KR102631539B1 - Method for predicting precipitation based on deep learning and apparatus implementing the same method - Google Patents

Method for predicting precipitation based on deep learning and apparatus implementing the same method Download PDF

Info

Publication number
KR102631539B1
KR102631539B1 KR1020210072668A KR20210072668A KR102631539B1 KR 102631539 B1 KR102631539 B1 KR 102631539B1 KR 1020210072668 A KR1020210072668 A KR 1020210072668A KR 20210072668 A KR20210072668 A KR 20210072668A KR 102631539 B1 KR102631539 B1 KR 102631539B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
data
precipitation
input layer
model
learning
Prior art date
Application number
KR1020210072668A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220164198A (en
Inventor
김원수
김성찬
조민희
강지순
송사광
Original Assignee
한국과학기술정보연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술정보연구원 filed Critical 한국과학기술정보연구원
Priority to KR1020210072668A priority Critical patent/KR102631539B1/en
Publication of KR20220164198A publication Critical patent/KR20220164198A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102631539B1 publication Critical patent/KR102631539B1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W1/00Meteorology
    • G01W1/10Devices for predicting weather conditions
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W1/00Meteorology
    • G01W1/02Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/04Architecture, e.g. interconnection topology
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/08Learning methods
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W2201/00Weather detection, monitoring or forecasting for establishing the amount of global warming
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 장치에 의해 수행되는 방법은, 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하는 단계, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계, 및 예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하여 강수 예측 정보를 출력하는 단계를 포함한다.A method performed by a computing device according to an embodiment of the present invention includes generating training data consisting of a series of consecutive frames using rainfall data and numerical meteorological model data, and sending the training data to an encoder-decoder. -decoder) structure, generating a precipitation prediction model, and inputting prediction target data into the precipitation prediction model to output precipitation prediction information.

Description

딥러닝 기반 강수 예측 방법, 그리고 이를 구현하기 위한 장치{METHOD FOR PREDICTING PRECIPITATION BASED ON DEEP LEARNING AND APPARATUS IMPLEMENTING THE SAME METHOD} Deep learning-based precipitation prediction method and device for implementing the same {METHOD FOR PREDICTING PRECIPITATION BASED ON DEEP LEARNING AND APPARATUS IMPLEMENTING THE SAME METHOD}

본 발명은 딥러닝 기반 강수 예측 방법, 그리고 이를 구현하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 딥러닝 알고리즘을 이용하여 강수를 예측하기 위한 딥러닝 기반 강수 예측 방법, 그리고 이를 구현하기 위한 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a deep learning-based precipitation prediction method, and a device for implementing the same. More specifically, it relates to a deep learning-based precipitation prediction method for predicting precipitation using a deep learning algorithm, and a device for implementing the same. will be.

따라서, 초단기 강수를 예측하기 위해, 인공지능 기반으로 예측의 정확도를 높일 수 있는 기술이 요구된다. 또한, 강수 예측을 위한 학습 데이터로서 강우 레이더 데이터 이외에 다양한 기상 데이터를 이용하는 경우, 서로 다른 구조를 가지는 데이터의 형식을 통일할 수 있는 기술이 요구된다.Therefore, in order to predict ultra-short-term precipitation, technology that can increase the accuracy of prediction based on artificial intelligence is required. Additionally, when using various weather data in addition to rainfall radar data as learning data for precipitation prediction, a technology that can unify the format of data with different structures is required.

일본 공개특허공보 제2020-91171호(2020.06.11. 공개)Japanese Patent Publication No. 2020-91171 (published on June 11, 2020)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 딥러닝 모델에 적용하여 단기간 내 강수를 예측할 수 있는 딥러닝 기반 강수 예측 방법, 그리고 이를 구현하기 위한 장치를 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a deep learning-based precipitation prediction method that can predict precipitation in a short period of time by applying learning data consisting of continuous frames to a deep learning model, and a device for implementing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 강수 예측을 위해 다중 변수 입력 방식을 사용하여 예측의 정확도를 높일 수 있는 딥러닝 기반 강수 예측 방법, 그리고 이를 구현하기 위한 장치를 제공하는 것이다.Another technical problem that the present invention aims to solve is to provide a deep learning-based precipitation prediction method that can increase the accuracy of prediction by using a multi-variable input method for precipitation prediction, and a device for implementing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 강수 예측 과정에서 인코더-디코더 신경망에 의한 예측 결과를 생성적 대립 신경망(GAN)에 적용하여 보다 정교한 예측 결과를 얻을 수 있는 딥러닝 기반 강수 예측 방법, 그리고 이를 구현하기 위한 장치를 제공하는 것이다.Another technical problem that the present invention aims to solve is a deep learning-based precipitation prediction method that can obtain more sophisticated prediction results by applying the prediction results by the encoder-decoder neural network to a generative adversarial network (GAN) in the precipitation prediction process; And it provides a device to implement this.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시의 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 장치에 의해 수행되는 방법은, 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하는 단계, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계, 및 예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하여 강수 예측 정보를 출력하는 단계를 포함한다.A method performed by a computing device according to an embodiment of the present invention for solving the above technical problem includes generating learning data consisting of a series of consecutive frames using rainfall data and numerical meteorological model data, It includes generating a precipitation prediction model by applying learning data to a neural network with an encoder-decoder structure, and inputting prediction target data into the precipitation prediction model to output precipitation prediction information.

일 실시예로서, 상기 강우 데이터는, 강우 레이더 합성 영상일 수 있다.As an example, the rainfall data may be a rainfall radar composite image.

일 실시예로서, 상기 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하는 단계는, 상기 강우 레이더 합성영상 및 기상 수치 모델 데이터 간 서로 다른 공간 격자 및 시간 해상도를 일치시키는 단계를 포함할 수 있다.As an embodiment, the step of generating learning data consisting of a series of consecutive frames using the rainfall data and numerical meteorological model data includes different spatial grids and temporal resolutions between the rainfall radar composite image and the numerical meteorological model data. A matching step may be included.

일 실시예로서, 상기 강우 레이더 합성영상 및 기상 수치 모델 데이터 간 서로 다른 공간 격자 및 시간 해상도를 일치시키는 단계는, 상기 강우 레이더 합성영상을 시간 적분을 통해 시간당 강수량 데이터로 변환하는 단계, 및 상기 기상 수치 모델 데이터를 상기 강우 레이더 합성영상과 동일한 공간 격자 구조로 내삽(interpolation)하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of matching different spatial grids and temporal resolutions between the rainfall radar composite image and the meteorological numerical model data includes converting the rainfall radar composite image into hourly precipitation data through time integration, and the meteorological meteorological model data. It may include interpolating the numerical model data into the same spatial grid structure as the rainfall radar composite image.

일 실시예로서, 상기 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하는 단계는, 제1 기간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 학습 데이터로 구성하는 단계를 포함하고, 상기 다차원 배열은, 프레임수, 공간 격자수, 및 입력 변수의 수에 기초하여 생성될 수 있다.As an embodiment, the step of generating learning data consisting of a series of consecutive frames using the rainfall data and numerical meteorological model data includes generating a multidimensional array consisting of consecutive frames of a first period and forming the learning data. The multidimensional array may be generated based on the number of frames, the number of spatial grids, and the number of input variables.

일 실시예로서, 상기 제1 기간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 학습 데이터로 구성하는 단계는, 전체 공간 격자수 중 강우값이 기준치 이상인 공간 격자수가 소정 비율 이상인 프레임을 학습 데이터로 사용하는 단계를 포함할 수 있다.As an embodiment, the step of generating a multidimensional array composed of consecutive frames of the first period and configuring it as learning data includes using as learning data frames in which the number of spatial grids with rainfall values greater than a predetermined ratio among the total number of spatial grids is greater than a predetermined ratio. It may include steps.

일 실시예로서, 상기 제1 기간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 학습 데이터로 구성하는 단계는, 상기 제1 기간의 연속된 프레임 중 전반부에 해당하는 제2 기간의 프레임을 입력 시퀀스로 구성하고, 후반부에 해당하는 제3 기간의 프레임을 출력 시퀀스로 구성하는 단계를 포함할 수 있다.As an embodiment, the step of generating a multidimensional array composed of consecutive frames of the first period and configuring it as learning data includes using the frames of the second period corresponding to the first half of the consecutive frames of the first period as an input sequence. It may include the step of configuring and configuring frames of the third period corresponding to the latter half as an output sequence.

일 실시예로서, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계는, 상기 입력 시퀀스를 상기 인코더를 통해 압축하여 피처들(features)을 추출하는 단계, 및 상기 압축된 피처들을 상기 디코더를 통해 상기 출력 시퀀스에 부합하는 상세 정보로 복원하는 단계를 포함할 수 있다.As an embodiment, the step of generating a precipitation prediction model by applying the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure includes extracting features by compressing the input sequence through the encoder. and restoring the compressed features to detailed information corresponding to the output sequence through the decoder.

일 실시예로서, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계는, 상기 신경망을 학습하는 과정에서 손실 함수(loss function)로서 MSE(Mean Squared Error), MAE(Mean Absolute Error), Balanced MSE(Mean Squared Error), Balanced MAE(Mean Absolute Error), 및 SSIM(Scale Structural Similarity) 중 적어도 하나를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.As an embodiment, the step of generating a precipitation prediction model by applying the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure includes MSE (Mean Squared) as a loss function in the process of learning the neural network. Error), Mean Absolute Error (MAE), Balanced MSE (Mean Squared Error), Balanced MAE (Mean Absolute Error), and SSIM (Scale Structural Similarity).

일 실시예로서, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계는, 상기 학습 데이터에 포함된 데이터의 종류에 따라 분기한 구조의 신경망을 구성하는 단계를 포함할 수 있다.As an embodiment, the step of generating a precipitation prediction model by applying the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure constitutes a neural network with a branched structure depending on the type of data included in the learning data. It may include steps.

일 실시예로서, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계는, 생성자(Generator) 및 구분자(Discriminator)로 구성된 생성적 대립 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 상기 인코더-디코더 구조의 신경망에 추가하는 단계를 포함할 수 있다.As an embodiment, the step of generating a precipitation prediction model by applying the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure includes a generative adversarial network (GAN) consisting of a generator and a discriminator. It may include adding a Generative Adversarial Network) to the neural network of the encoder-decoder structure.

일 실시예로서, 상기 생성자(Generator) 및 상기 구분자(Discriminator)로 구성된 생성적 대립 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 상기 인코더-디코더 구조의 신경망에 추가하는 단계는, 상기 디코더에서 출력되는 예측 정보를 상기 생성자의 출력 정보로 사용하는 단계, 및 상기 생성자의 출력 정보와 실제 강수 정보를 상기 구분자에 입력하여, 상기 출력 정보에 대한 정확도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.As an embodiment, the step of adding a generative adversarial network (GAN) consisting of the generator and the discriminator to the neural network of the encoder-decoder structure includes the prediction information output from the decoder. It may include using as output information of the generator, and inputting the output information of the generator and actual precipitation information into the separator to determine the accuracy of the output information.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 비일시적 기록 매체는, 컴퓨터로 하여금 상기 방법을 수행하도록 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 것이다.In order to solve the above technical problem, a computer-readable non-transitory recording medium according to an embodiment of the present invention stores a computer program that causes a computer to perform the method.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 장치에 의해 수행되는 방법은, 상기 외부장치로부터 강수 예측 모델에 관한 정보를 수신하는 동작, 사용자 입력에 의해 예측 대상 데이터를 획득하는 동작, 상기 예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하는 동작, 및 상기 강수 예측 모델로부터 강수 예측 정보를 출력하는 단계를 포함하고, 상기 강수 예측 모델은, 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용한 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 이용하여 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망을 학습하여 생성된 것이다.In order to solve the above technical problem, a method performed by a computing device according to an embodiment of the present invention includes the operation of receiving information about a precipitation prediction model from the external device, and obtaining prediction target data by user input. An operation, inputting the prediction target data into the precipitation prediction model, and outputting precipitation prediction information from the precipitation prediction model, wherein the precipitation prediction model is a series of data using rainfall data and numerical meteorological model data. It was created by learning a neural network with an encoder-decoder structure using training data consisting of consecutive frames.

