KR102614520B1 - Method and Device for Predicting Time-Concentration Curves using Its Reach-Length Dependence - Google Patents

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김병욱
권시윤
노효섭
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서울대학교 산학협력단
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 의하면, 하천에서의 물질혼합거동을 예측하기 위한 방법으로서, (a) 자연하천으로부터 취득된 추적자의 원시 시간-농도 곡선이 전처리모듈(12)에 의해 전처리되는 단계; (b) 전처리된 시간-농도 곡선으로부터 복수의 농도곡선특징이 농도곡선특징 추출모듈(13)에 의해 추출되는 단계; (c) 상기 복수의 농도곡선특징과 기 확인된 복수의 하천특성 사이의 상관계수가 상관계수 연산모듈(14)에 의해 연산되는 단계; (d) 상기 복수의 하천특성 중 상관계수가 가장 높은 하천특성을 유의특징이라 하고, 회귀모형 구축모듈(15)에 의해 상기 유의특징과 상기 복수의 농도곡 선특징 중 적어도 일부에 대한 각각의 최적함수가 결정됨으로써 회귀모형이 구축되는 단계; 및 (e) 회귀모형 검증모듈(16)이, 상기 회귀모형에 의해 예측된 시간-농도 곡선을, 하나 이상의 비교예측모델에 의해 예측된 시간-농도 곡선 및 상기 전처리된 시간-농도 곡선과 비교함으로써 상기 회귀모형이 검증되는 단계를 포함하는, 물질혼합 예측 방법을 제공한다.According to an embodiment of the present disclosure, there is provided a method for predicting material mixing behavior in a river, comprising: (a) preprocessing the raw time-concentration curve of a tracer obtained from a natural river by the preprocessing module 12; (b) extracting a plurality of concentration curve features from the preprocessed time-concentration curve by the concentration curve feature extraction module 13; (c) calculating a correlation coefficient between the plurality of concentration curve characteristics and a plurality of previously confirmed river characteristics by the correlation coefficient calculation module 14; (d) Among the plurality of river characteristics, the river characteristic with the highest correlation coefficient is called a significant feature, and the regression model construction module 15 determines the optimal characteristics for at least some of the significant feature and the plurality of concentration curve features. A step in which a regression model is constructed by determining a function; and (e) the regression model verification module 16 compares the time-concentration curve predicted by the regression model with the time-concentration curve predicted by one or more comparative prediction models and the preprocessed time-concentration curve. A method for predicting material mixture is provided, including the step of verifying the regression model.

Description

유하거리-농도곡선 상관성 기반 물질혼합 예측 방법 및 장치{Method and Device for Predicting Time-Concentration Curves using Its Reach-Length Dependence}Method and device for predicting material mixing based on flow distance-concentration curve correlation {Method and Device for Predicting Time-Concentration Curves using Its Reach-Length Dependence}

본 개시는 물질혼합 예측 방법 및 장치에 관한 것으로, 구체적으로는, 흐름특성에 관한 정보가 주어지지 않은 하천 구간에서의 물질의 유하거리에 따른 농도곡선의 통계적 특징 변화를 회귀분석을 통해 예측하는 방법과 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method and device for predicting material mixing, and specifically, a method of predicting changes in the statistical characteristics of the concentration curve according to the flowing distance of a material in a river section where information on flow characteristics is not given, through regression analysis. and devices.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section simply provides background information for the present disclosure and does not constitute prior art.

최근 산업화가 가속화되고 화학 원료 사용량이 증가함에 따라, 하천으로의 유해화학물질 유입 사고의 잠재적 위험이 증가하고 있다. 이러한 사고는 수생태계와 하천 환경에 심각한 손상을 입히며, 특히 이수 및 용수 공급의 대부분을 하천과 저수지에 의존하는 국내의 치수시스템에서 이러한 사고는 치명적일 수 있다. 한편, 유해화학물질 유출 사고의 대부분은 사람의 부주의로 인해 발생하는 경우가 많아 언제 어디서 발생할지 예측하기 어렵다. 이에, 피해를 최소화하기 위한 최선의 방법은 신속한 대응 조치를 제공하는 것이다. 이를 위해, 하천을 유하하며 확산하는 유해화학물질의 거동을 예측하고 하류의 취수장과 같은 유의 지점에 유해화학물질 도달 시간 혹은 첨두농도 등의 정보를 제공해줄 수 있는 예측 기술이 필요하다.As industrialization has recently accelerated and the use of chemical raw materials has increased, the potential risk of accidents involving the inflow of hazardous chemicals into rivers is increasing. These accidents cause serious damage to the aquatic ecosystem and river environment, and can be fatal, especially in the country's flood control system, which relies on rivers and reservoirs for most of its irrigation and water supply. Meanwhile, most hazardous chemical spill accidents occur due to human negligence, making it difficult to predict when and where they will occur. Therefore, the best way to minimize damage is to provide rapid response measures. To this end, a prediction technology is needed that can predict the behavior of hazardous chemicals spreading down rivers and provide information such as arrival time or peak concentration of hazardous chemicals at important points such as downstream water intake sites.

관련하여, 1차원 추적모형(1D Solute Transport Model, 이하, "1D STM")이 예측시스템으로 제안된다. 1D STM은 신속한 예측 및 낮은 계산 비용이라는 측면에서 장점이 있다. 특히, 1D STM 중 1D ADE(Advection-Dispersion Equation)은 가장 기본적인 모형이며, 평균 유속과 종분산계수를 매개변수로 하여 Fickian 확산 이론 기반으로 농도곡선을 예측한다. 한편, 상기의 방식은 하천 형상에 변동성이 작은 비교적 단조로운 하천에만 적용 가능하다는 문제점이 있다.In relation to this, a 1D Solute Transport Model (hereinafter referred to as “1D STM”) is proposed as a prediction system. 1D STM has advantages in terms of fast prediction and low computational cost. In particular, among 1D STMs, 1D ADE (Advection-Dispersion Equation) is the most basic model, and predicts the concentration curve based on Fickian diffusion theory with average flow rate and species dispersion coefficient as parameters. On the other hand, the above method has a problem in that it can only be applied to relatively monotonous rivers with little variability in river shape.

이에, 불규칙한 지형과 유량 조건을 갖는 하천에 대한 예측 정확도를 높이기 위해 하천의 저장대 영역의 영향을 고려한 저장대 모형(Storage Zone Model)이 제시되었다. 여기서, 하천에서 저장대 영역이란, 여울 및 웅덩이, 식생, 수공 구조물 인근과 같이 흐름이 매우 느리거나 정체되어 있어 고농도의 오염운의 일부를 일시적으로 가두고 일정 체류시간 이후 흐름영역으로 다시 내보내어 오염운과 농도곡선이 긴 꼬리를 갖는 형태로 왜곡시키는 하천의 구조적 형태를 의미한다. Accordingly, in order to increase prediction accuracy for rivers with irregular topography and flow conditions, a storage zone model that takes into account the influence of the river's storage zone was proposed. Here, the storage zone in a river refers to areas where the flow is very slow or stagnant, such as riffles, puddles, vegetation, or near hydraulic structures. Part of the highly concentrated polluted cloud is temporarily trapped and released back into the flow area after a certain residence time, causing contamination. It refers to the structural form of a river that distorts the cloud and concentration curve into a form with a long tail.

한편, 저장대 모형을 고려한 1D STM은 3차원의 복잡한 하천 특성을 단순화하여 몇 개의 매개변수로 하천의 확산 거동을 모델화하는데, 이때, 정확한 매개변수를 결정하는 데에 어려움이 있다. Meanwhile, 1D STM considering the reservoir model simplifies the complex three-dimensional river characteristics and models the river spreading behavior with a few parameters, but at this time, it is difficult to determine the exact parameters.

구체적으로, 매개변수 결정시, 하천 유속과 같은 흐름 특성으로부터 경험적으로 예측하거나, 대상 구간에서 추적자 실험을 실시하고 추척자의 농도곡선으로 대상 구간에 적합한 매개변수를 보정한다. 다만, 실제 유해화학물질 유입사고의 경우 그 시기와 위치를 미리 알 수 없기 때문에, 하천 흐름을 사전에 조사하거나 추적자 실험을 사전에 수행하여 최적의 매개변수를 확보하는 일은 실제로 불가능에 가깝다는 문제점이 있다.Specifically, when determining parameters, they are empirically predicted from flow characteristics such as river flow speed, or a tracer experiment is conducted in the target section and parameters appropriate for the target section are corrected using the tracer concentration curve. However, in the case of an actual hazardous chemical inflow accident, the time and location cannot be known in advance, so it is virtually impossible to secure optimal parameters by investigating river flow in advance or conducting tracer experiments in advance. there is.

