을 나타내고, TP는 지하수 오염이 예측된 곳에서 지하수 오염이 관측되는 경우의 수를 나타내며, FN은 지하수 오염이 예측되지 않은 곳에서 지하수 오염이 관측되는 경우의 수를 나타냄][Here, TPR (True Positive Rate) represents the ratio of the true amount, TP represents the number of cases where groundwater contamination is predicted, and FN represents the number of cases where groundwater contamination is not predicted. Indicate the number of observed cases]

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112020033455781-pat00019
Figure 112020033455781-pat00019

[여기서, FPR(False Positive Ratio)은 거짓 양의 비율을 나타내고, FP는 지하수 오염이 예측되는 곳에서 지하수 오염이 관측되지 않는 경우의 수를 나타내며, TN은 지하수 오염이 예측되지 않은 곳에서 지하수 오염이 관측되지 않는 경우의 수를 나타냄][Here, FPR (False Positive Ratio) represents the ratio of false positives, FP represents the number of cases where groundwater contamination is not observed where groundwater contamination is predicted, and TN is groundwater contamination where groundwater contamination is not predicted. Represents the number of unobserved cases]

TPR과 FPR을 구한 후, X축에는 FPR 값을 Y축에는 TPR 값을 표시하여 만들어진 곡선 밑의 면적을 AUC(Area Under Curve)라고 하며, 그 면적이 크게 만들어지는 기법이 적은 기법보다 우수하다고 할 수 있다. After calculating the TPR and FPR, the area under the curve created by displaying the FPR value on the X-axis and the TPR value on the Y-axis is called AUC (Area Under Curve), and the technique that makes the area larger is better than the technique with less. I can.

도 4에 도시된 바와 같이, 원 ANFIS 기법의 학습과정과 검정과정에서의 AUC 값은 (0.879, 0.643)이고, 본 발명의 ANFIS-DE 기법의 학습과정과 검정과정에서의 AUC 값은 (0.975, 0.857)로 나타났다. 따라서 본 발명의 ANFIS-DE 기법의 값들이 원 ANFIS 기법보다 모두 크기 때문에, 본 발명의 ANFIS-DE 기법이 원 ANFIS 기법보다 더 우수한 결과를 산출했다. 이것은 본 발명의 ANFIS-DE 기법에서 예측된 질산성 질소 값이 원 질산성 질소 값과의 오차가 적다는 것을 의미한다.As shown in Figure 4, the AUC value in the learning process and the verification process of the original ANFIS technique is (0.879, 0.643), and the AUC value in the learning process and the verification process of the ANFIS-DE technique of the present invention is (0.975, 0.857). Therefore, since the values of the ANFIS-DE technique of the present invention are all larger than that of the original ANFIS technique, the ANFIS-DE technique of the present invention yielded better results than the original ANFIS technique. This means that the nitrate nitrogen value predicted by the ANFIS-DE technique of the present invention has little error from the original nitrate nitrogen value.

본 발명의 실시예에 의한, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법에 의하면, 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 복수의 질산성 질소 농도 데이터가 입력되고; 분산팽창인자(Variance Inflation Factor) 및 공차한계(Tolerance Limit)를 이용하여 상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 중 하나 이상의 지하수 오염 취약성 인자 데이터를 선택하며; 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 질산성 질소 농도 데이터를 기초로 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 산출하며; 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 상기 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 지하수 오염 취약성 지수를 산출하고, 이 산출된 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 네트워크의 입력노드에 입력함과 아울러 상기 질산성 질소 농도를 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성하며; 생성된 상기 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하도록; 구성됨으로써, 지하수 오염 취약성 평가의 정밀성을 높일 수 있다.According to an apparatus and method for evaluating groundwater contamination vulnerability based on an adaptive neuro-purge inference technique combined with a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention, a plurality of groundwater contamination vulnerability factor data and a plurality of nitrate nitrogen concentration data are input. Become; Selecting at least one groundwater contamination vulnerability factor data from among the plurality of groundwater contamination vulnerability factor data using a Variance Inflation Factor and a tolerance limit; Calculating a weight of a groundwater contamination vulnerability factor using a differential evolution (DE) algorithm based on the selected groundwater contamination vulnerability factor data and nitrate nitrogen concentration data; The selected groundwater pollution vulnerability factor data is multiplied by the weight of the groundwater pollution vulnerability factor to calculate a groundwater pollution vulnerability index, and the calculated groundwater pollution vulnerability index is an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) Generating an ANFIS model by machine learning by inputting the nitrate nitrogen concentration to the output node as well as inputting it to the input node of the network; Inputting a groundwater contamination vulnerability factor to an input node of the generated ANFIS model to calculate a nitrate nitrogen concentration prediction value; By being configured, it is possible to increase the precision of the groundwater contamination vulnerability assessment.