일 실시예로서, 상기 학습 데이터는, 제1 기간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 구성되고, 상기 다차원 배열은, 프레임수, 공간 격자수, 및 입력 변수의 수에 기초하여 생성될 수 있다.In one embodiment, the learning data is configured by generating a multidimensional array consisting of consecutive frames of a first period, and the multidimensional array can be generated based on the number of frames, the number of spatial grids, and the number of input variables. there is.

일 실시예로서, 상기 강수 예측 모델은, 생성자(Generator) 및 구분자(Discriminator)로 구성된 생성적 대립 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 상기 인코더-디코더 구조의 신경망에 추가하여 학습함에 의해 생성된 것일 수 있다.In one embodiment, the precipitation prediction model is generated by learning by adding a generative adversarial network (GAN) consisting of a generator and a discriminator to the neural network of the encoder-decoder structure. You can.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강수 예측 장치는, 외부 서버와 통신하는 통신부, 상기 외부 서버로부터 수집된 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하고, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 학습부, 및 예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하여 강수 예측 정보를 출력하는 예측부를 포함한다. In order to solve the above technical problem, a rainfall prediction device according to an embodiment of the present invention uses a communication unit that communicates with an external server, rainfall data collected from the external server, and numerical meteorological model data to form a series of continuous frames. A learning unit that generates configured learning data and applies the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure to generate a precipitation prediction model, and inputs prediction target data into the precipitation prediction model to generate precipitation prediction information. It includes a prediction unit that outputs.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강수 예측 장치는, 하나 이상의 프로세서, 외부장치와 통신하는 통신 인터페이스, 상기 프로세서에 의하여 수행되는 컴퓨터 프로그램을 로드(load)하는 메모리, 및 상기 컴퓨터 프로그램을 저장하는 스토리지를 포함하되, 상기 컴퓨터 프로그램은, 상기 외부장치로부터 강수 예측 모델에 관한 정보를 수신하는 동작, 사용자 입력에 의해 예측 대상 데이터를 획득하는 동작, 상기 예측 대상 데이터를 강수 예측 모델에 입력하는 동작, 및 상기 강수 예측 모델로부터 강수 예측 정보를 출력하는 동작을 수행하기 위한 인스트럭션들(instructions)을 포함하고, 상기 강수 예측 모델은, 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용한 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 이용하여 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망을 학습하여 생성된 것이다.In order to solve the above technical problem, a precipitation prediction device according to an embodiment of the present invention includes one or more processors, a communication interface for communicating with an external device, a memory for loading a computer program executed by the processor, and It includes storage for storing the computer program, wherein the computer program includes an operation of receiving information about a precipitation prediction model from the external device, an operation of acquiring prediction target data by a user input, and predicting precipitation by using the prediction target data. Includes instructions for performing an operation of inputting to a model and an operation of outputting precipitation prediction information from the precipitation prediction model, wherein the precipitation prediction model is a series of continuous operations using rainfall data and numerical meteorological model data. It was created by learning a neural network with an encoder-decoder structure using training data composed of frames.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강수 예측 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 강수 예측 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 강수 예측 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 학습 데이터의 구성을 도시한 예이다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 학습을 위한 인코더-디코더 신경망 구조를 도시한 예이다.
도 10은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 학습 과정에서 사용되는 손실 함수의 예이다.
도 11은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 인코더에서 입력 데이터의 종류에 따라 분기한 구조를 적용하는 예이다.
도 12는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 인코더-디코더 신경망에 생성적 대립 신경망(GAN)을 추가 구성으로 적용하는 예이다.
도 13은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 학습 검증을 위한 통계 지표를 활용하는 예이다
도 14는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 방법들을 구현할 수 있는 예시적인 컴퓨팅 장치의 하드웨어 구성도이다.
1 is a conceptual diagram according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a precipitation prediction device according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a precipitation prediction device according to another embodiment of the present invention.
4 to 7 are flowcharts for explaining a precipitation prediction method according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is an example showing the structure of learning data according to some embodiments of the present invention.
Figure 9 is an example illustrating an encoder-decoder neural network structure for learning according to some embodiments of the present invention.
Figure 10 is an example of a loss function used in a learning process according to some embodiments of the present invention.
Figure 11 is an example of applying a branched structure according to the type of input data in the encoder according to some embodiments of the present invention.
Figure 12 is an example of applying a generative adversarial network (GAN) as an additional configuration to the encoder-decoder neural network according to some embodiments of the present invention.
Figure 13 is an example of using statistical indicators for learning verification according to some embodiments of the present invention.
Figure 14 is a hardware configuration diagram of an example computing device capable of implementing methods according to some embodiments of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시의 기술적 사상은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시의 기술적 사상은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the attached drawings. The advantages and features of the present disclosure and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the technical idea of the present disclosure is not limited to the following embodiments and may be implemented in various different forms. The following examples are merely intended to complete the technical idea of the present disclosure and to be used in the technical field to which the present disclosure belongs. It is provided to fully inform those skilled in the art of the scope of the present disclosure, and the technical idea of the present disclosure is only defined by the scope of the claims.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 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.When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical 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.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings that can be commonly understood by those skilled in the art to which this disclosure pertains. Additionally, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless clearly specifically defined. The terminology used herein is for the purpose of describing embodiments and is not intended to limit the disclosure. As used herein, singular forms also include plural forms, unless specifically stated otherwise in the context.

또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Additionally, in describing the components of the present disclosure, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there is another component between each component. It will be understood that elements may be “connected,” “combined,” or “connected.”

명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.As used in the specification, “comprises” and/or “comprising” refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements. or does not rule out addition.

이하, 본 개시의 몇몇 실시예들에 대하여 첨부된 도면에 따라 상세하게 설명한다.Hereinafter, several embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 개념도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 강수 예측 장치(1)는 학습 데이터(2)를 이용하여 심층 학습(deep learning)을 수행함에 의해 생성되는 강수 예측 모델(31)을 이용하여 강수 예측 정보(5)를 출력할 수 있다. 1 is a conceptual diagram according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the precipitation prediction device 1 according to an embodiment of the present invention predicts precipitation using a precipitation prediction model 31 generated by performing deep learning using learning data 2. Prediction information (5) can be output.

도시된 예에서, 학습 데이터(2)는 강우 데이터와 기상 수치 모델 데이터로 구성되고, 학습 데이터(2)를 이용하여 딥 러닝 알고리즘인 오토 인코더(Auto-encoder) 구조의 신경망(3)을 학습함에 의해 강수 예측 모델(31)이 생성될 수 있다. 이 때, 오토 인코더 구조의 신경망(3)은 인코더(encoder)와 디코더(decoder)로 구성될 수 있다. In the example shown, the learning data (2) consists of rainfall data and numerical meteorological model data, and the learning data (2) is used to learn a neural network (3) with an auto-encoder structure, a deep learning algorithm. The precipitation prediction model 31 can be created by. At this time, the neural network 3 with an auto-encoder structure may be composed of an encoder and a decoder.

학습 데이터(2)를 구성하는 강우 데이터는 기상청에서 제공되는 강우 레이더 합성 영상으로 마련될 수 있다. The rainfall data constituting the learning data (2) can be prepared as a rainfall radar composite image provided by the Korea Meteorological Administration.

또한, 기상 수치 모델 데이터는, 기상 관측 데이터를 활용하여 미래의 날씨를 예측하기 위해 만들어진 컴퓨터 프로그램의 일종인 수치 예보 모델에서 사용되는 데이터로 마련되고, 특히 강수 발생에 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 변수를 대상으로 할 수 있다. 예로서, 기상 수치 모델 데이터는, 강수 발생과 관련된 역학적 변수 및 열역학적 변수를 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 기상 수치 모델 데이터는, 전구 기상 수치 모델 또는 지역 기상 수치 모델을 통해 생성될 수 있다.In addition, numerical meteorological model data is prepared as data used in a numerical forecast model, which is a type of computer program created to predict future weather using meteorological observation data. In particular, variables known to play an important role in the occurrence of precipitation are used. It can be targeted. By way of example, numerical meteorological model data may include dynamical and thermodynamic variables related to precipitation occurrence. As an example, numerical meteorological model data may be generated through a global numerical meteorological model or a local numerical meteorological model.

강수 예측을 위해, 입력 정보(4)로서 예측 대상 데이터가 강수 예측 모델(31)에 입력되면, 강수 예측 모델(31)을 이용하여 예측 결과가 생성되고, 예측 결과로서 강수 예측 정보(5)가 출력될 수 있다. 여기서, 입력 정보(4)인 예측 대상 데이터는, 기준 시점에서의 강우 레이더 합성 영상과, 기상 수치 모델의 역학적 및 열역학적 변수 등을 포함할 수 있다.For precipitation prediction, when the prediction target data as input information (4) is input to the precipitation prediction model (31), a prediction result is generated using the precipitation prediction model (31), and precipitation prediction information (5) is generated as a prediction result. can be printed. Here, the prediction target data, which is the input information 4, may include a rainfall radar composite image at a reference point, dynamical and thermodynamic variables of a numerical meteorological model, etc.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따라, 딥러닝 기술을 이용하여 과거의 강우 현황으로부터 미래의 강수 발생 정도를 예측할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 의하면, 기준 시점으로부터 예컨대 6시간 이내의 초단기 강수 발생 정도를 예측할 수 있다. According to the embodiment of the present invention as described above, the degree of future precipitation can be predicted from past rainfall status using deep learning technology. In particular, according to an embodiment of the present invention, the degree of ultra-short-term precipitation occurrence within, for example, 6 hours from a reference point can be predicted.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강수 예측 장치의 구성을 도시한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 강수 예측 장치(1)는 학습부(11) 및 예측부(12)를 포함하고, 외부 서버(20), 및 사용자 단말(10)과 네트워크를 통해 연결될 수 있다. 강수 예측 장치(1)는 사용자 단말(10)로부터 수신되는 강수 예측을 위한 딥 러닝 모델의 생성 및 분석 요청을 처리하여, 그 결과를 제공한다. Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a precipitation prediction device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the precipitation prediction device 1 according to an embodiment of the present invention includes a learning unit 11 and a prediction unit 12, an external server 20, and a user terminal 10 and a network. can be connected through The precipitation prediction device 1 processes a request for creation and analysis of a deep learning model for precipitation prediction received from the user terminal 10 and provides the results.

외부 서버(20)는 강우 레이더 합성 영상 및 기상 수치 모델 데이터를 제공하는 각각의 서버로 구현될 수 있고, 이로부터 제공되는 데이터를 수집하여 학습 데이터(2)를 구성할 수 있다. 이 때, 학습 데이터(2)에 포함되는 기상 수치 모델 데이터는, 전구 기상 수치 모델 또는 지역 기상 수치 모델을 통해 생성될 수 있고, 강수 발생과 관련된 역학적 변수 및 열역학적 변수를 포함할 수 있다.The external server 20 may be implemented as each server that provides rainfall radar synthetic images and numerical meteorological model data, and the data provided therefrom may be collected to form learning data 2. At this time, the numerical meteorological model data included in the learning data 2 may be generated through a global numerical meteorological model or a local numerical meteorological model, and may include dynamical variables and thermodynamic variables related to the occurrence of precipitation.