(비특허문헌) 김은정, 박창민, 나미정, 박현, 김복순, "3차원 수리모델을 이용한 한강 상수원구간 지류영향 분석 및 수질오염사고 시나리오 모의", 「한국물환경학회지」34, no. 4(2018): 363-374(Non-patent literature) Eun-Jeong Kim, Chang-Min Park, Mi-Jeong Na, Hyun Park, and Bok-Sun Kim, "Analysis of tributary effects and simulation of water pollution accident scenarios in the Han River water source section using a 3D hydraulic model," 「Journal of the Korean Society for Water Environment」 34, no. 4(2018): 363-374

(특허문헌 1) KR 10-2010-0103117 A(Patent Document 1) KR 10-2010-0103117 A

(특허문헌 2) KR 10-2387450 B1 B1(Patent Document 2) KR 10-2387450 B1 B1

(특허문헌 3) KR 10-2009-0059451 A(Patent Document 3) KR 10-2009-0059451 A

(특허문헌 4) KR 10-2004-0104008 A (Patent Document 4) KR 10-2004-0104008 A

이에, 본 개시는 하천의 물질 거동을 높은 정확도로 예측가능한 물질혼합 예측 방법 및 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.Accordingly, the purpose of the present disclosure is to provide a material mixing prediction method and system that can predict material behavior in rivers with high accuracy.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 개시의 일 실시예에 의하면, 하천에서의 물질혼합거동을 예측하기 위한 방법으로서, (a) 자연하천으로부터 취득된 추적자의 원시 시간-농도 곡선이 전처리모듈(12)에 의해 전처리되는 단계; (b) 전처리된 시간-농도 곡선으로부터 복수의 농도곡선특징이 농도곡선특징 추출모듈(13)에 의해 추출되는 단계; (c) 상기 복수의 농도곡선특징과 기 확인된 복수의 하천특성 사이의 상관계수가 상관계수 연산모듈(14)에 의해 연산되는 단계; (d) 상기 복수의 하천특성 중 상관계수가 가장 높은 하천특성을 유의특징이라 하고, 회귀모형 구축모듈(15)에 의해 상기 유의특징과 상기 복수의 농도곡 선특징 중 적어도 일부에 대한 각각의 최적함수가 결정됨으로써 회귀모형이 구축되는 단계; 및 (e) 회귀모형 검증모듈(16)이, 상기 회귀모형에 의해 예측된 시간-농도 곡선을, 하나 이상의 비교예측모델에 의해 예측된 시간-농도 곡선 및 상기 전처리된 시간-농도 곡선과 비교함으로써 상기 회귀모형이 검증되는 단계를 포함하는, 물질혼합 예측 방법을 제공한다.According to an embodiment of the present disclosure, there is provided a method for predicting material mixing behavior in a river, comprising: (a) preprocessing the raw time-concentration curve of a tracer obtained from a natural river by the preprocessing module 12; (b) extracting a plurality of concentration curve features from the preprocessed time-concentration curve by the concentration curve feature extraction module 13; (c) calculating a correlation coefficient between the plurality of concentration curve characteristics and a plurality of previously confirmed river characteristics by the correlation coefficient calculation module 14; (d) Among the plurality of river characteristics, the river characteristic with the highest correlation coefficient is called a significant feature, and the regression model construction module 15 determines the optimal characteristics for at least some of the significant feature and the plurality of concentration curve features. A step in which a regression model is constructed by determining a function; and (e) the regression model verification module 16 compares the time-concentration curve predicted by the regression model with the time-concentration curve predicted by one or more comparative prediction models and the preprocessed time-concentration curve. A method for predicting material mixture is provided, including the step of verifying the regression model.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 원시 시간-농도 곡선의 감소구간 중 시간에 대한 농도가 멱함수 관계가 종료되는 지점에서의 농도를 기저농도라 하고, 상기 시간-농도 곡선에서 상기 기저농도가 제거되는 단계; (a2) 상기 (a1) 단계에서 기저농도가 제거된 시간-농도 곡선에, 상기 추적자의 초기 주입질량(w0)에 대한 측정된 추적자의 질량(wm)의 비가 곱해짐으로써 질량이 보정되는 단계; (a3) 상기 (a2) 단계에서 보정된 시간-농도 곡선이 푸리에 변환(fourier transformation)되며, 변환된 곡선에 로우패스 필터(low pass filter)가 적용되고, 필터링된 곡선이 역푸리에 변환(inverse fourier transformation)됨으로써 전처리된 시간-농도 곡선이 구해지는 단계를 포함한다.In addition, preferably, step (a) of the present disclosure includes (a1) the concentration at the point where the power-law relationship between concentration and time in the decreasing section of the raw time-concentration curve ends is referred to as the basal concentration, removing the basal concentration from the time-concentration curve; (a2) The mass is corrected by multiplying the time-concentration curve from which the basal concentration has been removed in step (a1) by the ratio of the measured mass (w m ) of the tracer to the initial injection mass (w 0 ) of the tracer. step; (a3) The time-concentration curve corrected in step (a2) is subjected to Fourier transformation, a low pass filter is applied to the transformed curve, and the filtered curve is subjected to inverse Fourier transformation. transformation), thereby obtaining a preprocessed time-concentration curve.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (b) 단계의 농도곡선특징은, 추적자의 최초 도달시간(Tf), 첨두농도 도달시간(Tp), 중위 도달시간(Tmed), 표준편차(σ), 첨두농도의 75% 이상의 농도 유지 시간(T75), 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50), 첨두농도의 10% 이상의 농도 유지 시간(T10), 왜곡도(SKNS), 첨도(KURT), 첨두농도(Cmax), 평균농도(Cmean), 곡선 상승부의 경사(Sr), 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점까지의 평균 기울기(Sf) 및 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점 이후의 평균 기울기(St)를 포함한다.In addition, preferably, the concentration curve characteristics of step (b) of the present disclosure include the initial arrival time of the tracer (T f ), peak concentration arrival time (T p ), median arrival time (T med ), and standard deviation ( σ), concentration maintenance time over 75% of the peak concentration (T 75 ), concentration maintenance time over 50% of the peak concentration (T 50 ), concentration maintenance time over 10% of the peak concentration (T 10 ), skewness (SKNS) , kurtosis (KURT), peak concentration (C max ), average concentration (C mean ), slope of the rising part of the curve (S r ), and average slope of the descending part of the curve to the point where it reaches 10% of the peak concentration (C max ). (S f ) and the average slope (S t ) after the point where it reaches 10% of the peak concentration (C max ) in the descending part of the curve.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (c) 단계의 기 확인된 복수의 하천특성은, 유하거리(L), 평균유속(U), 평균단면적(A), 평균하폭(W) 및 평균수심(H)을 포함한다.In addition, preferably, the plurality of river characteristics already confirmed in step (c) of the present disclosure include flow distance (L), average flow velocity (U), average cross-sectional area (A), average river width (W), and average water depth. Includes (H).

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 (d) 단계의 유의특징이 유하거리(L)인 것으로 확인된 경우, 상기 복수의 농도곡선 특징 중 첨두농도(Cmax), 첨두농도 도달시간(Tp), 최초 도달시간(Tf) 및 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50) 사이의 매개변수(θcp, θtp, θtf, θw)가 구해짐으로써 최적함수가 결정된다.In addition, preferably, when it is confirmed that the significant feature of step (d) of the present disclosure is the flow distance (L), among the plurality of concentration curve features, peak concentration (C max ) and peak concentration arrival time (T p ), the optimal function is determined by obtaining the parameters (θ cp , θ tp , θ tf , θ w ) between the initial arrival time (T f ) and the concentration maintenance time (T 50 ) above 50% of the peak concentration.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 매개변수(θcp, θtp, θtf, θw)는 기 결정된 수학식들을 이용하여 구해진다.Also, preferably, the parameters (θ cp , θ tp , θ tf , θ w ) of the present disclosure are obtained using predetermined equations.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 하나 이상의 비교예측모델은, ADE(Advection-Dispersion Equation) 및 TSM(Transient Storage Model)이다.Also, preferably, the one or more comparative prediction models of the present disclosure are Advection-Dispersion Equation (ADE) and Transient Storage Model (TSM).

또한, 본 개시의 일 실시예에 의하면, 자연하천에서의 추적자 실험결과가 입력되는 실험결과 입력모듈(10); 자연하천으로부터 확인되는 복수의 하천특성이 입력되는 하천특성 입력모듈(11); 상기 추적자 실험결과를 전처리하여, 전처리된 시간-농도 곡선을 연산한도록 구성된 전처리모듈(12); 상기 전처리된 시간-농도 곡선으로부터 도출된 복수의 농도곡선특징을 추출하도록 구성된 농도곡선특징 추출모듈(13); 상기 복수의 농도곡선특징과 상기 복수의 하천특성 각각의 상관계수를 연산하도록 구성된 상관계수 연산모듈(14); 상기 복수의 농도곡선특징 중 적어도 일부와, 상기 복수의 하천특성 중 하나의 하천특성 사이의 최적함수를 결정하여 회귀모형을 구축하도록 구성된 회귀모형 구축모듈(15); 상기 회귀모형에 의해 예측된 예측값을, 하나 이상의 비교예측모델에 의해 예측된 예측값 및 기 취득된 실측값과 비교함으로써, 상기 회귀모형을 검증하도록 구성된 회귀모형 검증모듈(16)을 포함하는, 물질혼합 예측 장치를 제공한다.In addition, according to an embodiment of the present disclosure, an experiment result input module 10 in which tracer experiment results in a natural river are input; A river characteristic input module 11 in which a plurality of river characteristics confirmed from natural rivers are input; a preprocessing module 12 configured to preprocess the tracer experiment results and calculate a preprocessed time-concentration curve; a concentration curve feature extraction module 13 configured to extract a plurality of concentration curve features derived from the preprocessed time-concentration curve; a correlation coefficient calculation module 14 configured to calculate correlation coefficients between the plurality of concentration curve characteristics and the plurality of river characteristics; a regression model building module (15) configured to construct a regression model by determining an optimal function between at least some of the plurality of concentration curve characteristics and one river characteristic among the plurality of river characteristics; A material mixture comprising a regression model verification module 16 configured to verify the regression model by comparing the predicted value predicted by the regression model with the predicted value predicted by one or more comparative prediction models and previously acquired actual values. Provides a prediction device.