즉, 본 발명의 실시예에 의한, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치 및 방법에 의하면, 차등 진화 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 객관적으로 산출하고, 이 산출된 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 곱셈하여 획득한 지하수 취약성 지수를, 인공지능 기법 중에서 효율성이 큰 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법 네트워크에 적용시켜서 지하수 오염 취약성 평가를 하도록 구성됨으로써, 지하수 오염 취약성 평가의 정밀성을 높일 수 있다.That is, according to an apparatus and method for evaluating groundwater pollution vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combined with a differential evolution technique according to an embodiment of the present invention, the weight of the groundwater pollution vulnerability factor is objectively calculated using a differential evolution algorithm. Then, the groundwater vulnerability index obtained by multiplying the calculated weight of the groundwater pollution vulnerability factor by the data on the groundwater pollution vulnerability factor is applied to the adaptive neuro-fuzzy inference method network, which is highly efficient among artificial intelligence techniques, to evaluate the vulnerability of groundwater pollution. By being configured, it is possible to increase the precision of the groundwater contamination vulnerability assessment.

도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.In the drawings and specification, the best embodiments have been disclosed, and specific terms are used, but these are only used for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and are used to limit the meaning or the scope of the present invention described in the claims. Was not done. Therefore, those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 데이터 입력부
200: 취약성 인자 선택부
300: 취약성 인자 가중치 산출부
400: 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템(ANFIS) 모델 생성부
500: 취약성 값 예측부
100: data input unit
200: vulnerability factor selection unit
300: vulnerability factor weight calculation unit
400: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) model generator
500: vulnerability value prediction unit

Claims (4)