학습부(11)는 수집 모듈(111), 전처리 모듈(112), 및 학습 모듈(113)로 구성되고, 이 중 수집 모듈(111)은 외부 서버(20)로부터 제공되는 강우 레이더 합성 영상 및 기상 수치 모델 데이터를 수집하여 학습 데이터(2)를 구성하고, 이를 데이터베이스에 저장한다. The learning unit 11 is composed of a collection module 111, a preprocessing module 112, and a learning module 113, of which the collection module 111 is a rainfall radar composite image and weather provided from an external server 20. Numerical model data is collected to form learning data (2) and stored in the database.

전처리 모듈(112)은 수집 모듈(111)에 의해 데이터베이스에 저장된 학습 데이터(2)를 읽어 오고, 학습 데이터(2)를 심층 학습이 가능한 형태로 변환한다. The preprocessing module 112 reads the learning data 2 stored in the database by the collection module 111 and converts the learning data 2 into a form capable of deep learning.

일 실시예로서, 전처리 모듈(112)은 강우 레이더 합성영상과 기상 수치 모델 데이터 간에 서로 다른 공간 격자 및 시간 해상도를 일치시킬 수 있다. 이를 위해, 전처리 모듈(112)은 강우 레이더 합성영상을 시간 적분을 통해 시간당 강수량 데이터로 변환하고, 기상 수치 모델 데이터를 강우 레이더 합성영상과 동일한 공간 격자 구조로 내삽(interpolation)하는 과정을 수행할 수 있다. As an example, the preprocessing module 112 may match different spatial grids and temporal resolutions between the rainfall radar synthetic image and the numerical meteorological model data. To this end, the preprocessing module 112 can convert the rainfall radar composite image into hourly rainfall data through time integration and perform the process of interpolating the meteorological numerical model data into the same spatial grid structure as the rainfall radar composite image. there is.

또한, 전처리 모듈(112)은 제1 기간 동안의 연속된 프레임으로 구성된 다차열 배열을 생성하고, 제1 기간의 연속된 프레임 중 전반부에 해당하는 제2 기간 동안의 프레임을 입력 시퀀스로 구성하고, 후반부에 해당하는 제3 기간 동안의 프레임을 출력 시퀀스로 구성할 수 있다. 이 때, 다차열 배열은, 프레임의 수, 남북 방향의 공간 격자수, 동서 방향의 공간 격자수, 및 입력 변수의 수에 기초하여 생성될 수 있다. 예로서, 12시간 동안 1시간 간격으로 연속된 프레임에서 앞의 6시간 동안의 프레임은 입력 시퀀스로, 뒤의 6시간 동안의 프레임은 출력 시퀀스로 구성하여 학습 데이터(2)를 생성함에 의해, 기준 시점으로부터 예컨대 6시간 이내의 강수 발생을 예측할 수 있다.In addition, the preprocessing module 112 generates a multi-order sequence consisting of consecutive frames during the first period, and configures the frames during the second period corresponding to the first half of the consecutive frames of the first period as an input sequence, Frames during the third period corresponding to the second half can be configured as an output sequence. At this time, the multi-order array can be created based on the number of frames, the number of spatial grids in the north-south direction, the number of spatial grids in the east-west direction, and the number of input variables. For example, in consecutive frames at 1-hour intervals for 12 hours, the frames for the first 6 hours are configured as an input sequence, and the frames for the next 6 hours are configured as an output sequence to generate training data (2), It is possible to predict the occurrence of precipitation within, for example, 6 hours from the time point.

일 실시예로서, 전처리 모듈(112)은 학습 데이터(2)를 구성하는 과정에서 강수와 관련된 수치 데이터의 비대칭성을 해소하기 위해, 하나의 프레임 내에서 강우값이 기준치 이상인 공간 격자수가 소정 비율 이상인 프레임을 샘플링 하여 학습 데이터를 구성할 수 있다.As an embodiment, in order to resolve the asymmetry of numerical data related to precipitation in the process of configuring the learning data 2, the preprocessing module 112 determines that the number of spatial grids in which the rainfall value is greater than the reference value within one frame is greater than a predetermined ratio. You can construct learning data by sampling frames.

학습 모듈(113)은 전처리 모듈(112)에서 전처리가 완료된 학습 데이터(2)를 이용하여 심층 학습을 수행하고, 이로부터 강수 예측 모델(31)을 생성한다. 이 때, 학습을 위해 사용되는 딥 러닝 알고리즘으로서 예컨대 인코더(encoder)와 디코더(decoder)로 구성된 오토 인코더(Auto-encoder) 신경망이 사용될 수 있다. 오토 인코더는, 차원 축소를 위해 특징 학습을 비지도 학습의 형태로 학습하는 신경망으로서, 인코더가 입력 데이터를 받아 차원을 축소하여 특징 값으로 변환하고, 디코더가 특징 값을 출력 데이터로 변환하게 된다. The learning module 113 performs deep learning using the learning data 2 that has been preprocessed in the preprocessing module 112 and generates a precipitation prediction model 31 therefrom. At this time, as a deep learning algorithm used for learning, for example, an auto-encoder neural network consisting of an encoder and a decoder may be used. An autoencoder is a neural network that learns feature learning in the form of unsupervised learning to reduce dimensionality. The encoder receives input data, reduces the dimensionality and converts it into feature values, and the decoder converts the feature values into output data.

예측부(12)는 입력 모듈(121), 전처리 모듈(122), 및 예측 모듈(123)로 구성되고, 사용자 단말(10)로부터 입력되거나 외부 장치로부터 제공되는 예측 대상 데이터를 이용하여 강수 예측 결과를 출력한다. The prediction unit 12 is composed of an input module 121, a preprocessing module 122, and a prediction module 123, and results in precipitation prediction using prediction target data input from the user terminal 10 or provided from an external device. outputs.

입력 모듈(121)에서는 사용자 단말(10) 또는 외부 장치로부터 제공되는 예측 대상 데이터가 입력된다. 이 때, 예측 대상 데이터는, 기준 시점에서의 강우 레이더 합성 영상과, 기상 수치 모델의 역학적 및 열역학적 변수 등과 같은 강우 현황 정보를 포함할 수 있다. In the input module 121, prediction target data provided from the user terminal 10 or an external device is input. At this time, the prediction target data may include rainfall status information such as a rainfall radar composite image at a reference point and dynamic and thermodynamic variables of a numerical meteorological model.

전처리 모듈(122)은 입력 모듈(121)에서 입력된 예측 대상 데이터를 딥 러닝 모델 기반으로 예측이 가능한 형태로 변환한다. 이 때, 예측 대상 데이터의 변환 과정은 학습부(11)의 전처리 모듈(112)에서 수행되는 과정과 동일하다. The preprocessing module 122 converts the prediction target data input from the input module 121 into a form that can be predicted based on a deep learning model. At this time, the conversion process of the prediction target data is the same as the process performed in the preprocessing module 112 of the learning unit 11.

예측 모듈(123)은 학습 모듈(113)에서 생성된 강수 예측 모델(31)을 로드하고, 로드 된 강수 예측 모델(31)에 전처리가 완료된 예측 대상 데이터를 입력하여 강수 예측 결과를 생성한다. The prediction module 123 loads the precipitation prediction model 31 generated in the learning module 113, inputs preprocessed prediction target data into the loaded precipitation prediction model 31, and generates a precipitation prediction result.

또한, 예측 모듈(123)은 학습 모듈(113)에서 생성된 강수 예측 모델(31)의 성능 수치를 로드한다. 강수 예측 모델(31)의 성능 수치는, 심층 학습 과정에서 산출되는 손실 함수(loss function)의 값을 포함할 수 있다. 여기서, 손실 함수는 예컨대 MSE(Mean Squared Error), MAE(Mean Absolute Error), Balanced MSE(Mean Squared Error), Balanced MAE(Mean Absolute Error), 및 SSIM(Scale Structural Similarity) 중 적어도 하나를 사용하여 산출될 수 있다. Additionally, the prediction module 123 loads the performance figures of the precipitation prediction model 31 generated in the learning module 113. The performance value of the precipitation prediction model 31 may include the value of a loss function calculated in a deep learning process. Here, the loss function is calculated using at least one of, for example, Mean Squared Error (MSE), Mean Absolute Error (MAE), Balanced Mean Squared Error (MSE), Balanced Mean Absolute Error (MAE), and Scale Structural Similarity (SSIM). It can be.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 강수 예측 장치(1)는 강수 예측을 위한 학습 과정 및 예측 과정을 모두 수행하는 장치로 구현될 수 있다. 이에 따라, 강수 예측 장치(1)는 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 딥러닝 모델에 적용하여 단기간 내의 강수를 예측할 수 있다. 또한, 강수 예측을 위해 다중 변수 입력 방식을 사용하여 예측의 정확도를 높일 수 있다.The precipitation prediction device 1 according to the embodiment of the present invention as described above can be implemented as a device that performs both a learning process and a prediction process for precipitation prediction. Accordingly, the precipitation prediction device 1 can predict precipitation within a short period of time by applying learning data consisting of continuous frames to a deep learning model. Additionally, the accuracy of prediction can be increased by using a multi-variable input method for precipitation prediction.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 강수 예측 장치의 구성을 도시한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 강수 예측 장치(7)는 예측부(12)를 포함하고, 네트워크를 통해 연결되는 서버(6)와 연결된다. 서버(6)는 학습부(11)를 포함하고, 외부 서버(20)와 네트워크를 통해 연결될 수 있다. Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a precipitation prediction device according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the precipitation prediction device 7 according to an embodiment of the present invention includes a prediction unit 12 and is connected to a server 6 connected through a network. The server 6 includes a learning unit 11 and can be connected to the external server 20 through a network.

도시된 예에서, 서버(6)는 심층 학습을 통해 강수 예측 모델(31)을 생성하는 학습부(11)의 구성을 포함하고, 강수 예측 장치(7)는 서버(6)에서 생성된 강수 예측 모델(31)을 이용하여 입력되는 예측 대상 데이터에 대한 예측 결과를 생성하는 예측부(12)의 구성을 포함한다. 이 때, 서버(6)에 포함된 학습부(11)와 강수 예측 장치(7)에 포함된 예측부(12)는 도 2에 도시된 강수 예측 장치(1)에 포함된 학습부(11)와 예측부(12)에 각각 대응하는 구성이므로, 각 구성이 수행하는 동작에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다. In the illustrated example, the server 6 includes a learning unit 11 that generates a precipitation prediction model 31 through deep learning, and the precipitation prediction device 7 predicts the precipitation generated by the server 6. It includes a prediction unit 12 that generates a prediction result for input prediction target data using the model 31. At this time, the learning unit 11 included in the server 6 and the prediction unit 12 included in the precipitation prediction device 7 are the learning unit 11 included in the precipitation prediction device 1 shown in FIG. Since they are components corresponding to the and prediction units 12, detailed descriptions of the operations performed by each component will be omitted.

서버(6)는 강수 예측을 위한 모델을 생성하는 동작을 수행한다. 서버(6)는 외부 서버(20)로부터 제공되는 강우 레이더 합성 영상과, 기상 수치 모델 데이터를 수집하여 학습 데이터(2)를 구성하고, 이를 이용하여 심층 학습을 수행함에 의해 강수 예측 모델(31)을 생성한다.The server 6 performs an operation to create a model for precipitation prediction. The server 6 collects the rainfall radar synthetic image provided from the external server 20 and the numerical meteorological model data to form learning data 2, and uses this to perform deep learning to create the rainfall prediction model 31. creates .