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 복수의 하천특성은, 유하거리(L), 평균유속(U), 평균단면적(A), 평균하폭(W) 및 평균수심(H)을 포함한다. Also, preferably, the plurality of river characteristics of the present disclosure include flowing distance (L), average flow velocity (U), average cross-sectional area (A), average river width (W), and average water depth (H).

또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 복수의 농도곡선특징은, 추적자의 최초 도달시간(Tf), 첨두농도 도달시간(Tp), 중위 도달시간(Tmed), 표준편차(σ), 첨두농도의 75% 이상의 농도 유지 시간(T75), 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50), 첨두농도의 10% 이상의 농도 유지 시간(T10), 왜곡도(SKNS), 첨도(KURT), 첨두농도(Cmax), 평균농도(Cmean), 곡선 상승부의 경사(Sr), 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점까지의 평균 기울기(Sf) 및 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점 이후의 평균 기울기(St)를 포함한다. In addition, preferably, the plurality of concentration curve characteristics of the present disclosure include the tracer's initial arrival time (T f ), peak concentration arrival time (T p ), median arrival time (T med ), standard deviation (σ), Concentration maintenance time over 75% of the peak concentration (T 75 ), concentration maintenance time over 50% of the peak concentration (T 50 ), concentration maintenance time over 10% of the peak concentration (T 10 ), skewness (SKNS), kurtosis ( KURT), peak concentration (C max ), average concentration (C mean ), slope of the rising part of the curve (S r ), and average slope of the descending part of the curve to the point where it reaches 10% of the peak concentration (C max ) (S f ) and the average slope (S t ) after the point where the curve descends to 10% of the peak concentration (C max ).

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 이미 알고 있는 지점에서의 하천 특성을 이용하면, 미지의 구간에서의 물질의 거동을 높은 정확도로 예측 가능하다는 효과가 있다.As described above, according to this embodiment, the behavior of materials in an unknown section can be predicted with high accuracy by using river characteristics at already known points.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치의 블록도이다.
도 2 내지 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치를 이용한 물질혼합 예측방법의 순서도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 실험결과 입력모듈 및 하천특성 입력모듈에 입력되는 정보를 얻기 위해 실시한 추적자 실험을 설명하기 위한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 전처리모듈의 전처리 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 농도곡선특징을 설명하기 위한 것이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치를 통해 구해진 하천특성과 농도곡선특징 사이의 상관계수를 나타낸 것이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치를 통해 구해진 유의특징과 하천특성 사이의 상관성을 나타낸 것이다.
도 11 내지 도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치가 회귀모형을 검증한 결과를 나타낸 것이다.
1 is a block diagram of a material mixing prediction device according to an embodiment of the present disclosure.
2 to 4 are flowcharts of a method for predicting material mixing using a material mixing prediction device according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 5 is for explaining a tracer experiment conducted to obtain information input to the experiment result input module and river characteristics input module according to an embodiment of the present disclosure.
Figures 6 and 7 are for explaining a pre-processing method of a pre-processing module according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 8 is for explaining concentration curve characteristics according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 9 shows the correlation coefficient between river characteristics and concentration curve characteristics obtained through a material mixing prediction device according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 10 shows the correlation between significant features and river characteristics obtained through a material mixing prediction device according to an embodiment of the present disclosure.
Figures 11 to 13 show the results of verifying a regression model by the material mixture prediction device according to an embodiment of the present disclosure.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present disclosure will be described in detail through illustrative drawings. When adding reference signs to components in each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present disclosure, the detailed description will be omitted.

본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In describing the components of the embodiment according to the present disclosure, symbols such as first, second, i), ii), a), and b) may be used. These codes are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the code. In the specification, when a part is said to 'include' or 'have' a certain element, this means that it does not exclude other elements, but may further include other elements, unless explicitly stated to the contrary. .

본 개시에서, "모듈"은 특정 기능을 수행하기 위한 하드웨어 또는 소프트웨어를 의미하며, 각 모듈은 하나의 휘발성/비휘발성 메모리 또는 별개의 휘발성/비휘발성 메모리에 구비될 수 있으며, 이는 적절히 설계변경 가능함에 유의한다. In the present disclosure, “module” refers to hardware or software for performing a specific function, and each module may be provided in one volatile/non-volatile memory or separate volatile/non-volatile memory, which can be appropriately designed. Pay attention to

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치의 블록도이다.1 is a block diagram of a material mixture prediction device according to an embodiment of the present disclosure.

도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치(1)는 실험결과 입력모듈(10), 하천특성 입력모듈(11), 전처리모듈(12), 농도곡선특징 추출모듈(13), 상관계수 연산모듈(14), 회귀모형 구축모듈(15) 및 회귀모형 검증모듈(16)의 전부 또는 일부를 포함한다. Referring to FIG. 1, the material mixing prediction device 1 according to an embodiment of the present disclosure includes an experiment result input module 10, a river characteristics input module 11, a preprocessing module 12, and a concentration curve feature extraction module ( 13), it includes all or part of the correlation coefficient calculation module (14), regression model construction module (15), and regression model verification module (16).

도 2 내지 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치를 이용한 물질혼합 예측방법의 순서도이다.2 to 4 are flowcharts of a method for predicting material mixing using a material mixing prediction device according to an embodiment of the present disclosure.

도 1, 도 2 및 도 4를 참고하면, 본 개시에 따른 물질혼합 예측 방법은, 실험결과 입력모듈(10)에 의해 입력된 실험결과(Raw Tracer BTCs) 및 하천특성 입력모듈(11)에 의해 입력된 하천특성(Channel and Flow Properties)을 바탕으로 전처리모듈(12)이 시간-농도 곡선을 전처리(Preprocessing)하는 단계를 포함한다(S200). 한편, 전처리와 관련된 상세한 내용은 목차 2. 에서 상세히 기술한다. Referring to FIGS. 1, 2, and 4, the material mixing prediction method according to the present disclosure is based on the experimental results (Raw Tracer BTCs) input by the experimental result input module 10 and the river characteristics input module 11. The preprocessing module 12 includes a step of preprocessing the time-concentration curve based on the input channel and flow properties (S200). Meanwhile, detailed information related to preprocessing is described in detail in Table of Contents 2.

농도곡선특징 추출모듈(13)이 전처리된 시간-농도 곡선(Refined BTCs)으로부터 복수의 농도곡선특징(BTC features)을 추출한다(S210).The concentration curve feature extraction module 13 extracts a plurality of concentration curve features (BTC features) from the preprocessed time-concentration curve (Refined BTCs) (S210).

상관계수 연산모듈(14)은, 복수의 농도곡선특징과 복수의 하천특성의 각각의 상관성을 분석(Correlation Analysis)한다(S220). The correlation coefficient calculation module 14 analyzes the correlation between a plurality of concentration curve characteristics and a plurality of river characteristics (S220).

회귀모형 구축모듈(15)은, 유의특징(Significant Feature)을 추출하고, 이를 이용하여 회귀모형(Regression Equations)을 구축한다(S230).The regression model building module 15 extracts significant features and uses them to build regression models (S230).

회귀모형 검증모듈(16)은, 회귀모형에 의해 예측된 결과를 비교예측모델(예를 들어, ADE and TSM)에 의해 예측된 결과 및 S200 단계의 전처리된 시간-농도 곡선과 비교함으로써 회귀모형을 검증한다(S240).The regression model verification module 16 compares the results predicted by the regression model with the results predicted by the comparative prediction model (e.g., ADE and TSM) and the preprocessed time-concentration curve in the S200 step to determine the regression model. Verify (S240).

이하에서는, 본 개시의 도 2 내지 도 13을 참고하여, 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치(1)와 이를 이용한 방법을 단계별로 설명한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 2 to 13 of the present disclosure, the material mixing prediction device 1 and a method of using the same according to an embodiment of the present disclosure will be described step by step.

1. 물질혼합 예측 방법의 준비단계1. Preparation steps for material mixing prediction method

1.1 추적자 실험을 통한 원시데이터(raw data) 취득 단계1.1 Raw data acquisition stage through tracer experiment

본 개시에서 설명하는 추적자 실험이란, 실측구간에 형광물질을 도포하고, 광학센서를 이용하여 형광물질의 농도를 측정하는 방법으로 진행되는 실험이다. The tracer experiment described in this disclosure is an experiment conducted by applying a fluorescent material to an actual measurement section and measuring the concentration of the fluorescent material using an optical sensor.

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 실험결과 입력모듈 및 하천특성 입력모듈에 입력되는 정보를 얻기 위해 실시한 추적자 실험을 설명하기 위한 것이다.Figure 5 is for explaining a tracer experiment conducted to obtain information input to the experiment result input module and river characteristics input module according to an embodiment of the present disclosure.

도 5의 (a)는 국내에 위치한 청미천에서의 추적자 실험 위치 및 방법을 도시한 것이며, 도 5의 (b)는 국내에 위치한 감천에서의 추적자 실험 위치 및 방법을 도시한 것이다. 한편, 본 개시에 따른 물질혼합 예측 방법의 준비단계를 위한 실험은, 반드시 상기한 하천(stream)에서 수행되어야 할 필요는 없으며, 어느 하천에서 수행되더라도 무방하다. 이하에서는, 청미천 및 감천에서 수행된 실험을 통해 구해진 데이터를 기반으로 본 개시의 실시예를 설명함에 유의한다. Figure 5(a) shows the location and method of the tracer experiment in Cheongmi Stream located in Korea, and Figure 5(b) shows the location and method of the tracer experiment in Gamcheon located in Korea. Meanwhile, the experiment for the preparation stage of the material mixing prediction method according to the present disclosure does not necessarily have to be performed in the above-mentioned stream, and may be performed in any stream. Note that in the following, embodiments of the present disclosure will be described based on data obtained through experiments conducted in Cheongmicheon and Gamcheon.