복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 복수의 질산성 질소 농도 데이터를 입력하도록 구성된 데이터 입력부;
분산팽창인자(Variance Inflation Factor) 및 공차한계(Tolerance Limit)을 이용하여 상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 중 하나 이상의 지하수 오염 취약성 인자 데이터를 선택하도록 구성된 취약성 인자 선택부;
선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 질산성 질소 농도 데이터를 기초로 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 산출하도록 구성된 취약성 인자 가중치 산출부;
선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 상기 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 지하수 오염 취약성 지수를 산출하고, 이 산출된 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 네트워크의 입력노드에 입력함과 아울러 상기 질산성 질소 농도를 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성하도록 구성된 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부; 및
생성된 상기 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하도록 구성된 취약성 값 예측부;를 포함하고,
상기 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법 네트워크의 입력노드에 상기 지하수 오염 취약성 지수를 입력함과 아울러 출력노드에 질산성 질소 농도를 입력하여 기계학습시켜 ANFIS 모델을 생성한 후, 생성된 상기 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하도록 구성됨으로써, 지하수 오염 취약성 평가의 정밀성을 높일 수 있도록 한, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치.
A data input unit configured to input a plurality of groundwater pollution vulnerability factor data and a plurality of nitrate nitrogen concentration data;
A vulnerability factor selection unit configured to select at least one groundwater contamination vulnerability factor data from among the plurality of groundwater contamination vulnerability factor data using a Variance Inflation Factor and a tolerance limit;
A vulnerability factor weight calculation unit configured to calculate a groundwater contamination vulnerability factor weight by using a differential evolution (DE) algorithm based on the selected groundwater contamination vulnerability factor data and nitrate nitrogen concentration data;
The selected groundwater pollution vulnerability factor data is multiplied by the weight of the groundwater pollution vulnerability factor to calculate a groundwater pollution vulnerability index, and the calculated groundwater pollution vulnerability index is an adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) An adaptive neuro-fuzzy inference system model generation unit configured to generate an ANFIS model by machine learning by inputting the nitrate nitrogen concentration to the output node and inputting it to the input node of the network; And
Including; a vulnerability value prediction unit configured to calculate a nitrate nitrogen concentration predicted value by inputting a groundwater pollution vulnerability factor to the generated input node of the ANFIS model,
After inputting the groundwater pollution vulnerability index to the input node of the adaptive neuro-fuzzy inference method network and inputting the nitrate nitrogen concentration to the output node to generate an ANFIS model by machine learning, the generated ANFIS model is input Groundwater pollution vulnerability based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique that combines the differential evolution technique, which is configured to calculate the predicted value of the nitrate nitrogen concentration by inputting the groundwater pollution vulnerability factor to the node. Evaluation device.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터는 지하수면 깊이, 지하수 함양량, 대수층 매체, 토양 매체, 지형 경사도, 통기대에 대한 영향(Impact of vadose zone), 수리전도도 및 토지용도를 포함하는, 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치.
The method of claim 1,
The plurality of groundwater pollution vulnerability factor data includes a differential evolution technique, including groundwater depth, groundwater recharge, aquifer medium, soil medium, topographic gradient, impact of vadose zone, hydraulic conductivity, and land use. Groundwater pollution vulnerability assessment device based on the combined adaptive neuro-fuzzy inference technique.
제 1 항의 차등진화 기법을 결합시킨 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법에 기초한 지하수 오염 취약성 평가 장치를 이용한 지하수 오염 취약성 평가 방법으로서,
데이터 입력부에 의해 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 복수의 질산성 질소 농도 데이터가 입력되는 단계;
취약성 인자 선택부가 분산팽창인자(Variance Inflation Factor) 및 공차한계(Tolerance Limit)을 이용하여 상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터 중 하나 이상의 지하수 오염 취약성 인자 데이터를 선택하는 단계;
취약성 인자 가중치 산출부가 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터 및 질산성 질소 농도 데이터를 기초로 차등 진화(DE:Differential Evolution) 알고리듬을 이용하여 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 산출하는 단계;
적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부가 선택된 상기 지하수 오염 취약성 인자 데이터에 상기 지하수 오염 취약성 인자 가중치를 곱셈하여 지하수 오염 취약성 지수를 산출하는 단계;
상기 적응형 뉴로-퍼지 추론 시스템 모델 생성부가 산출된 상기 지하수 오염 취약성 지수를 적응형 뉴로-퍼지 추론 기법(ANFIS: Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) 네트워크의 입력노드에 입력함과 아울러 상기 질산성 질소 농도를 출력노드에 입력하여 기계학습시킴으로써 ANFIS 모델을 생성하는 단계; 및
취약성 값 예측부가 생성된 상기 ANFIS 모델의 입력 노드에 지하수 오염 취약성 인자를 입력시켜 질산성 질소 농도 예측값을 산출하는 단계;를 포함하는 지하수 오염 취약성 평가 방법.
As a groundwater contamination vulnerability assessment method using a groundwater contamination vulnerability assessment device based on an adaptive neuro-fuzzy inference technique combining the differential evolution technique of claim 1,
Inputting a plurality of groundwater pollution vulnerability factor data and a plurality of nitrate nitrogen concentration data by a data input unit;
Selecting one or more groundwater contamination vulnerability factor data from among the plurality of groundwater contamination vulnerability factor data using a Variance Inflation Factor and a Tolerance Limit by a vulnerability factor selection unit;
Calculating a groundwater pollution vulnerability factor weight using a differential evolution (DE) algorithm based on the groundwater pollution vulnerability factor data and the nitrate nitrogen concentration data selected by the vulnerability factor weight calculator;
Calculating a groundwater pollution vulnerability index by multiplying the groundwater pollution vulnerability factor data selected by the adaptive neuro-fuzzy inference system model generator by the weight of the groundwater pollution vulnerability factor;
The groundwater pollution vulnerability index calculated by the adaptive neuro-fuzzy inference system model generation unit is input to the input node of the adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) network, and the nitrate nitrogen concentration Generating an ANFIS model by inputting to the output node and performing machine learning; And
And calculating a nitrate nitrogen concentration prediction value by inputting a groundwater contamination vulnerability factor to an input node of the ANFIS model in which the vulnerability value prediction unit is generated.
제 3 항에 있어서,
상기 복수의 지하수 오염 취약성 인자 데이터는 지하수면 깊이, 지하수 함양량, 대수층 매체, 토양 매체, 지형 경사도, 통기대에 대한 영향(Impact of vadose zone), 수리전도도 및 토지용도를 포함하는 지하수 오염 취약성 평가 방법.
The method of claim 3,
The plurality of groundwater pollution vulnerability factor data is a method for evaluating groundwater pollution vulnerability including groundwater depth, groundwater recharge, aquifer medium, soil medium, topographic gradient, impact of vadose zone, hydraulic conductivity and land use. .
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