강수 예측 장치(7)는 사용자로부터 입력되는 강수 예측을 위한 분석 요청을 처리하고, 그 결과를 화면을 통해 제공한다. The precipitation prediction device 7 processes an analysis request for precipitation prediction input from the user and provides the results on the screen.

일 실시예로서, 강수 예측 장치(7)는 강수 예측을 위한 모델의 생성 요청을 서버(6)로 전송하고, 서버(6)에서 생성되는 강수 예측 모델(31)에 관한 정보를 제공받을 수 있다. 강수 예측 장치(7)는 서버(6)로부터 제공된 강수 예측 모델(31)을 이용하여 사용자로부터 입력되는 예측 대상 데이터에 대한 강수 발생의 예측 결과를 생성하고, 이를 화면에 표시할 수 있다. 이 때, 사용자로부터 입력되는 예측 대상 데이터는, 기준 시점에서의 강우 레이더 합성 영상과, 기상 수치 모델의 역학적 및 열역학적 변수 등과 같은 강우 현황 정보를 포함할 수 있다. As an embodiment, the precipitation prediction device 7 may transmit a request for creating a model for precipitation prediction to the server 6 and receive information about the precipitation prediction model 31 generated by the server 6. . The precipitation prediction device 7 may use the precipitation prediction model 31 provided from the server 6 to generate a prediction result of precipitation occurrence for prediction target data input from the user and display the result on the screen. At this time, the prediction target data input from the user may include rainfall status information such as a rainfall radar composite image at a reference point and dynamic and thermodynamic variables of a numerical meteorological model.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 강수 예측 장치(7)는 강수 예측을 위한 예측 과정만을 수행하고, 예측을 위한 모델을 생성하는 학습 과정은 별도의 서버(6)를 통해 수행될 수 있다. 이에 따라, 강수 예측을 위한 학습 과정 및 예측 과정이 서로 다른 장치에서 수행되므로, 강수 발생 정도를 예측함에 있어 지연되는 시간 없이 높은 성능으로 예측 결과를 제공해줄 수 있다. The precipitation prediction device 7 according to the embodiment of the present invention as described above only performs a prediction process for precipitation prediction, and the learning process for generating a model for prediction may be performed through a separate server 6. Accordingly, since the learning process and prediction process for precipitation prediction are performed in different devices, prediction results can be provided with high performance without delay in predicting the degree of precipitation occurrence.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 강수 예측 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 4 to 6 are flowcharts for explaining a precipitation prediction method according to another embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 강수 예측 방법은 컴퓨팅 장치(100)에 의하여 실행될 수 있고, 예컨대 강수 예측 장치(1)에 의해 실행될 수 있다. 본 실시예에 따른 방법을 실행하는 상기 컴퓨팅 장치(100)는 응용 프로그램 실행 환경을 구비한 컴퓨팅 장치일 수 있다. 본 실시예에 따른 방법에 포함되는 일부 동작의 수행 주체에 대한 기재가 생략될 수 있으며, 그러한 경우 그 주체는 상기 컴퓨팅 장치(100)임을 유의한다.The precipitation prediction method according to this embodiment may be executed by the computing device 100, for example, by the precipitation prediction device 1. The computing device 100 that executes the method according to this embodiment may be a computing device equipped with an application execution environment. Note that description of the subject performing some operations included in the method according to this embodiment may be omitted, and in such case, the subject is the computing device 100.

도 4를 참조하면, 먼저, 동작 S41에서, 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터(2)가 생성된다. 여기서, 강우 데이터는, 기상청에서 제공되는 강우 레이더 합성영상으로 마련될 수 있다.Referring to FIG. 4, first, in operation S41, learning data 2 consisting of a series of continuous frames is generated using rainfall data and numerical meteorological model data. Here, rainfall data can be prepared as a rainfall radar composite image provided by the Korea Meteorological Administration.

도 5를 참조하면, 동작 S41은, 강우 레이더 합성영상 및 기상 수치 모델 데이터 간 서로 다른 공간 격자 및 시간 해상도를 일치시키는 동작 S411과, 입력 시퀀스와 출력 시퀀스로 이루어진 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 학습 데이터로 구성하는 동작 S412를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, operation S41 is an operation S411 that matches different spatial grids and temporal resolutions between the rainfall radar synthetic image and the numerical meteorological model data, and generates a multidimensional array consisting of continuous frames consisting of an input sequence and an output sequence. Thus, an operation S412 of configuring learning data may be included.

일 실시예로서, 동작 S411은, 강우 레이더 합성영상을 시간 적분을 통해 시간당 강수량 데이터로 변환하는 동작, 및 기상 수치 모델 데이터를 상기 강우 레이더 합성영상과 동일한 공간 격자 구조로 내삽(interpolation)하는 동작을 포함할 수 있다.As an embodiment, operation S411 includes converting a rainfall radar composite image into hourly rainfall data through time integration, and interpolating numerical meteorological model data into the same spatial grid structure as the rainfall radar composite image. It can be included.

일 실시예로서, 동작 S412는, 제1 기간 동안 소정 간격을 가지는 연속된 프레임 중, 전반부에 해당하는 제2 기간 동안의 프레임을 입력 시퀀스로 구성하고, 후반부에 해당하는 제3 기간 동안의 프레임을 출력 시퀀스로 구성하는 동작을 포함할 수 있다. As an example, operation S412 configures frames during a second period corresponding to the first half as an input sequence among consecutive frames at a predetermined interval during the first period, and frames during a third period corresponding to the second half of the sequence. It can include actions that consist of an output sequence.

예로서, 12시간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 학습 데이터로 구성하되, 다차원 배열은 12 * ny * nx * nvar의 크기를 가지도록 생성될 수 있다 (ny: 남북 방향의 공간 격자수, nx: 동서 방향의 공간 격자수, nvar: 입력 데이터의 종수). 이 때, 12시간의 연속된 프레임 중 앞의 6시간의 프레임은 입력 시퀀스(input sequence)로, 뒤의 6시간의 프레임은 출력 시퀀스(output sequence)로 구성하여, 학습 과정에서는 출력 시퀀스를 모델의 학습 대상으로서 제공하고, 예측 과정에서는 입력 시퀀스를 학습된 모델에 입력하여 출력 시퀀스를 도출해내도록 할 수 있다.As an example, a multidimensional array consisting of 12 hours of continuous frames is configured as learning data, but the multidimensional array can be created to have a size of 12 * n y * n x * n var ( n y: space in the north-south direction Number of grids , n x: Number of spatial grids in the east-west direction, n var: Number of species of input data). At this time, among the 12-hour continuous frames, the first 6-hour frame is composed of an input sequence, and the next 6-hour frame is composed of an output sequence. In the learning process, the output sequence is used as the model's It is provided as a learning target, and in the prediction process, the input sequence can be input into the learned model to derive the output sequence.

일 실시예로서, 동작 S412는, 제1 기간 동안 소정 간격을 가지는 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성함에 있어, 하나의 프레임 내에서 전체 공간 격자수 중 강우값이 기준치 이상인 공간 격자수가 소정 비율 이상인 프레임을 학습 데이터의 샘플로 포함시킬 수 있다.As an embodiment, operation S412 generates learning data consisting of consecutive frames at predetermined intervals during the first period, such that the number of spatial grids with a rainfall value greater than the reference value among the total number of spatial grids within one frame is greater than or equal to a predetermined ratio. Frames can be included as samples in training data.

예로서, 12시간 동안의 연속된 프레임의 각 프레임 내에서 강우값이 10mm/h 이상이 되는 격자수가 ny * nx의 10% 이상이 되는 프레임이 학습 데이터의 샘플로 포함되도록 할 수 있다. 이에 따라, 의미 있는 강수 분포를 가지는 데이터들을 학습에 활용할 수 있다. For example, within each frame of consecutive frames for 12 hours, frames in which the number of grids with a rainfall value of 10 mm/h or more is 10% or more of n y * n x may be included as samples of the learning data. Accordingly, data with meaningful precipitation distribution can be used for learning.

다음으로, 동작 S42에서, 학습 데이터(2)를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망(3)에 적용하여 강수 예측 모델(31)이 생성된다.Next, in operation S42, the precipitation prediction model 31 is generated by applying the learning data 2 to the neural network 3 with an encoder-decoder structure.

도 6을 참조하면, 동작 S42는, 학습 데이터(2)를 이용하여 인코더-디코더 구조의 신경망(3)을 학습시키는 동작 S421과, 생성자(Generator) 및 구분자(Discriminator)로 구성된 생성적 대립 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 인코더-디코더 구조의 신경망(3)에 추가하는 동작 S422, 및 디코더에서 출력되는 예측 정보를 생성자의 출력 정보로 사용하고, 생성자의 출력 정보와 실제 강수 정보를 구분자에 입력하여, 출력 정보에 대한 정확도를 판단하는 동작 S423을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, operation S42 includes operation S421 of learning the neural network 3 of the encoder-decoder structure using learning data 2, and a generative adversarial neural network (Generator) and Discriminator. Operation S422 of adding a Generative Adversarial Network (GAN) to the neural network (3) of the encoder-decoder structure, and using the prediction information output from the decoder as output information of the generator, and inputting the output information of the generator and actual precipitation information into the separator. Thus, an operation S423 of determining the accuracy of the output information may be included.

일 실시예로서, 인코더-디코더 구조의 신경망(3)은 복수의 레이어의 구조를 가지는 인코더(도 9의 부호 '91' 참조)와 디코더(도 9의 부호 '92' 참조)로 구성될 수 있다. 인코더(91) 및 디코더(92)는 예컨대 Conv2D, ConvLSTM2D 등과 같은 컨볼루션(convolution) 연산을 수행하여 데이터의 차원을 축소시키거나 확대시킬 수 있다. 예로서, 학습 데이터(2)를 구성하는 입력 시퀀스를 인코더(91)에 입력하면, 차원이 축소되어 압축된 정보를 가지는 주요 피처들(features)이 추출될 수 있다. 또한, 인코더(91)를 통해 압축된 정보를 디코더(92)에 입력하면, 차원이 확대되어 출력 시퀀스에 부합하는 상세 정보가 출력될 수 있다.As an embodiment, the neural network 3 of the encoder-decoder structure may be composed of an encoder (see symbol '91' in FIG. 9) and a decoder (see symbol '92' in FIG. 9) having a structure of multiple layers. . The encoder 91 and decoder 92 can reduce or enlarge the dimension of data by performing convolution operations such as Conv2D and ConvLSTM2D, for example. For example, when the input sequence constituting the learning data 2 is input to the encoder 91, the dimensionality is reduced and key features having compressed information can be extracted. Additionally, when information compressed through the encoder 91 is input to the decoder 92, the dimension is expanded and detailed information matching the output sequence can be output.

일 실시예로서, 동작 S421은, 인코더-디코더 구조의 신경망(3)의 학습 과정에서 발생되는 오차의 손실을 계산하는 손실 함수(loss function)로서 MSE(Mean Squared Error), MAE(Mean Absolute Error), Balanced MSE(Mean Squared Error), Balanced MAE(Mean Absolute Error), 및 SSIM(Scale Structural Similarity) 중 적어도 하나를 사용하는 동작을 포함할 수 있다. As an embodiment, operation S421 is a loss function that calculates the loss of the error generated during the learning process of the neural network 3 of the encoder-decoder structure, such as MSE (Mean Squared Error) and MAE (Mean Absolute Error). , may include an operation using at least one of Balanced MSE (Mean Squared Error), Balanced MAE (Mean Absolute Error), and SSIM (Scale Structural Similarity).