추적자 실험을 통해 각 지점(A-IP, A-S1, A-S2, A-S3, A-S4, B-IP, B-S1, B-S2,B-S3, B-S4, B-S5, C,D,-IP, C-S1, C-S2, C-S3, C-S4, D-S1, D-S2, D-S3, D-S4)에 구비된 광학센서는, 센싱되는 형광물질의 농도를 시간에 따라 측정하도록 구성되며, 각 지점에서의 시간에 대한 농도 정보가 데이터세트(dataset)로 실험결과 입력모듈(10)에 입력된다. 이러한 데이터세트를 이용하여 원시 시간-농도 곡선이 구해질 수 있다. Through tracer experiments, each point (A-IP, A-S1, A-S2, A-S3, A-S4, B-IP, B-S1, B-S2,B-S3, B-S4, B-S5 , C,D,-IP, C-S1, C-S2, C-S3, C-S4, D-S1, D-S2, D-S3, D-S4), the detected fluorescence It is configured to measure the concentration of a substance over time, and the concentration information over time at each point is input to the experiment result input module 10 as a dataset. Using these datasets, raw time-concentration curves can be obtained.

1.2 하천특성 취득 단계1.2 River characteristics acquisition stage

본 개시에서 설명하는 하천특성이란, 하천 구간 내의 흐름을 대표하는 변수를 의미하며, 대표적으로 유하거리(L), 평균유속(U), 평균단면적(A), 평균하폭(W) 및 평균수심(H)의 전부 또는 일부를 포함한다. The river characteristics described in this disclosure refer to variables representing the flow within a river section, and are representative of flow distance (L), average flow velocity (U), average cross-sectional area (A), average river width (W), and average water depth ( Includes all or part of H).

각 지점에서의 하천특성이 실측되어 하천특성 입력모듈(11)에 입력된다. River characteristics at each point are actually measured and input into the river characteristic input module (11).

2. 시간-농도 곡선의 전처리단계2. Preprocessing step of time-concentration curve

추적자 실험은 하천 흐름을 간접적으로 파악하기 위한 방법으로 널리 사용되고 있다. 한편 추적자 실험에 따른 원시데이터에는 다양한 노이즈가 수반되는바, 이하에서는 이러한 노이즈를 제거하기 위한 방법을 설명한다.Tracer experiments are widely used as a method to indirectly determine river flow. Meanwhile, the raw data from the tracer experiment is accompanied by various noises, and a method for removing such noise will be described below.

2.1. 기저농도 제거단계2.1. Basal concentration removal step

도 3을 참조하면, 전처리단계는 원시 시간-농도 곡선에서 기저농도가 제거되는 단계를 포함한다(S300).Referring to FIG. 3, the preprocessing step includes removing the basal concentration from the raw time-concentration curve (S300).

추적자 실험 시, 광학 센서를 이용하여 형광물질의 농도를 감지한다. 한편, 일반적인 하천의 경우 기본적으로 수중에 존재하는 부유물로 인해, 실제 형광물질의 농도보다 더 높게 측정되는 경향이 있다. 이렇게 수중에 존재하는 부유물로 인해 증가되는 농도를 기저농도라고 지칭한다.During tracer experiments, the concentration of fluorescent substances is detected using an optical sensor. Meanwhile, in the case of general rivers, the concentration of fluorescent substances tends to be measured higher than the actual concentration due to suspended matter present in the water. The concentration that increases due to suspended matter present in water is called basal concentration.

물질의 저장대 영향을 받은 물질의 체류시간 분포가 멱함수(power function)를 따르는 것이 경험식에 의해 밝혀진 바 있다. 이러한 원리를 이용하면, 원시 시간-농도 곡선의 감소부에서 시간에 대한 농도의 값이 더 이상 멱함수를 따르지 않는 구간에서의 농도가 기저농도임을 알 수 있다. It has been revealed by empirical formulas that the distribution of residence time of substances affected by the storage zone of substances follows a power function. Using this principle, it can be seen that the basal concentration is the concentration in the section where the value of concentration versus time no longer follows the power function in the decreasing part of the original time-concentration curve.

즉, 원시 시간-농도 곡선의 농도 감소구간 중 시간에 대한 농도가 멱함수 관계가 종료되기 시작하는 지점에서의 농도를 기저농도라 하고, 원시 시간-농도 곡선에서 기저농도만큼 농도를 뺀다. 이로 인해, 원시 시간-농도 곡선은 전체적으로 농도 축에 대해 아래로 이동할 것이다. In other words, the concentration at the point where the power law relationship of concentration with respect to time begins to end during the concentration reduction section of the raw time-concentration curve is called the basal concentration, and the concentration equal to the basal concentration is subtracted from the raw time-concentration curve. This will cause the raw time-concentration curve to shift overall down with respect to the concentration axis.

2.2. 질량 보정단계2.2. Mass correction step

도 3을 참조하면, 전처리단계는 기저농도가 제거된 시간-농도 곡선의 질량을 보정하는 단계를 포함한다(S310).Referring to FIG. 3, the preprocessing step includes correcting the mass of the time-concentration curve from which the basal concentration has been removed (S310).

도 5에 표시된 각 지점에는 하나 이상의 광학 센서가 배치된다. 예를 들어, A-S1지점에서 하천 흐름 방향과 수직한 단면을 따라 일렬로 복수개의 광학 센서가 배치된다. 실험에서 취득되는 형광물질의 농도는 일렬로 배치된 복수개의 광학 센서에 의해 측정된 농도가 모두 합산된 값이다. 따라서, 실험에서 취득되는 농도 값은 실제 추적자 농도보다 작게 측정될 것이다. 이를 보정하기 위하여 하류 지점(도 5의 A-S4, B-S5, C-S4, D-S4)에서 측정되는 추적자의 질량(wm)을 측정하고, 초기 주입질량(w0)과 비교하여 기저농도가 제거된 시간-농도 곡선을 보정한다. 예컨대, 초기 주입질량(w0)에 대한 측정된 추적자의 질량(wm)의 비를 기저농도가 제거된 시간-농도 곡선의 농도 축에 곱하는 방법 등이 있을 수 있다.One or more optical sensors are disposed at each point shown in Figure 5. For example, at points A-S1, a plurality of optical sensors are arranged in a row along a cross section perpendicular to the direction of river flow. The concentration of the fluorescent substance acquired in the experiment is the sum of all the concentrations measured by a plurality of optical sensors arranged in a row. Therefore, the concentration value obtained in the experiment will be measured to be smaller than the actual tracer concentration. To correct this, the mass (w m ) of the tracer measured at the downstream point (A-S4, B-S5, C-S4, D-S4 in Figure 5) is measured and compared with the initial injection mass (w 0 ). Correct the time-concentration curve with the basal concentration removed. For example, there may be a method of multiplying the ratio of the measured mass of the tracer (w m ) to the initial injection mass (w 0 ) by the concentration axis of the time-concentration curve from which the basal concentration has been removed.

한편, 본 개시의 물질혼합 예측 방법에 따른 질량 보정은 주입한 추적자가 보존성 물질이라는 가정 하에 주입된 추적자의 질량이 모두 하류에서 검출된다는 가정을 바탕으로 한다. Meanwhile, mass correction according to the material mixture prediction method of the present disclosure is based on the assumption that the injected tracer is a conservative material and that the mass of the injected tracer is all detected downstream.

2.3. 노이즈 제거단계2.3. Noise removal stage

도 3을 참고하면, 전처리단계는 질량이 보정된 시간 농도 곡선에 필터를 적용하여 노이즈를 제거하는 단계를 포함한다(S320). 한편, 노이즈 제거는 주파수 도메인(frequency domain)에서 수행되어야 하는바, S310 단계에서 보정된 시간-농도 곡선이 푸리에 변환되고, 푸리에 변환(fourier transformation)된 곡선에 로우패스필터(Low pass filter)가 적용된 후, 다시 역푸리에 변환(inverse fourier transformation)됨으로써, 최종적으로 전처리가 완료된 시간-농도 곡선이 구해질 것이다.Referring to FIG. 3, the preprocessing step includes removing noise by applying a filter to the mass-corrected time-concentration curve (S320). Meanwhile, noise removal must be performed in the frequency domain. In step S310, the corrected time-concentration curve is Fourier transformed, and a low pass filter is applied to the Fourier transformed curve. Then, by inverse Fourier transformation again, the time-concentration curve with the preprocessing completed will be finally obtained.

이때, 로우패스필터로는 이상 필터(ideal filter), 가우시안 필터(Gaussian filter) 또는 버터워스 필터(Butterworth filter)가 사용될 수 있는데, 본 개시에서는 [수학식 1]에 따른 응답함수(H)를 갖는 버터워스 필터가 적용되는 것이 바람직하다.At this time, an ideal filter, a Gaussian filter, or a Butterworth filter may be used as the low-pass filter. In the present disclosure, a response function (H) according to [Equation 1] is used. It is preferred that a Butterworth filter is applied.

여기서 차단 주파수(wc)와 필터링 차수(n)는 설계자에 의해 적절히 설계변경 가능하다. 도 6은 차수(n)의 크기에 따른 버터워스 필터의 응답을 도시한 것이다. 구체적으로는, 이상 필터와 가우시안 필터의 응답함수와 버터워스 필터의 응답을 비교한 그래프이다. 통과 밴드와 차단 밴드사이의 이행 구간의 경사는 필터의 차수 n값을 통하여 조절될 수 있어, 불필요한 고주파 성분을 보존하고자 하는 저주파 성분으로부터 분리된다는 장점이 있다.Here, the cutoff frequency (w c ) and filtering order (n) can be appropriately changed by the designer. Figure 6 shows the response of the Butterworth filter according to the size of the order (n). Specifically, this is a graph comparing the response functions of the ideal filter and Gaussian filter and the response of the Butterworth filter. The slope of the transition section between the pass band and the cutoff band can be adjusted through the order n value of the filter, which has the advantage of separating unnecessary high frequency components from low frequency components that are to be preserved.

도 7은 가우시안 필터와 버터워스 필터의 노이즈 제거 성능을 비교한 그래프를 나타낸 것이다. 구체적으로는, 각 지점의 원시 시간-농도 곡선(각 그래프의 회색 표시)의 왜곡을 0.1 %로 제한한 조건에서 가우시안 필터를 적용한 노이즈 처리 결과(각 그래프의 파란색 표시)와 버터워스 필터를 적용한 노이즈 처리 결과(각 그래프의 빨간색 표시)를 나타낸 것이다. 도 7의 각 지점에서의 시간-농도 곡선 결과를 참조하면, 버터워스 필터를 적용한 결과가 가우시안 필터를 적용한 결과가 더 우수함을 알 수 있다. 여기서, 우수함이란, 시간-농도 곡선에서 더 매끈한 경향을 보임을 의미한다.Figure 7 shows a graph comparing the noise removal performance of a Gaussian filter and a Butterworth filter. Specifically, the noise processing results of applying a Gaussian filter (blue markings of each graph) under the condition that the distortion of the raw time-concentration curve at each point (gray markings of each graph) is limited to 0.1%, and the noise of applying the Butterworth filter This shows the processing results (red markings on each graph). Referring to the time-concentration curve results at each point in Figure 7, it can be seen that the results of applying the Butterworth filter are better than the results of applying the Gaussian filter. Here, superior means showing a smoother trend in the time-concentration curve.

3. 농도곡선특징 추출단계3. Concentration curve feature extraction step

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 농도곡선특징을 설명하기 위한 것이다.Figure 8 is for explaining concentration curve characteristics according to an embodiment of the present disclosure.

도 8을 참조하면, 농도곡선특징은 시간-농도 곡선에서 곡선의 모양을 결정지을 수 있는데 필요한 통계적 특징을 의미한다. 농도곡선특징은 크게 시간 관련 특징, 물질의 확산 관련 특징, 곡선 모양 관련 특징, 농도 관련 특징 및 곡선의 경사 관련 특징이 있다. Referring to FIG. 8, concentration curve characteristics refer to statistical characteristics necessary to determine the shape of the curve in the time-concentration curve. Concentration curve features largely include time-related features, material diffusion-related features, curve shape-related features, concentration-related features, and curve slope-related features.

시간 관련 특징은, 오염운의 최초 도달시간(Tf), 첨두농도 도달시간(Tp) 및 중위 도달시간(Tmed)을 포함한다. Time-related features include the initial arrival time of the polluted cloud (T f ), peak concentration arrival time (T p ), and median arrival time (T med ).

물질의 확산 관련 특징은, 표준편차(σ) 및 일정농도(첨두농도의 75%, 50%, 10%) 이상의 유지 시간(T75, T50, T10)을 포함한다. Diffusion-related characteristics of substances include standard deviation (σ) and retention time (T 75 , T 50 , T 10 ) above a certain concentration (75%, 50%, 10% of the peak concentration).

곡선 모양 관련 특징은, 왜곡도(SKNS) 및 첨도(KURT)를 포함한다. 물질이 저장대의 영향을 많이 받을수록 식산-농도 곡선의 꼬리가 길어질 것이며, 이는 왜곡도(SKNS)가 커진다는 의미를 뜻한다. 따라서, 물질의 확산 정도가 커질수록 첨도(KURT)는 낮아질 것이다.Curve shape-related features include skewness (SKNS) and kurtosis (KURT). The more a substance is affected by the storage zone, the longer the tail of the acid-concentration curve will be, which means the greater the skewness (SKNS). Therefore, as the degree of diffusion of a substance increases, the kurtosis (KURT) will decrease.

농도 관련 특징은, 첨두농도(Cmax) 및 평균농도(Cmean)를 포함한다.Concentration-related characteristics include peak concentration (C max ) and average concentration (C mean ).

곡선의 경사 관련 특징은, 곡선 상승부의 경사(Sr),곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점까지의 평균 기울기(Sf) 및 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점 이후의 평균 기울기(St)를 포함한다.The slope-related characteristics of the curve are the slope of the rising part of the curve (S r ), the average slope up to 10% of the peak concentration (C max ) in the descending part of the curve (S f ), and the peak concentration (C Includes the average slope (S t ) after the point where it drops to 10% of max ).

정리하자면 상기한 14가지의 농도곡선특징은, 시간-농도의 개략적인 모양을 결정할 수 있는 통계적 특성에 해당한다. 따라서, 농도곡선특징의 수치들을 결정할 수 있다면, 역으로 개략적인 시간-농도 곡선의 형상을 유추해낼 수 있게 된다. 이를 위해, 농도곡선특징 추출모듈(13)은 전처리된 시간-농도 곡선으로부터 농도곡선특징을 추출하도록 구성된다. In summary, the 14 concentration curve characteristics described above correspond to statistical characteristics that can determine the approximate shape of time-concentration. Therefore, if the numerical values of the concentration curve characteristics can be determined, conversely, the approximate shape of the time-concentration curve can be inferred. To this end, the concentration curve feature extraction module 13 is configured to extract concentration curve features from the preprocessed time-concentration curve.

4. 회귀모형 구축단계4. Regression model construction stage

4.1. 농도곡선특징 및 하천특성 사이의 상관성 분석단계4.1. Correlation analysis step between concentration curve characteristics and river characteristics

그 다음으로, 하천특성과 농도곡선특징 사이의 상관성이 분석된다. 예시적으로, [수학식 2]에 따른 상관계수가 상관계수 연산모듈(14)에 의해 연산됨으로써, 상관성이 결정될 수 있다. 한편, 본 개시에서 하천특성 중 농도곡선특징과의 상관성이 가장 높은 특징을 "유의특징"이라고 지칭한다.Next, the correlation between river characteristics and concentration curve characteristics is analyzed. Illustratively, the correlation may be determined by calculating the correlation coefficient according to [Equation 2] by the correlation coefficient calculation module 14. Meanwhile, in the present disclosure, the characteristic with the highest correlation with the concentration curve characteristic among river characteristics is referred to as a “significant feature.”

상관계수 연산모듈(14)에 의해 연산된 14개의 농도곡선특징에 대한 5개의 하천특성의 상관계수가 도 9에 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 하천특성 중에는 유하거리(L, 도 9에서 빨간색 막대그래프)가 농도곡선특징과 가장 높은 상관성을 보이는 것으로 확인된다. 특히, 유하거리(L)가 다른 하천특성들보다 더 유의미하게 높은 상관성을 보이는 것으로 파악되는바, 유하거리(L)만으로 농도곡선특징을 어느 정도 유추해낼 수 있을 것이다. 즉, 본 개시의 일 실시예에 따른 물질혼합 예측 장치(1)는 유하거리(L)를 유의특징으로 결정한다.The correlation coefficients of 5 river characteristics with respect to 14 concentration curve characteristics calculated by the correlation coefficient calculation module 14 are shown in FIG. 9. Referring to Figure 9, it is confirmed that among river characteristics, flow distance (L, red bar graph in Figure 9) shows the highest correlation with concentration curve characteristics. In particular, it is understood that the flow distance (L) shows a significantly higher correlation than other river characteristics, so it will be possible to infer the concentration curve characteristics to some extent only with the flow distance (L). That is, the material mixing prediction device 1 according to an embodiment of the present disclosure determines the flow distance (L) as a significant feature.

도 10을 참조하면, 농도곡선특징 중 첨두농도(Cmax), 첨두농도 도달시간(Tp), 최초 도달시간(Tf) 및 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50)이 유하거리(L)와 높은 상관계수를 갖는 것으로 확인된다. Referring to Figure 10, among the concentration curve characteristics, the peak concentration (C max ), peak concentration arrival time (T p ), initial arrival time (T f ), and concentration maintenance time above 50% of the peak concentration (T 50 ) are the flow distance. It is confirmed to have a high correlation coefficient with (L).

4.2. 매개변수를 이용한 회귀모형 구축단계4.2. Steps to build a regression model using parameters

회귀모형 구축모듈(15)은, 목차 4.1.에서 확인된 유의특징과 4개의 농도곡선특징을 이용하여 회귀모형을 구축한다. 이를 위해, 유의특징, 즉, 유하거리(L)와 첨두농도(Cmax), 첨두농도 도달시간(Tp), 최초 도달시간(Tf) 및 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50) 사이의 각각의 매개변수(θcp, θtp, θtf, θw)가 결정되어야 한다. The regression model building module 15 builds a regression model using the significant features and four concentration curve features identified in Table of Contents 4.1. For this purpose, significant characteristics, namely, flow distance (L), peak concentration (C max ), peak concentration arrival time (T p ), initial arrival time (T f ), and concentration maintenance time above 50% of the peak concentration (T 50 ), each parameter (θ cp , θ tp , θ tf , θ w ) must be determined.