일 실시예로서, 동작 S421은, 학습 데이터(2)에 포함된 데이터의 종류에 따라 분기한 구조의 신경망을 구성하는 동작을 포함할 수 있다. 예로서, 학습 데이터(2)로서 제공되는 데이터가 레이더 합성영상 및 기상 수치모델 데이터와 같이 데이터의 종류가 상이한 경우, 인코더(91)의 입력 레이어 및 그와 연결된 Conv2D 레이어를 데이터의 종류에 따라 분기한 구조로 구성할 수 있다. As an embodiment, operation S421 may include an operation of configuring a neural network with a branched structure according to the type of data included in the learning data 2. For example, if the data provided as learning data 2 is of different data types, such as radar composite image and weather numerical model data, the input layer of the encoder 91 and the Conv2D layer connected thereto are branched according to the type of data. It can be composed of one structure.

일 실시예로서, 동작 S422는, 인코더-디코더 구조의 신경망(3)을 생성적 대립 신경망(GAN)의 생성자(Generator)로 구성하는 동작을 포함할 수 있다. As an embodiment, operation S422 may include an operation of configuring the encoder-decoder structured neural network 3 as a generator of a generative adversarial network (GAN).

또한, 동작 S423에서, 디코더(92)에서 출력되는 예측 결과를 최종적인 강수 예측 정보로 출력하는 것이 아니라 생성자(Generator)의 출력 정보로서 사용하고, 출력 정보와 함께 실제 강수 정보를 생성적 대립 신경망(GAN)의 구분자(Discriminator)에 입력하여, 출력 정보가 실제 강수 정보에 부합하도록 정확하게 예측된 정보인지, 아니면 부정확하게 예측된 가짜 정보인지 여부가 판별될 수 있다.In addition, in operation S423, the prediction result output from the decoder 92 is not output as the final precipitation prediction information, but is used as output information of the generator, and the actual precipitation information is used together with the output information through a generative adversarial neural network ( By inputting it into the discriminator of GAN, it can be determined whether the output information is accurately predicted information to match the actual precipitation information, or is inaccurately predicted fake information.

일 실시예로서, 동작 S423은, 생성적 대립 신경망(GAN)의 구분자에서 발생되는 손실 값(loss)을 생성자에게 피드백(feedback)하는 동작을 더 포함할 수 있다. 즉, 구분자의 학습 과정에서 발생되는 손실 값을 생성자에게 피드백 하고, 이러한 피드백 과정을 반복적으로 수행함에 의해 생성자(Generator)는 실제 강수 정보에 가까운 예측 정보를 생성할 수 있다.As an embodiment, operation S423 may further include an operation of feeding back a loss value generated from a discriminator of a generative adversarial network (GAN) to the generator. In other words, the loss value generated during the learning process of the classifier is fed back to the generator, and by repeatedly performing this feedback process, the generator can generate prediction information close to actual precipitation information.

마지막으로, 동작 S43에서, 예측 대상 데이터(4)를 강수 예측 모델(31)에 입력하여 강수 예측 정보(5)가 출력된다. 이 때, 예측 대상 데이터(4)는 기준 시점에서의 강우 레이더 합성 영상과, 기상 수치 모델의 역학적 및 열역학적 변수 등을 포함할 수 있다. 강수 예측 정보(5)는 기준 시점으로부터 예컨대 6시간 이후와 같이 초단기 강수 발생 정도를 예측한 결과로서, 예컨대 강수 예측 모델(31)에 의해 예측된 강우 레이더 합성영상을 포함할 수 있다. Finally, in operation S43, the prediction target data 4 is input into the precipitation prediction model 31, and precipitation prediction information 5 is output. At this time, the prediction target data 4 may include a rainfall radar composite image at a reference point, dynamic and thermodynamic variables of a numerical meteorological model, etc. The precipitation prediction information 5 is a result of predicting the occurrence of ultra-short-term precipitation, such as after 6 hours from a reference point, and may include, for example, a rainfall radar composite image predicted by the precipitation prediction model 31.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 방법에 의하면, 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 딥러닝 모델에 적용하여 단기간 내 강수 발생 정도를 예측할 수 있다. 또한, 강수 예측 과정에서 인코더-디코더 신경망에 의한 예측 결과를 생성적 대립 신경망(GAN)에 적용하여 보다 정교한 예측 결과를 얻을 수 있다.According to the method according to the embodiment of the present invention as described above, the degree of precipitation occurrence within a short period of time can be predicted by applying learning data consisting of continuous frames to a deep learning model. Additionally, in the precipitation prediction process, more sophisticated prediction results can be obtained by applying the prediction results from the encoder-decoder neural network to a generative adversarial network (GAN).

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 강수 예측 방법을 설명하기 위한 순서도이다. Figure 7 is a flowchart for explaining a precipitation prediction method according to another embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 강수 예측 방법은 컴퓨팅 장치(100)에 의하여 실행될 수 있고, 예컨대 강수 예측 장치(7)에 의해 실행될 수 있다. 본 실시예에 따른 방법을 실행하는 상기 컴퓨팅 장치(100)는 응용 프로그램 실행 환경을 구비한 컴퓨팅 장치일 수 있다. 본 실시예에 따른 방법에 포함되는 일부 동작의 수행 주체에 대한 기재가 생략될 수 있으며, 그러한 경우 그 주체는 상기 컴퓨팅 장치(100)임을 유의한다.The precipitation prediction method according to this embodiment may be executed by the computing device 100, for example, by the precipitation prediction device 7. The computing device 100 that executes the method according to this embodiment may be a computing device equipped with an application execution environment. Note that description of the subject performing some operations included in the method according to this embodiment may be omitted, and in such case, the subject is the computing device 100.

도 7을 참조하면, 동작 S71에서, 예측 대상 데이터(4)가 강수 예측 모델(31)에 입력되고, 동작 S72에서, 강수 예측 모델(31)로부터 강수 예측 정보(5)가 출력된다. 이 때, 강수 예측 모델(31)은, 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용한 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터(2)를 이용하여 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망(3)을 학습하여 생성된 것일 수 있다.Referring to FIG. 7, in operation S71, prediction target data 4 is input to the precipitation prediction model 31, and in operation S72, precipitation prediction information 5 is output from the precipitation prediction model 31. At this time, the precipitation prediction model 31 uses a neural network 3 with an encoder-decoder structure using learning data 2 consisting of a series of consecutive frames using rainfall data and numerical meteorological model data. It may have been created through learning.

본 실시예에 따른 동작 S71 및 동작 S72는, 예측 과정을 수행하는 강수 예측 장치(7)에 의해 수행되는 것으로, 도 4의 실시예에서 설명한 동작 S43에 대응하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. Operations S71 and S72 according to this embodiment are performed by the precipitation prediction device 7 that performs a prediction process, and correspond to operation S43 described in the embodiment of FIG. 4, so detailed descriptions will be omitted.

도 8은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 학습 데이터의 구성을 도시한 예이다. 도 8을 참조하면, 강수 예측 모델(31)을 생성하기 위해 사용되는 학습 데이터(80)의 구성을 보여준다. Figure 8 is an example showing the structure of learning data according to some embodiments of the present invention. Referring to FIG. 8, it shows the configuration of learning data 80 used to generate the precipitation prediction model 31.

도시된 예에서, 학습 데이터(80)는 12시간 동안 1시간 간격의 연속된 프레임으로 구성된 샘플들을 포함할 수 있다. 이 때, 12시간 동안의 연속된 프레임들 중 앞의 6시간 동안의 복수의 프레임(T-5h, T-4h, T-3h, T-2h, T-1h, T)은 입력 시퀀스(input sequence)(81)로 사용되고, 뒤의 6시간 동안의 복수의 프레임(T+1h, T+2h, T+3h, T+4h, T+5h, T+6h)은 출력 시퀀스(output sequence)(82)로 사용될 수 있다. 이 때, 학습 데이터(80)의 수집 기간 및 프레임의 간격은 데이터 수집 환경과 예측 시점을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다.In the example shown, training data 80 may include samples comprised of consecutive frames spaced 1 hour apart for 12 hours. At this time, among the consecutive frames for 12 hours, a plurality of frames (T-5h, T-4h, T-3h, T-2h, T-1h, T) for the previous 6 hours are input sequences. ) (81), and multiple frames (T+1h, T+2h, T+3h, T+4h, T+5h, T+6h) for the next 6 hours are output sequence (82) ) can be used. At this time, the collection period and frame interval of the learning data 80 can be set variously in consideration of the data collection environment and prediction time.

일 실시예로서, 학습 데이터(80)의 전체 샘플들(s000001, s000002, ??, sn-2, sn-1) 중에서, 전체 공간 격자수 중 강우값이 기준치 이상인 공간 격자수가 소정 비율 이상인 프레임만을 학습 데이터의 샘플로 포함시킬 수 있다.As an example, among all samples (s000001, s000002, ??, sn-2, sn-1) of the learning data 80, only frames in which the number of spatial grids with a rainfall value greater than or equal to the reference value among the total number of spatial grids are greater than a predetermined ratio are selected. It can be included as a sample of learning data.

예로서, 12시간 동안의 연속된 프레임(80)의 각 프레임 내에서 강우값이 10mm/h 이상이 되는 격자수가 ny * nx의 10% 이상이 되는 프레임이 학습 데이터의 샘플로 포함되도록 할 수 있다 (ny: 남북 방향의 공간 격자수, nx: 동서 방향의 공간 격자수). 이에 따라, 의미 있는 강수 분포를 가지는 데이터들 만을 학습 데이터(80)의 샘플로 포함하여 학습에 활용할 수 있다. As an example, within each frame of 80 consecutive frames for 12 hours, the number of grids with a rainfall value of 10 mm/h or more is 10% or more of n y * n x so that the frames are included as samples of the learning data. (n y: number of spatial grids in the north-south direction , n x: number of spatial grids in the east-west direction). Accordingly, only data with a meaningful precipitation distribution can be included as samples of the learning data 80 and used for learning.

도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 학습을 위한 인코더-디코더 신경망 구조를 도시한 예이다. 도 9를 참조하면, 학습 데이터(80)을 이용한 심층 학습을 수행하기 위해, 인코더(91) 및 디코더(92)를 포함하는 오토 인코더(Auto-encoder) 구조의 신경망이 사용될 수 있다. Figure 9 is an example illustrating an encoder-decoder neural network structure for learning according to some embodiments of the present invention. Referring to FIG. 9, in order to perform deep learning using the training data 80, a neural network with an auto-encoder structure including an encoder 91 and a decoder 92 may be used.

도시된 예에서, 인코더(91) 및 디코더(92)는 Conv2D과 ConvLSTM2D 등으로 이루어진 3개의 레이어(layer)로 구성될 수 있다. Conv2D과 ConvLSTM2D는 서로 다른 컨볼루션 연산 방식을 가지고, 입력되는 데이터의 차원을 축소하거나 확대할 수 있다. In the example shown, the encoder 91 and decoder 92 may be composed of three layers including Conv2D and ConvLSTM2D. Conv2D and ConvLSTM2D have different convolution operation methods and can reduce or enlarge the dimension of input data.