매개변수를 결정하기 위해, 회귀모형 구축모듈(15)은 [수학식 3] 내지 [수학식 6]의 단일 매개변수를 갖는 분포 함수 중 최적의 함수을 구한다.To determine the parameters, the regression model building module 15 finds the optimal function among distribution functions with a single parameter in [Equation 3] to [Equation 6].

이때, [수학식 3] 및 [수학식 6]에서의 UBC와 DBC는 상류단 경계(Upstream boundary condition)와 하류단경계(Downstream boundary condition)를 의미한다. 또한, [수학식 3]의 는 하류단경계(Downstream Boundary Condition)에서의 농도(C)의 최대값을, [수학식 3]의 는 상류단경계(Upstream Boundary Condition)에서의 농도(C)의 최대값을, [수학식 4]의 는 첨두농도 도달시간의 변화량을, [수학식 5]의 는 최초 도달시간의 변화량을, [수학식 6]의 는 하류단경계에서, 최고농도의 50% 이상을 유지하는 시간을, [수학식 6]의 는 상류단경계에서, 최고농도의 50% 이상을 유지하는 시간을 의미한다.
At this time, UBC and DBC in [Equation 3] and [Equation 6] mean the upstream boundary condition and the downstream boundary condition. Additionally, in [Equation 3] is the maximum value of concentration (C) at the downstream boundary condition, in [Equation 3] is the maximum value of concentration (C) at the upstream boundary condition, in [Equation 4] is the change in peak concentration arrival time, [Equation 5] is the change in initial arrival time, in [Equation 6] is the time to maintain more than 50% of the maximum concentration at the downstream boundary, in [Equation 6] means the time to maintain more than 50% of the maximum concentration at the upstream boundary.

각 식의 매개변수들(, , , )은 상류에서 측정한 농도곡선으로부터 최적의 값으로 결정될 수 있다. 본 실시예의 대상지에 대하여 결정된 매개변수는 [표 1]과 같다.The parameters of each expression ( , , , ) can be determined as the optimal value from the concentration curve measured upstream. The parameters determined for the target site of this example are as shown in [Table 1].

매개변수 (R2)Parameter (R 2 ) Test ATest A 0.001090.00109 4.6964.696 3.9313.931 0.000400.00040 (0.657)(0.657) (0.999)(0.999) (0.995)(0.995) (0.746)(0.746) Test BTest B 0.001120.00112 4.6014.601 2.7682.768 0.000590.00059 (0.532)(0.532) (0.744)(0.744) (0.490)(0.490) (0.505)(0.505) Test CTest C 0.001840.00184 2.2842.284 1.9661.966 0.000660.00066 (0.910)(0.910) (0.918)(0.918) (0.963)(0.963) (0.982)(0.982) Test DTest D 0.002310.00231 2.6922.692 2.2482.248 0.000730.00073 (0.985)(0.985) (0.958)(0.958) (0.980)(0.980) 0.984)0.984) overalloverall 0.001500.00150 3.4643.464 2.5672.567 0.000660.00066 (0.626)(0.626) (0.538)(0.538) (0.559)(0.559) (0.800)(0.800)

본 개시에 따른 물질혼합 예측 방법을 이용하면, 상류에서 측정가능한 추적자 실험 데이터로부터 모형의 매개변수를 보정하고, 이를 하류의 미지의 하천구간에 적용하여 농도곡선을 예측하는 경우에 적용할 수 있어, 미지의 구간에 대한 높은 적응력을 갖는다는 장점이 있다. Using the material mixing prediction method according to the present disclosure, it can be applied to predicting the concentration curve by correcting the parameters of the model from tracer experimental data that can be measured upstream and applying it to the unknown river section downstream, It has the advantage of having high adaptability to unknown sections.

5. 회귀모형 검증단계5. Regression model verification step

본 개시에 의한 물질혼합 예측 방법은, 유하거리(L)-농도곡선특징의 상관성에 기반한 회귀모형을 이용한 예측값을, 비교예측모델을 이용한 예측값 및 전처리된 시간-농도값과 비교함으로써, 회귀모형의 정확도를 검증할 수 있다. 이때, 비교예측모델은 바람직하게는, ADE(Advection-Dispersion Equation) 모델 및 TSM(Transient Storage Model)일 수 있다. The material mixing prediction method according to the present disclosure compares the predicted value using a regression model based on the correlation between flow distance (L)-concentration curve characteristics with the predicted value using the comparative prediction model and the preprocessed time-concentration value, Accuracy can be verified. At this time, the comparative prediction model may preferably be an Advection-Dispersion Equation (ADE) model and a Transient Storage Model (TSM).

5.1. 매개변수 보정 단계5.1. Parameter calibration steps

물질혼합 예측 방법은, 추적자 실험 결과에서 가장 하류의 측정지점에서 데이터를 알지 못하는 것으로 가정하고, 나머지 관측지점에서의 데이터를 이용해 모형의 매개변수를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 매개변수 보정 케이스는 [표 2]와 같으며, 도 11에 매개변수 보정 케이스와 검증 케이스가 도시되어 있다.The material mixture prediction method may further include the step of calibrating model parameters using data from the remaining observation points, assuming that data from the most downstream measurement point is not known from the tracer experiment results. The parameter correction case is as shown in [Table 2], and the parameter correction case and verification case are shown in Figure 11.

보정케이스Correction case 대상지destination 적용모형Application model 농도곡선 측정위치Concentration curve measurement position AA 청미천Cheongmi Stream RPRP S1, S2, S3S1, S2, S3 A-M1A-M1 ADE & TSMADE & TSM S1, S3S1, S3 A-M2A-M2 S2, S3S2, S3 BB 청미천Cheongmicheon Stream RPRP S1, S2, S3, S4S1, S2, S3, S4 B-M1B-M1 ADE & TSMADE & TSM S1, S4S1, S4 B-M2B-M2 S2, S4S2, S4 B-M3B-M3 S3, S4S3, S4 CC 감천Gamcheon RPRP S1, S2, S3S1, S2, S3 C-M1C-M1 ADE & TSMADE & TSM S1, S3S1, S3 C-M2C-M2 S2, S3S2, S3 DD 감천Gamcheon RPRP S1, S2, S3S1, S2, S3 D-M1D-M1 ADE & TSMADE & TSM S1, S3S1, S3 D-M2D-M2 S2, S3S2, S3

본 실시예에서 적용되는 모형의 각각의 보정 케이스에 해당하는 매개변수는 [표 3]와 같이 결정된다.The parameters corresponding to each correction case of the model applied in this example are determined as shown in [Table 3].

ModelModel Para-meterPara-meter UnitUnit Calibration casesCalibration cases Test ATest A Test BTest B Test CTest C Test DTest D M1M1 M2M2 M1M1 M2M2 M3M3 M1M1 M2M2 M1M1 M2M2 ADEADE m s-1m s-1 0.1770.177 0.1930.193 0.2790.279 0.2410.241 0.2560.256 0.5640.564 0.6110.611 0.3950.395 0.3840.384 m2 s-1m2 s-1 18.1518.15 13.8713.87 23.3223.32 13.8213.82 5.6815.681 14.0814.08 4.5 074.5 07 6.6506.650 8.0908.090 TSMTSM m s-1m s-1 0.2410.241 0.2500.250 0.2740.274 0.3080.308 0.2560.256 0.6250.625 0.6450.645 0.3950.395 0.4200.420 m2 s-1m2 s-1 1.7021.702 1.2141.214 23.1423.14 2.1752.175 5.6815.681 0.5470.547 0.5910.591 6.6506.650 1.7301.730 m2m2 3.7283.728 2.9592.959 90.6290.62 2.7232.723 ~10-6~10-6 4.0884.088 30.7230.72 50.7150.71 0.8600.860 10-4 s-110-4 s-1 1.511.51 1.251.25 ~10-5~10-5 2.5182.518 0.1990.199 3.633.63 2.922.92 ~10-5~10-5 2.012.01 RPRP m-1m-1 0.001320.00132 0.001230.00123 0.001820.00182 0.002340.00234 s m-1s m-1 4.7454.745 3.6713.671 1.6531.653 2.4252.425 s m-1s m-1 3.9933.993 1.9111.911 1.6221.622 2.0952.095 m-1m-1 0.000450.00045 0.000680.00068 0.000700.00070 0.000790.00079

5.2. 회귀모형의 정확도 검증 단계5.2. Accuracy verification step of regression model

도 12 내지 도 13은 물질혼합 예측 장치(1)에 의해 생성 및 보정된 회귀모형에 의해 예측된 시간-농도 곡선을, 전처리된 시간-농도 곡선과 비교예측모델에 의해 예측된 시간-농도 곡선과 비교한 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 12는 곡선 모형 자체를, 도 13은 도 12에 도시된 결과를 이용하여 연산된 결정계수(R2)를 도시한 것이다. 이때, 결정계수(R2)는 회귀모형 검증모듈(16)에 의해 연산된다. 12 to 13 compare the time-concentration curve predicted by the regression model generated and corrected by the material mixing prediction device 1, the preprocessed time-concentration curve, and the time-concentration curve predicted by the prediction model. This shows the comparison results. Specifically, Figure 12 shows the curve model itself, and Figure 13 shows the coefficient of determination (R 2 ) calculated using the results shown in Figure 12. At this time, the coefficient of determination (R 2 ) is calculated by the regression model verification module 16.

본 개시의 일 실시예에 의해 수행된 실험의 경우, 하천특성이 모두 주어지지 않고 유하거리(L)만을 이용한 결과이다. 따라서, 모델들에 의해 예측된 결과가 실측값(즉, 전처리된 시간-농도 곡선)과 완전히 일치할 수는 없다. 특히, 도 13을 참고하면, ADE 및 TSM의 모의 결과는 추적자 실험 케이스 C, D, B, A 순으로 첨두농도에 대한 예측 정확도가 감소함을 나타낸다. 또한, 이들의 예측 결과의 정확도를 나타내는 결정계수(R2) 산정값은 유하거리가 증가함에 따라 감소함을 확인할 수 있다. In the case of an experiment performed according to an embodiment of the present disclosure, all river characteristics are not given and the results are based on only the flowing distance (L). Therefore, the results predicted by the models may not completely match the actual measurements (i.e., preprocessed time-concentration curves). In particular, referring to Figure 13, the simulation results of ADE and TSM show that the prediction accuracy for peak concentration decreases in the order of tracer experiment cases C, D, B, and A. In addition, it can be seen that the calculated coefficient of determination (R 2 ), which indicates the accuracy of these prediction results, decreases as the flowing distance increases.

이와는 대조적으로, 도 13에서 나타나는 바와 같이, 본 개시의 일 실시예에 의한 회귀모형의 경우(도 13에서 빨간색 막대그래프) 테스트 A,C 그리고 D의 경우에 ADE 모형과 TSM 모형보다 상대적으로 더 정확한 결과를 보인다. 테스트 B에서의 낮은 정확도는 해당 대상지에서의 상관관계 분석 결과에서의 낮은 상관성에서 기인된 것으로 판단한다. 다만, 도 12의 (b)의 빨간색 점선을 참고하면 여전히 허용가능한 예측 정확도를 보이는 것으로 확인된다. In contrast, as shown in FIG. 13, the regression model according to an embodiment of the present disclosure (red bar graph in FIG. 13) is relatively more accurate than the ADE model and the TSM model in the case of tests A, C and D. Show results. It is believed that the low accuracy in Test B is due to the low correlation in the correlation analysis results at the target site. However, referring to the red dotted line in (b) of Figure 12, it is confirmed that the prediction accuracy is still acceptable.

특히, 본 개시의 일 실시예에 의한 회귀모형의 경우 가장 장거리 예측인 테스트 C에 대한 예측의 경우에서 높은 정확도를 보이는 것으로 확인된다(도 13 참조). 구체적으로는, ADE 모형과 TSM 모형의 결정계수 값이 예측 실패를 나타내는 반면에, 본 개시의 기법은 장거리 농도곡선 예측에 상대적인 우수성을 나타낸다.In particular, it is confirmed that the regression model according to an embodiment of the present disclosure shows high accuracy in prediction for test C, which is the longest-distance prediction (see FIG. 13). Specifically, while the coefficient of determination values of the ADE model and the TSM model indicate prediction failure, the technique of the present disclosure shows relative excellence in predicting long-range concentration curves.

본 개시에서 제시하는 예측 기법은 하천의 미지의 구간에서 장거리 예측 성능과 계산비용을 고려하였을 때, 본 개시의 예측 기법은 실제 유해화학물질 유입사고 발생 시 신속하고 정확한 농도곡선 예측에 유리하다. Considering the long-distance prediction performance and computational cost in an unknown section of a river, the prediction technique presented in this disclosure is advantageous for quickly and accurately predicting concentration curves when an actual hazardous chemical inflow accident occurs.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of this embodiment, and those skilled in the art will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of this embodiment. Accordingly, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but rather to explain it, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these examples. The scope of protection of this embodiment should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of this embodiment.

1: 물질혼합 예측 장치
10: 실험결과 입력모듈
11: 하천특성 입력모듈
12: 전처리모듈
13: 농도곡선특징 추출모듈
14: 상관계수 연산모듈
15: 회귀모형 구축모듈
16: 회귀모형 검증모듈
1: Material mixing prediction device
10: Experiment result input module
11: River characteristics input module
12: Preprocessing module
13: Concentration curve feature extraction module
14: Correlation coefficient calculation module
15: Regression model construction module
16: Regression model verification module

Claims (12)