일 실시예로서, 인코더(91)는 입력 시퀀스(81)에 해당하는 레이더 합성영상(93)을 입력 받아 차원을 축소하는 압축 과정을 거치고, 이를 통해 주요 피처들(feature)을 추출할 수 있다. 디코더(92)는 인코더(91)를 통해 압축된 정보의 차원을 확대하는 복원 과정을 거치고, 이를 통해 출력 시퀀스(82)에 부합하는 상세 정보를 재구성하여 예측 레이더 합성영상(94)를 출력할 수 있다.As an embodiment, the encoder 91 receives the radar composite image 93 corresponding to the input sequence 81 and undergoes a compression process to reduce the dimension, thereby extracting main features. The decoder 92 goes through a restoration process that expands the dimension of the compressed information through the encoder 91, and through this, the detailed information matching the output sequence 82 can be reconstructed to output the predictive radar composite image 94. there is.

일 실시예로서, 인코더(91) 및 디코더(92)로 구성된 오토 인코더 신경망을 학습하는 과정에서, 최적의 가중치를 찾아내기 위해 예측 값과 실제 값의 차이인 오차의 손실을 계산하는 손실 함수(loss function)가 사용될 수 있다. 특히, 강수 예측을 위해 사용되는 강수량 데이터는 비대칭적 분포를 가지기 때문에 이를 고려한 손실 함수를 사용해야 한다. As an embodiment, in the process of learning an auto-encoder neural network consisting of the encoder 91 and the decoder 92, a loss function (loss) that calculates the loss of the error, which is the difference between the predicted value and the actual value, is used to find the optimal weight. function) can be used. In particular, since the precipitation data used for precipitation prediction has an asymmetric distribution, a loss function that takes this into account must be used.

예로서, 도 10을 참조하면, 손실 함수로서, MSE(Mean Squared Error), MAE(Mean Absolute Error), BMSE(Balanced Mean Squared Error)(1010), BMAE(Balanced Mean Absolute Error)(1020), 및 SSIM(Scale Structural Similarity)(1030) 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 또한, 손실 함수로서, BMSE(1010)과 BMAE(1020)의 조합(1040)이 사용되거나, BMSE(1010), BMAE(1020), 및 SSIM(1030)의 조합인 BALL(1050)이 사용될 수도 있다. 이와 같이, 여러 종류의 손실 함수를 조합하여 사용하는 경우 경험적 실험을 통해 각 항의 비율이 조정될 수 있다.As an example, referring to Figure 10, the loss functions include Mean Squared Error (MSE), Mean Absolute Error (MAE), Balanced Mean Squared Error (BMSE) (1010), Balanced Mean Absolute Error (BMAE) (1020), and At least one of SSIM (Scale Structural Similarity) 1030 may be used. Additionally, as a loss function, a combination 1040 of BMSE (1010) and BMAE (1020) may be used, or BALL (1050), which is a combination of BMSE (1010), BMAE (1020), and SSIM (1030), may be used. . In this way, when several types of loss functions are used in combination, the ratio of each term can be adjusted through empirical experiments.

일 실시예로서, 인코더(91) 및 디코더(92)로 구성된 오토 인코더 신경망을 학습하는 과정에서, 학습 데이터(2)에 포함된 데이터의 종류에 따라 분기한 구조의 신경망을 구성할 수 있다.As an embodiment, in the process of learning an auto-encoder neural network composed of the encoder 91 and the decoder 92, a neural network with a branched structure can be constructed according to the type of data included in the learning data 2.

예로서, 도 11을 참조하면, 학습 데이터(2)로서 제공되는 데이터가 레이더 합성영상(1110), 전구 기상 수치모델 데이터(1120), 지역 기상 수치모델 데이터(1130)와 같이 데이터의 종류가 상이한 경우, 각각의 데이터의 종류(1110, 1120, 1130)에 따라 인코더(91)의 입력 레이어 및 그와 연결된 Conv2D 레이어를 분기한 구조로 신경망을 구성할 수 있다.As an example, referring to FIG. 11, the data provided as learning data 2 is of different types such as radar composite image 1110, global weather numerical model data 1120, and local weather numerical model data 1130. In this case, a neural network can be constructed in a structure in which the input layer of the encoder 91 and the Conv2D layer connected thereto are branched according to each type of data (1110, 1120, 1130).

도 12는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 인코더-디코더 신경망에 생성적 대립 신경망(GAN)을 추가 구성으로 적용하는 예이다. 도 12를 참조하면, 인코더(1211) 및 디코더(1212)로 구성된 오토 인코더 신경망에 생성자(Generator)(1210) 및 구분자(Discriminator)(1220)로 구성된 생성적 대립 신경망(GAN)을 추가 구성으로 적용하여 강수 예측 모델(31)을 생성할 수 있다.Figure 12 is an example of applying a generative adversarial network (GAN) as an additional configuration to the encoder-decoder neural network according to some embodiments of the present invention. Referring to FIG. 12, a generative adversarial network (GAN) consisting of a generator 1210 and a discriminator 1220 is applied as an additional configuration to an auto-encoder neural network consisting of an encoder 1211 and a decoder 1212. Thus, the precipitation prediction model 31 can be created.

도시된 예에서, 생성자(1210)는 인코더(1211) 및 디코더(1212)의 구성을 포함하고, 디코더(1212)에서 출력되는 예측 결과를 생성자(1210)의 출력 정보(1213)로 사용할 수 있다. In the illustrated example, the generator 1210 includes an encoder 1211 and a decoder 1212, and the prediction result output from the decoder 1212 can be used as output information 1213 of the generator 1210.

구분자(1220)는 생성자(1210)의 출력 정보(1213)와 실제 강수 정보(1221)가 입력되면, 출력 정보(1213)가 실제 강수 정보(1221)에 부합하도록 정확하게 예측된 정보인지, 아니면 부정확하게 예측된 가짜 정보인지 여부를 판별할 수 있다.When the output information 1213 of the generator 1210 and the actual precipitation information 1221 are input, the separator 1220 determines whether the output information 1213 is accurately predicted information to match the actual precipitation information 1221, or is incorrectly predicted. It is possible to determine whether it is predicted fake information.

일 실시예로서, 구분자(1220)는 학습 과정에서 발생되는 손실 값(loss)(1222)을 생성자(1210)에게 피드백 하고, 이러한 피드백 과정을 반복적으로 수행함에 의해 생성자(1210)는 실제 강수 정보(1221)에 가까운 출력 정보(1213)를 생성할 수 있다. As an embodiment, the separator 1220 feeds back the loss 1222 generated during the learning process to the generator 1210, and by repeatedly performing this feedback process, the generator 1210 generates actual precipitation information ( Output information 1213 close to 1221) can be generated.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 강수 예측 모델을 생성함에 있어, 생성적 대립 신경망(GAN)을 인코더-디코더 구조의 신경망에 추가함에 의해, 인코더-디코더 구조의 신경망 하나만을 사용하는 경우에 비해 보다 더 정교한 예측이 가능해질 수 있다. According to the embodiment of the present invention as described above, in generating a precipitation prediction model, by adding a generative adversarial network (GAN) to the neural network of the encoder-decoder structure, in the case of using only the neural network of the encoder-decoder structure, More sophisticated predictions may become possible.

도 13은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 학습 검증을 위한 통계 지표를 활용하는 예이다. 도 13을 참조하면, 학습 데이터(2)를 구성 시 학습을 위한 샘플 데이터(sample data) 외에, 학습 검증을 위한 검증 데이터(test data)를 별도로 마련해 두고, 입력 시퀀스를 이용하여 예측된 결과를 실제 관측된 결과와 비교하여 학습의 타당성 여부를 판단할 수 있다.Figure 13 is an example of using statistical indicators for learning verification according to some embodiments of the present invention. Referring to FIG. 13, when configuring learning data 2, in addition to sample data for learning, test data for learning verification is separately prepared, and the predicted result using the input sequence is actually used. The validity of learning can be judged by comparing it with observed results.

도시된 예에서, 인코더-디코더 구조의 신경망의 학습 검증을 위해, 검증 데이터를 이용하여 예측을 수행하고, 그 과정에서 신경망에 적용된 손실 함수(loss function)에 따라 달리 학습된 신경망들의 예측 결과를 그래프 상에서 예측 시간대별(F01, F02, F03, F04, F05, F06)로 제공할 수 있다. 이 때, 손실 함수로서, MSE(Mean Squared Error), MAE(Mean Absolute Error), BMSE(1010), BMAE(1020), 및 SSIM(1030) 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.In the example shown, to verify the learning of a neural network with an encoder-decoder structure, prediction is performed using verification data, and in the process, the prediction results of neural networks learned differently according to the loss function applied to the neural network are graphed. In the above, predictions can be provided by time slot (F01, F02, F03, F04, F05, F06). At this time, as the loss function, at least one of MSE (Mean Squared Error), MAE (Mean Absolute Error), BMSE (1010), BMAE (1020), and SSIM (1030) may be used.

이와 같이, 그래프 상에서 예측 시간대별로 예측 결과를 제공함에 의해, 예측 시간대별로 손실 함수의 구성에 따른 신경망의 예측 성능이 판단될 수 있다. 이 때, 예측 결과로서는 CSI, POD, FAR, BIAS, RMSE 등과 같은 통계 지표를 제시하여 학습 검증을 위한 판단 기준을 제공할 수 있다. In this way, by providing prediction results for each prediction time period on a graph, the prediction performance of the neural network according to the configuration of the loss function for each prediction time period can be determined. At this time, statistical indicators such as CSI, POD, FAR, BIAS, RMSE, etc. can be presented as prediction results to provide a judgment standard for learning verification.

도 14는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 방법들을 구현할 수 있는 예시적인 컴퓨팅 장치의 하드웨어 구성도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅 장치(100)는 하나 이상의 프로세서(101), 버스(107), 네트워크 인터페이스(102), 프로세서(101)에 의하여 수행되는 컴퓨터 프로그램(105)을 로드(load)하는 메모리(103)와, 컴퓨터 프로그램(105)를 저장하는 스토리지(104)를 포함할 수 있다. 다만, 도 14에는 본 발명의 실시예와 관련 있는 구성요소들 만이 도시되어 있다. 따라서, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 기술자라면 도 14에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 더 포함될 수 있음을 알 수 있다. Figure 14 is a hardware configuration diagram of an example computing device capable of implementing methods according to some embodiments of the present invention. As shown in FIG. 14, the computing device 100 loads one or more processors 101, a bus 107, a network interface 102, and a computer program 105 performed by the processor 101. It may include a memory 103 that stores a computer program 105 and a storage 104 that stores a computer program 105. However, only components related to the embodiment of the present invention are shown in Figure 14. Accordingly, anyone skilled in the art to which the present invention pertains can recognize that other general-purpose components may be included in addition to the components shown in FIG. 14.

프로세서(101)는 컴퓨팅 장치(100)의 각 구성의 전반적인 동작을 제어한다. 프로세서(101)는 CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 또는 본 발명의 기술 분야에 잘 알려진 임의의 형태의 프로세서 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 프로세서(101)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 방법/동작을 실행하기 위한 적어도 하나의 애플리케이션 또는 프로그램에 대한 연산을 수행할 수 있다. 컴퓨팅 장치(100)는 하나 이상의 프로세서를 구비할 수 있다.The processor 101 controls the overall operation of each component of the computing device 100. The processor 101 includes at least one of a Central Processing Unit (CPU), Micro Processor Unit (MPU), Micro Controller Unit (MCU), Graphic Processing Unit (GPU), or any type of processor well known in the art of the present invention. It can be configured to include. Additionally, the processor 101 may perform operations on at least one application or program to execute methods/operations according to various embodiments of the present invention. Computing device 100 may include one or more processors.