하천에서의 물질혼합거동을 예측하기 위한 방법으로서,
(a) 자연하천으로부터 취득된 추적자의 원시 시간-농도 곡선이 전처리모듈(12)에 의해 전처리되는 단계;
(b) 전처리된 시간-농도 곡선으로부터 복수의 농도곡선특징이 농도곡선특징 추출모듈(13)에 의해 추출되는 단계;
(c) 상기 복수의 농도곡선특징과 기 확인된 복수의 하천특성 사이의 상관계수가 상관계수 연산모듈(14)에 의해 연산되는 단계;
(d) 상기 복수의 하천특성 중 상관계수가 가장 높은 하천특성을 유의특징이라 하고, 회귀모형 구축모듈(15)에 의해 상기 유의특징과 상기 복수의 농도곡 선특징 중 적어도 일부에 대한 각각의 최적함수가 결정됨으로써 회귀모형이 구축되는 단계; 및
(e) 회귀모형 검증모듈(16)이, 상기 회귀모형에 의해 예측된 시간-농도 곡선을, 하나 이상의 비교예측모델에 의해 예측된 시간-농도 곡선 및 상기 전처리된 시간-농도 곡선과 비교함으로써 상기 회귀모형이 검증되는 단계를 포함하는,
물질혼합 예측 방법.
As a method for predicting material mixing behavior in rivers,
(a) preprocessing the raw time-concentration curve of the tracer obtained from a natural river by the preprocessing module 12;
(b) extracting a plurality of concentration curve features from the preprocessed time-concentration curve by the concentration curve feature extraction module 13;
(c) calculating a correlation coefficient between the plurality of concentration curve characteristics and a plurality of previously confirmed river characteristics by the correlation coefficient calculation module 14;
(d) Among the plurality of river characteristics, the river characteristic with the highest correlation coefficient is called a significant feature, and the regression model construction module 15 determines the optimal characteristics for at least some of the significant feature and the plurality of concentration curve features. A step in which a regression model is constructed by determining a function; and
(e) The regression model verification module 16 compares the time-concentration curve predicted by the regression model with the time-concentration curve predicted by one or more comparative prediction models and the preprocessed time-concentration curve. Including the step of verifying the regression model,
Material mixing prediction method.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a1) 상기 원시 시간-농도 곡선의 감소구간 중 시간에 대한 농도가 멱함수 관계가 종료되는 지점에서의 농도를 기저농도라 하고, 상기 시간-농도 곡선에서 상기 기저농도가 제거되는 단계;
(a2) 상기 (a1) 단계에서 기저농도가 제거된 시간-농도 곡선에, 상기 추적자의 초기 주입질량(w0)에 대한 측정된 추적자의 질량(wm)의 비가 곱해짐으로써 질량이 보정되는 단계;
(a3) 상기 (a2) 단계에서 보정된 시간-농도 곡선이 푸리에 변환(fourier transformation)되며, 변환된 곡선에 로우패스 필터(low pass filter)가 적용되고, 필터링된 곡선이 역푸리에 변환(inverse fourier transformation)됨으로써 전처리된 시간-농도 곡선이 구해지는 단계를 포함하는,
물질혼합 예측 방법.
According to paragraph 1,
In step (a),
(a1) the concentration at the point where the power law relationship between concentration and time in the decreasing section of the original time-concentration curve ends is referred to as the basal concentration, and the basal concentration is removed from the time-concentration curve;
(a2) The mass is corrected by multiplying the time-concentration curve from which the basal concentration has been removed in step (a1) by the ratio of the measured mass (w m ) of the tracer to the initial injection mass (w 0 ) of the tracer. step;
(a3) The time-concentration curve corrected in step (a2) is subjected to Fourier transformation, a low pass filter is applied to the transformed curve, and the filtered curve is subjected to inverse Fourier transformation. Transformation), which includes the step of obtaining a preprocessed time-concentration curve,
Material mixing prediction method.
제2항에 있어서,
상기 (b) 단계의 농도곡선특징은, 추적자의 최초 도달시간(Tf), 첨두농도 도달시간(Tp), 중위 도달시간(Tmed), 표준편차(σ), 첨두농도의 75% 이상의 농도 유지 시간(T75), 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50), 첨두농도의 10% 이상의 농도 유지 시간(T10), 왜곡도(SKNS), 첨도(KURT), 첨두농도(Cmax), 평균농도(Cmean), 곡선 상승부의 경사(Sr), 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점까지의 평균 기울기(Sf) 및 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점 이후의 평균 기울기(St)를 포함하는,
물질혼합 예측 방법.
According to paragraph 2,
The concentration curve characteristics of step (b) include the tracer's initial arrival time (T f ), peak concentration arrival time (T p ), median arrival time (T med ), standard deviation (σ), and 75% or more of the peak concentration. Concentration holding time (T 75 ), concentration holding time over 50% of the peak concentration (T 50 ), concentration holding time over 10% of the peak concentration (T 10 ), skewness (SKNS), kurtosis (KURT), peak concentration ( C max ), average concentration (C mean ), slope of the rising part of the curve (S r ), average slope (S f ) of the descending part of the curve to the point where it reaches 10% of the peak concentration (C max ), and of the descending part of the curve Including the average slope (S t ) after the point where it falls to 10% of the peak concentration (C max ),
Material mixing prediction method.
제3항에 있어서,
상기 (c) 단계의 기 확인된 복수의 하천특성은, 유하거리(L), 평균유속(U), 평균단면적(A), 평균하폭(W) 및 평균수심(H)을 포함하는,
물질혼합 예측 방법.
According to paragraph 3,
The plurality of river characteristics already confirmed in step (c) include flowing distance (L), average flow velocity (U), average cross-sectional area (A), average river width (W), and average water depth (H),
Material mixing prediction method.
제4항에 있어서,
상기 (d) 단계의 유의특징이 유하거리(L)인 것으로 확인된 경우, 상기 복수의 농도곡선 특징 중 첨두농도(Cmax), 첨두농도 도달시간(Tp), 최초 도달시간(Tf) 및 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50) 사이의 매개변수(θcp, θtp, θtf, θw)가 구해짐으로써 최적함수가 결정되는,
물질혼합 예측 방법.
According to paragraph 4,
If the significant feature of step (d) is confirmed to be the flow distance (L), among the plurality of concentration curve features, peak concentration (C max ), peak concentration arrival time (T p ), and first arrival time (T f ) and the optimal function is determined by obtaining the parameters (θ cp , θ tp , θ tf , θ w ) between the concentration retention time (T 50 ) of 50% or more of the peak concentration,
Material mixing prediction method.
제5항에 있어서,
상기 매개변수(θcp, θtp, θtf, θw)는 아래 수학식 1 내지 수학식 4를 이용하여 구해지되,
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 4]
상기 [수학식 1]에서 는 하류단경계(Downstream Boundary Condition)에서의 농도(C)의 최대값이며, 는 상류단경계(Upstream Boundary Condition)에서의 농도(C)의 최대값이고,
상기 [수학식 2]에서 는 첨두농도 도달시간의 변화량이고,
상기 [수학식 3]에서 는 최초 도달시간의 변화량이고,
상기 [수학식 4]에서 는 하류단경계에서, 최고농도의 50% 이상을 유지하는 시간이며, 는 상류단경계에서, 최고농도의 50% 이상을 유지하는 시간인,
물질혼합 예측 방법.
According to clause 5,
The parameters (θ cp , θ tp , θ tf , θ w ) are obtained using Equations 1 to 4 below,
[Equation 1]
[Equation 2]
[Equation 3]
[Equation 4]
In [Equation 1] above, is the maximum value of concentration (C) at the downstream boundary condition, is the maximum value of concentration (C) at the upstream boundary condition,
In [Equation 2] above, is the change in time to reach peak concentration,
In [Equation 3] above, is the change in initial arrival time,
In [Equation 4] above, is the time to maintain more than 50% of the maximum concentration at the downstream boundary, is the time to maintain more than 50% of the maximum concentration at the upstream boundary,
Material mixing prediction method.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 비교예측모델은, ADE(Advection-Dispersion Equation) 및 TSM(Transient Storage Model)인,
물질혼합 예측 방법.
According to paragraph 1,
The one or more comparative prediction models are Advection-Dispersion Equation (ADE) and Transient Storage Model (TSM),
Material mixing prediction method.
자연하천에서의 추적자 실험결과가 입력되는 실험결과 입력모듈(10);
자연하천으로부터 확인되는 복수의 하천특성이 입력되는 하천특성 입력모듈(11);
상기 추적자 실험결과를 전처리하여, 전처리된 시간-농도 곡선을 연산한도록 구성된 전처리모듈(12);
상기 전처리된 시간-농도 곡선으로부터 도출된 복수의 농도곡선특징을 추출하도록 구성된 농도곡선특징 추출모듈(13);
상기 복수의 농도곡선특징과 상기 복수의 하천특성 각각의 상관계수를 연산하도록 구성된 상관계수 연산모듈(14);
상기 복수의 농도곡선특징 중 적어도 일부와, 상기 복수의 하천특성 중 하나의 하천특성 사이의 최적함수를 결정하여 회귀모형을 구축하도록 구성된 회귀모형 구축모듈(15); 및
상기 회귀모형에 의해 예측된 예측값을, 하나 이상의 비교예측모델에 의해 예측된 예측값 및 기 취득된 실측값과 비교함으로써, 상기 회귀모형을 검증하도록 구성된 회귀모형 검증모듈(16)을 포함하는,
물질혼합 예측 장치.
An experiment result input module (10) in which tracer experiment results in natural rivers are input;
A river characteristic input module 11 in which a plurality of river characteristics confirmed from natural rivers are input;
a preprocessing module 12 configured to preprocess the tracer experiment results and calculate a preprocessed time-concentration curve;
a concentration curve feature extraction module 13 configured to extract a plurality of concentration curve features derived from the preprocessed time-concentration curve;
a correlation coefficient calculation module 14 configured to calculate correlation coefficients between the plurality of concentration curve characteristics and the plurality of river characteristics;
a regression model building module (15) configured to construct a regression model by determining an optimal function between at least some of the plurality of concentration curve characteristics and one river characteristic among the plurality of river characteristics; and
Comprising a regression model verification module 16 configured to verify the regression model by comparing the predicted value predicted by the regression model with the predicted value predicted by one or more comparative prediction models and previously acquired actual values,
Material mixing prediction device.
제8항에 있어서,
상기 복수의 하천특성은, 유하거리(L), 평균유속(U), 평균단면적(A), 평균하폭(W) 및 평균수심(H)을 포함하는,
물질혼합 예측 장치.
According to clause 8,
The plurality of river characteristics include flow distance (L), average flow velocity (U), average cross-sectional area (A), average river width (W), and average water depth (H),
Material mixing prediction device.
제9항에 있어서,
상기 복수의 농도곡선특징은, 추적자의 최초 도달시간(Tf), 첨두농도 도달시간(Tp), 중위 도달시간(Tmed), 표준편차(σ), 첨두농도의 75% 이상의 농도 유지 시간(T75), 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50), 첨두농도의 10% 이상의 농도 유지 시간(T10), 왜곡도(SKNS), 첨도(KURT), 첨두농도(Cmax), 평균농도(Cmean), 곡선 상승부의 경사(Sr), 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점까지의 평균 기울기(Sf) 및 곡선 하강부 중 첨두농도(Cmax)의 10%까지 내려오는 지점 이후의 평균 기울기(St)를 포함하는,
물질혼합 예측 장치.
According to clause 9,
The plurality of concentration curve characteristics include the tracer's initial arrival time (T f ), peak concentration arrival time (T p ), median arrival time (T med ), standard deviation (σ), and concentration maintenance time of 75% or more of the peak concentration. (T 75 ), concentration maintenance time over 50% of the peak concentration (T 50 ), concentration maintenance time over 10% of the peak concentration (T 10 ), skewness (SKNS), kurtosis (KURT), peak concentration (C max ) , average concentration (C mean ), slope of the rising part of the curve (S r ), average slope up to 10% of the peak concentration (C max ) in the descending part of the curve (S f ), and peak concentration in the descending part of the curve ( Containing the average slope (S t ) after the point where it falls to 10% of C max ),
Material mixing prediction device.
제10항에 있어서,
상기 복수의 하천특성 중 하나의 하천특성이 유하거리(L)이고,
상기 복수의 농도곡선특징 중 적어도 일부가 첨두농도(Cmax), 첨두농도 도달시간(Tp), 최초 도달시간(Tf) 및 첨두농도의 50% 이상의 농도 유지 시간(T50)인 경우, 상기 회귀모형 구축모듈(15)은 아래 수학식 1 내지 수학식 4를 이용하여 매개변수(θcp, θtp, θtf, θw)를 연산함으로써 회귀모형을 구축하되,
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 4]
상기 [수학식 1]에서 는 하류단경계(Downstream Boundary Condition)에서의 농도(C)의 최대값이며, 는 상류단경계(Upstream Boundary Condition)에서의 농도(C)의 최대값이고,
상기 [수학식 2]에서 는 첨두농도 도달시간의 변화량이고,
상기 [수학식 3]에서 는 최초 도달시간의 변화량이고,
상기 [수학식 4]에서 는 하류단경계에서, 최고농도의 50% 이상을 유지하는 시간이며, 는 상류단경계에서, 최고농도의 50% 이상을 유지하는 시간인,
물질혼합 예측 장치.
According to clause 10,
One river characteristic among the plurality of river characteristics is the flow distance (L),
If at least some of the plurality of concentration curve characteristics are peak concentration (C max ), peak concentration arrival time (T p ), first arrival time (T f ), and concentration maintenance time (T 50 ) of 50% or more of the peak concentration, The regression model building module 15 constructs a regression model by calculating parameters (θ cp , θ tp , θ tf , θ w ) using Equations 1 to 4 below,
[Equation 1]
[Equation 2]
[Equation 3]
[Equation 4]
In [Equation 1] above, is the maximum value of concentration (C) at the downstream boundary condition, is the maximum value of concentration (C) at the upstream boundary condition,
In [Equation 2] above, is the change in time to reach peak concentration,
In [Equation 3] above, is the change in initial arrival time,
In [Equation 4] above, is the time to maintain more than 50% of the maximum concentration at the downstream boundary, is the time to maintain more than 50% of the maximum concentration at the upstream boundary,
Material mixing prediction device.
제8항에 있어서,
상기 하나 이상의 비교예측모델은 ADE(Advection-Dispersion Equation) 및 TSM(Transient Storage Model)인,
물질혼합 예측 장치.
According to clause 8,
The one or more comparative prediction models are Advection-Dispersion Equation (ADE) and Transient Storage Model (TSM),
Material mixing prediction device.
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KR20040104008A (en) * 2003-06-02 2004-12-10 학교법인 인하학원 GIS Based Water Quality Modeling Methodology for Fresh Lake Management
KR101064564B1 (en) * 2009-03-13 2011-09-14 서울대학교산학협력단 Method for analyzing one-dimensional dispersion behavior of pollutant through estimation of the longitudinal dispersion coefficient using the basic hydraulic data in a river

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