메모리(103)는 각종 데이터, 명령 및/또는 정보를 저장한다. 메모리(103)는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 방법/동작들을 실행하기 위하여 스토리지(104)로부터 하나 이상의 프로그램(105)을 로드(load) 할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 프로그램(105)이 메모리(103)에 로드 되면, 로직(또는 모듈)이 메모리(103) 상에 구현될 수 있다. 메모리(103)의 예시는 RAM이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The memory 103 stores various data, instructions and/or information. The memory 103 may load one or more programs 105 from the storage 104 to execute methods/operations according to various embodiments of the present invention. For example, when the computer program 105 is loaded into memory 103, logic (or modules) may be implemented on memory 103. An example of the memory 103 may be RAM, but is not limited thereto.

버스(107)는 컴퓨팅 장치(100)의 구성 요소 간 통신 기능을 제공한다. 버스(107)는 주소 버스(Address Bus), 데이터 버스(Data Bus) 및 제어 버스(Control Bus) 등 다양한 형태의 버스로 구현될 수 있다.Bus 107 provides communication functionality between components of computing device 100. The bus 107 may be implemented as various types of buses, such as an address bus, a data bus, and a control bus.

네트워크 인터페이스(102)는 컴퓨팅 장치(100)의 유무선 인터넷 통신을 지원한다. 네트워크 인터페이스(102)는 인터넷 통신 외의 다양한 통신 방식을 지원할 수도 있다. 이를 위해, 네트워크 인터페이스(102)는 본 발명의 기술 분야에 잘 알려진 통신 모듈을 포함하여 구성될 수 있다.The network interface 102 supports wired and wireless Internet communication of the computing device 100. The network interface 102 may support various communication methods other than Internet communication. To this end, the network interface 102 may be configured to include a communication module well known in the art of the present invention.

스토리지(104)는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램(105)을 비임시적으로 저장할 수 있다. 스토리지(104)는 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리, 하드 디스크, 착탈형 디스크, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 임의의 형태의 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 포함하여 구성될 수 있다. Storage 104 may non-transitory store one or more computer programs 105. The storage 104 may include non-volatile memory such as flash memory, a hard disk, a removable disk, or any type of computer-readable recording medium well known in the art to which the present invention pertains.

컴퓨터 프로그램(105)은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 방법/동작들이 구현된 하나 이상의 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다. 컴퓨터 프로그램(105)이 메모리(103)에 로드 되면, 프로세서(101)는 상기 하나 이상의 인스트럭션들을 실행시킴으로써 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 방법/동작들을 수행할 수 있다.The computer program 105 may include one or more instructions implementing methods/operations according to various embodiments of the present invention. When the computer program 105 is loaded into the memory 103, the processor 101 can perform methods/operations according to various embodiments of the present invention by executing the one or more instructions.

예를 들어, 컴퓨터 프로그램(105)은 외부 서버로부터 수집된 강우 데이터 및 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하는 동작, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 동작, 및 예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하여 강수 예측 정보를 출력하는 동작을 수행하기 위한 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다. For example, the computer program 105 includes an operation of generating learning data consisting of a series of consecutive frames using rainfall data and numerical meteorological model data collected from an external server, and an encoder-decoder operation of the learning data. ) may include instructions for generating a precipitation prediction model by applying it to a neural network, and inputting prediction target data into the precipitation prediction model to output precipitation prediction information.

지금까지 도 1 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들 및 그 실시예들에 따른 효과들을 언급하였다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.So far, various embodiments of the present invention and effects according to the embodiments have been mentioned with reference to FIGS. 1 to 14. The effects according to the technical idea of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

지금까지 설명된 본 발명의 기술적 사상은 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체 상에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는, 예를 들어 이동형 기록 매체(CD, DVD, 블루레이 디스크, USB 저장 장치, 이동식 하드 디스크)이거나, 고정식 기록 매체(ROM, RAM, 컴퓨터 구비 형 하드 디스크)일 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록된 상기 컴퓨터 프로그램은 인터넷 등의 네트워크를 통하여 다른 컴퓨팅 장치에 전송되어 상기 다른 컴퓨팅 장치에 설치될 수 있고, 이로써 상기 다른 컴퓨팅 장치에서 사용될 수 있다.The technical idea of the present invention described so far can be implemented as computer-readable code on a computer-readable medium. The computer-readable recording medium may be, for example, a removable recording medium (CD, DVD, Blu-ray disk, USB storage device, removable hard disk) or a fixed recording medium (ROM, RAM, computer-equipped hard disk). You can. The computer program recorded on the computer-readable recording medium can be transmitted to another computing device through a network such as the Internet, installed on the other computing device, and thus used on the other computing device.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.In the above, even though all the components constituting the embodiments of the present invention have been described as being combined or operated in combination, the technical idea of the present invention is not necessarily limited to these embodiments. That is, as long as it is within the scope of the purpose of the present invention, all of the components may be operated by selectively combining one or more of them.

도면에서 동작들이 특정한 순서로 도시되어 있지만, 반드시 동작들이 도시된 특정한 순서로 또는 순차적 순서로 실행되어야만 하거나 또는 모든 도시 된 동작들이 실행되어야만 원하는 결과를 얻을 수 있는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 상황에서는, 멀티태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수도 있다. 더욱이, 위에 설명한 실시예들에서 다양한 구성들의 분리는 그러한 분리가 반드시 필요한 것으로 이해되어서는 안 되고, 설명된 프로그램 컴포넌트들 및 시스템들은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다수의 소프트웨어 제품으로 패키지 될 수 있음을 이해하여야 한다.Although operations are shown in the drawings in a specific order, it should not be understood that the operations must be performed in the specific order shown or sequential order or that all illustrated operations must be performed to obtain the desired results. In certain situations, multitasking and parallel processing may be advantageous. Moreover, the separation of the various components in the embodiments described above should not be construed as necessarily requiring such separation, and the program components and systems described may generally be integrated together into a single software product or packaged into multiple software products. You must understand that it exists.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 발명이 다른 구체적인 형태로도 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 의해 정의되는 기술적 사상의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the attached drawings, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features. I can understand that there is. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of protection of the present invention shall be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope shall be construed as being included in the scope of rights of the technical ideas defined by the present invention.

Claims (18)

컴퓨팅 장치에 의해 수행되는 방법에 있어서,
레이더 합성영상 데이터, 전구 기상 수치모델 데이터, 및 지역 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하는 단계;
상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계; 및
예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하여 강수 예측 정보를 출력하는 단계를 포함하고,
상기 강수 예측 모델을 생성하는 단계는,
상기 학습 데이터에 포함된 데이터의 종류에 따라 상기 인코더의 입력 레이어 및 상기 입력 레이어와 연결된 컨볼루션 레이어를 분기하여 구성하는 단계를 포함하고,
상기 입력 레이어는, 상기 레이더 합성영상 데이터에 대응하는 제1 입력 레이어, 상기 전구 기상 수치모델 데이터에 대응하는 제2 입력 레이어, 및 상기 지역 기상 수치 모델 데이터에 대응하는 제3 입력 레이어로 분기되고,
상기 컨볼루션 레이어는, 상기 제1 입력 레이어와 연결된 제1 컨볼루션 레이어, 상기 제2 입력 레이어와 연결된 제2 컨볼루션 레이어, 및 상기 제3 입력 레이어와 연결된 제3 컨볼루션 레이어로 분기되는,
강수 예측 방법.
In a method performed by a computing device,
Generating learning data consisting of a series of continuous frames using radar synthetic image data, global numerical meteorological model data, and local numerical meteorological model data;
Generating a precipitation prediction model by applying the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure; and
Including the step of inputting prediction target data into the precipitation prediction model and outputting precipitation prediction information,
The step of generating the precipitation prediction model is,
Comprising the step of branching and configuring an input layer of the encoder and a convolution layer connected to the input layer according to the type of data included in the learning data,
The input layer is branched into a first input layer corresponding to the radar composite image data, a second input layer corresponding to the global numerical meteorological model data, and a third input layer corresponding to the local numerical meteorological model data,
The convolutional layer is branched into a first convolutional layer connected to the first input layer, a second convolutional layer connected to the second input layer, and a third convolutional layer connected to the third input layer,
How to predict precipitation.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 레이더 합성영상 데이터, 전구 기상 수치모델 데이터, 및 지역 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하는 단계는,
상기 레이더 합성영상 데이터, 전구 기상 수치모델 데이터, 및 지역 기상 수치 모델 데이터 간 서로 다른 공간 격자 및 시간 해상도를 일치시키는 단계를 포함하는,
강수 예측 방법.
According to claim 1,
The step of generating learning data consisting of a series of consecutive frames using the radar composite image data, global weather numerical model data, and local weather numerical model data,
Comprising the step of matching different spatial grids and temporal resolutions between the radar composite image data, global numerical meteorological model data, and local numerical meteorological model data,
How to predict precipitation.
제3 항에 있어서,
상기 레이더 합성영상 데이터, 전구 기상 수치모델 데이터, 및 지역 기상 수치 모델 데이터 간 서로 다른 공간 격자 및 시간 해상도를 일치시키는 단계는,
상기 레이더 합성영상 데이터를 시간 적분을 통해 시간당 강수량 데이터로 변환하는 단계; 및
상기 전구 기상 수치모델 데이터 및 지역 기상 수치 모델 데이터를 상기 레이더 합성영상 데이터와 동일한 공간 격자 구조로 내삽(interpolation)하는 단계를 포함하는,
강수 예측 방법.
According to clause 3,
The step of matching different spatial grids and temporal resolutions between the radar composite image data, global numerical meteorological model data, and local numerical meteorological model data,
Converting the radar composite image data into hourly precipitation data through time integration; and
Comprising the step of interpolating the global weather numerical model data and the local weather numerical model data into the same spatial grid structure as the radar composite image data,
How to predict precipitation.
제1 항에 있어서,
상기 레이더 합성영상 데이터, 전구 기상 수치모델 데이터, 및 지역 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하는 단계는,
제1 기간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 학습 데이터로 구성하는 단계를 포함하고,
상기 다차원 배열은, 프레임수, 공간 격자수, 및 입력 변수의 수에 기초하여 생성되는,
강수 예측 방법.
According to claim 1,
The step of generating learning data consisting of a series of consecutive frames using the radar composite image data, global weather numerical model data, and local weather numerical model data,
Generating a multidimensional array consisting of consecutive frames of a first period and constructing it as training data,
The multidimensional array is generated based on the number of frames, the number of spatial grids, and the number of input variables,
How to predict precipitation.
제5 항에 있어서,
상기 제1 기간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 학습 데이터로 구성하는 단계는,
전체 공간 격자수 중 강우값이 기준치 이상인 공간 격자수가 소정 비율 이상인 프레임을 학습 데이터로 사용하는 단계를 포함하는,
강수 예측 방법.
According to clause 5,
The step of generating a multidimensional array composed of consecutive frames of the first period and configuring it as learning data includes:
Including the step of using as learning data frames in which the number of spatial grids in which the rainfall value is greater than or equal to the reference value is more than a predetermined ratio among the total number of spatial grids,
How to predict precipitation.
제5 항에 있어서,
상기 제1 기간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 학습 데이터로 구성하는 단계는,
상기 제1 기간의 연속된 프레임 중 전반부에 해당하는 제2 기간의 프레임을 입력 시퀀스로 구성하고, 후반부에 해당하는 제3 기간의 프레임을 출력 시퀀스로 구성하는 단계를 포함하는,
강수 예측 방법.
According to clause 5,
The step of generating a multidimensional array composed of consecutive frames of the first period and configuring it as learning data includes:
Comprising the step of configuring frames of a second period corresponding to the first half of the consecutive frames of the first period as an input sequence, and configuring frames of a third period corresponding to the second half of the continuous frames as an output sequence,
How to predict precipitation.
제7 항에 있어서,
상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계는,
상기 입력 시퀀스를 상기 인코더를 통해 압축하여 피처들(features)을 추출하는 단계; 및
상기 압축된 피처들을 상기 디코더를 통해 상기 출력 시퀀스에 부합하는 상세 정보로 복원하는 단계를 포함하는,
강수 예측 방법.
According to clause 7,
The step of generating a precipitation prediction model by applying the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure,
extracting features by compressing the input sequence through the encoder; and
Recovering the compressed features through the decoder into detailed information consistent with the output sequence,
How to predict precipitation.
제1 항에 있어서,
상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계는,
상기 신경망을 학습하는 과정에서 손실 함수(loss function)로서 MSE(Mean Squared Error), MAE(Mean Absolute Error), Balanced MSE(Mean Squared Error), Balanced MAE(Mean Absolute Error), 및 SSIM(Scale Structural Similarity) 중 적어도 하나를 사용하는 단계를 포함하는,
강수 예측 방법.
According to claim 1,
The step of generating a precipitation prediction model by applying the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure,
In the process of learning the neural network, the loss functions include MSE (Mean Squared Error), MAE (Mean Absolute Error), Balanced MSE (Mean Squared Error), Balanced MAE (Mean Absolute Error), and SSIM (Scale Structural Similarity). ) Comprising the step of using at least one of,
How to predict precipitation.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 단계는,
생성자(Generator) 및 구분자(Discriminator)로 구성된 생성적 대립 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 상기 인코더-디코더 구조의 신경망에 추가하는 단계를 포함하는,
강수 예측 방법.
According to claim 1,
The step of generating a precipitation prediction model by applying the learning data to a neural network with an encoder-decoder structure,
Comprising the step of adding a generative adversarial network (GAN) consisting of a generator and a discriminator to the neural network of the encoder-decoder structure,
How to predict precipitation.
제11 항에 있어서,
상기 생성자(Generator) 및 상기 구분자(Discriminator)로 구성된 생성적 대립 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 상기 인코더-디코더 구조의 신경망에 추가하는 단계는,
상기 디코더에서 출력되는 예측 정보를 상기 생성자의 출력 정보로 사용하는 단계; 및
상기 생성자의 출력 정보와 실제 강수 정보를 상기 구분자에 입력하여, 상기 출력 정보에 대한 정확도를 판단하는 단계를 포함하는,
강수 예측 방법.
According to claim 11,
The step of adding a generative adversarial network (GAN) consisting of the generator and the discriminator to the neural network of the encoder-decoder structure,
Using prediction information output from the decoder as output information of the generator; and
Including the step of inputting the output information of the generator and actual precipitation information into the separator, and determining the accuracy of the output information,
How to predict precipitation.
컴퓨터로 하여금 제1 항, 제3 항 내지 제9 항, 제 11항 및 제12 항 중 어느 한 항의 강수 예측 방법을 수행하도록 하는 컴퓨터 프로그램이 저장된,
컴퓨터 판독 가능한 비일시적 기록 매체.
A computer program is stored that causes a computer to perform the precipitation prediction method of any one of claims 1, 3 to 9, 11, and 12,
A non-transitory computer-readable recording medium.
컴퓨팅 장치에 의해 수행되는 방법에 있어서,
서버로부터 강수 예측 모델에 관한 정보를 수신하는 단계;
사용자 입력에 의해 예측 대상 데이터를 획득하는 단계;
상기 예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하는 단계; 및
상기 강수 예측 모델로부터 강수 예측 정보를 출력하는 단계를 포함하고,
상기 강수 예측 모델은, 레이더 합성영상 데이터, 전구 기상 수치모델 데이터, 및 지역 기상 수치 모델 데이터를 이용한 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 이용하여 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망을 학습하여 생성된 것이고,
상기 강수 예측 모델은, 상기 학습 데이터에 포함된 데이터의 종류에 따라 상기 인코더의 입력 레이어 및 상기 입력 레이어와 연결된 컨볼루션 레이어를 분기하여 구성되고,
상기 입력 레이어는, 상기 레이더 합성영상 데이터에 대응하는 제1 입력 레이어, 상기 전구 기상 수치모델 데이터에 대응하는 제2 입력 레이어, 및 상기 지역 기상 수치 모델 데이터에 대응하는 제3 입력 레이어로 분기되고,
상기 컨볼루션 레이어는, 상기 제1 입력 레이어와 연결된 제1 컨볼루션 레이어, 상기 제2 입력 레이어와 연결된 제2 컨볼루션 레이어, 및 상기 제3 입력 레이어와 연결된 제3 컨볼루션 레이어로 분기되는,
강수 예측 방법.
In a method performed by a computing device,
Receiving information about a precipitation prediction model from a server;
Obtaining prediction target data by user input;
Inputting the prediction target data into the precipitation prediction model; and
Comprising the step of outputting precipitation prediction information from the precipitation prediction model,
The precipitation prediction model learns a neural network with an encoder-decoder structure using training data consisting of a series of consecutive frames using radar composite image data, global numerical weather model data, and local numerical weather model data. It was created by
The precipitation prediction model is constructed by branching the input layer of the encoder and the convolution layer connected to the input layer according to the type of data included in the learning data,
The input layer is branched into a first input layer corresponding to the radar composite image data, a second input layer corresponding to the global numerical meteorological model data, and a third input layer corresponding to the local numerical meteorological model data,
The convolutional layer is branched into a first convolutional layer connected to the first input layer, a second convolutional layer connected to the second input layer, and a third convolutional layer connected to the third input layer,
How to predict precipitation.
제14 항에 있어서,
상기 학습 데이터는, 제1 기간의 연속된 프레임으로 구성된 다차원 배열을 생성하여 구성되고,
상기 다차원 배열은, 프레임수, 공간 격자수, 및 입력 변수의 수에 기초하여 생성되는,
강수 예측 방법.
According to claim 14,
The training data is constructed by generating a multidimensional array consisting of consecutive frames of a first period,
The multidimensional array is generated based on the number of frames, the number of spatial grids, and the number of input variables,
How to predict precipitation.
제14 항에 있어서,
상기 강수 예측 모델은, 생성자(Generator) 및 구분자(Discriminator)로 구성된 생성적 대립 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 상기 인코더-디코더 구조의 신경망에 추가하여 학습함에 의해 생성된 것인,
강수 예측 방법.
According to claim 14,
The precipitation prediction model is generated by learning by adding a generative adversarial network (GAN) consisting of a generator and a discriminator to the neural network of the encoder-decoder structure,
How to predict precipitation.
외부 서버와 통신하는 통신부;
상기 외부 서버로부터 수집된 레이더 합성영상 데이터, 전구 기상 수치모델 데이터, 및 지역 기상 수치 모델 데이터를 이용하여 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 생성하고, 상기 학습 데이터를 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망에 적용하여 강수 예측 모델을 생성하는 학습부; 및
예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하여 강수 예측 정보를 출력하는 예측부를 포함하고,
상기 학습부는, 상기 강수 예측 모델을 생성함에 있어, 상기 학습 데이터에 포함된 데이터의 종류에 따라 상기 인코더의 입력 레이어 및 상기 입력 레이어와 연결된 컨볼루션 레이어를 분기하여 구성하고,
상기 입력 레이어는, 상기 레이더 합성영상 데이터에 대응하는 제1 입력 레이어, 상기 전구 기상 수치모델 데이터에 대응하는 제2 입력 레이어, 및 상기 지역 기상 수치 모델 데이터에 대응하는 제3 입력 레이어로 분기되고,
상기 컨볼루션 레이어는, 상기 제1 입력 레이어와 연결된 제1 컨볼루션 레이어, 상기 제2 입력 레이어와 연결된 제2 컨볼루션 레이어, 및 상기 제3 입력 레이어와 연결된 제3 컨볼루션 레이어로 분기되는,
강수 예측 장치.
A communication unit that communicates with an external server;
Using the radar composite image data, global weather numerical model data, and local weather numerical model data collected from the external server, learning data consisting of a series of continuous frames is generated, and the learning data is sent to an encoder-decoder. ) A learning unit that generates a precipitation prediction model by applying it to a neural network of the structure; and
A prediction unit that inputs prediction target data into the precipitation prediction model and outputs precipitation prediction information,
In generating the precipitation prediction model, the learning unit branches and configures an input layer of the encoder and a convolutional layer connected to the input layer according to the type of data included in the learning data,
The input layer is branched into a first input layer corresponding to the radar composite image data, a second input layer corresponding to the global numerical meteorological model data, and a third input layer corresponding to the local numerical meteorological model data,
The convolutional layer is branched into a first convolutional layer connected to the first input layer, a second convolutional layer connected to the second input layer, and a third convolutional layer connected to the third input layer,
Precipitation prediction device.
하나 이상의 프로세서;
외부장치와 통신하는 통신 인터페이스;
상기 프로세서에 의하여 수행되는 컴퓨터 프로그램을 로드(load)하는 메모리; 및
상기 컴퓨터 프로그램을 저장하는 스토리지를 포함하되,
상기 컴퓨터 프로그램은,
상기 외부장치로부터 강수 예측 모델에 관한 정보를 수신하는 동작,
사용자 입력에 의해 예측 대상 데이터를 획득하는 동작,
상기 예측 대상 데이터를 상기 강수 예측 모델에 입력하는 동작, 및
상기 강수 예측 모델로부터 강수 예측 정보를 출력하는 동작을 수행하기 위한 인스트럭션들(instructions)을 포함하고,
상기 강수 예측 모델은, 레이더 합성영상 데이터, 전구 기상 수치모델 데이터, 및 지역 기상 수치 모델 데이터를 이용한 일련의 연속된 프레임으로 구성된 학습 데이터를 이용하여 인코더-디코더(encoder-decoder) 구조의 신경망을 학습하여 생성된 것이고,
상기 강수 예측 모델은, 상기 학습 데이터에 포함된 데이터의 종류에 따라 상기 인코더의 입력 레이어 및 상기 입력 레이어와 연결된 컨볼루션 레이어를 분기하여 구성되고,
상기 입력 레이어는, 상기 레이더 합성영상 데이터에 대응하는 제1 입력 레이어, 상기 전구 기상 수치모델 데이터에 대응하는 제2 입력 레이어, 및 상기 지역 기상 수치 모델 데이터에 대응하는 제3 입력 레이어로 분기되고,
상기 컨볼루션 레이어는, 상기 제1 입력 레이어와 연결된 제1 컨볼루션 레이어, 상기 제2 입력 레이어와 연결된 제2 컨볼루션 레이어, 및 상기 제3 입력 레이어와 연결된 제3 컨볼루션 레이어로 분기되는,
강수 예측 장치.
One or more processors;
A communication interface for communicating with external devices;
a memory that loads a computer program executed by the processor; and
Including storage for storing the computer program,
The computer program is,
An operation of receiving information about a precipitation prediction model from the external device,
An operation of acquiring prediction target data by user input,
An operation of inputting the prediction target data into the precipitation prediction model, and
Includes instructions for performing an operation of outputting precipitation prediction information from the precipitation prediction model,
The precipitation prediction model learns a neural network with an encoder-decoder structure using training data consisting of a series of consecutive frames using radar composite image data, global numerical weather model data, and local numerical weather model data. It was created by
The precipitation prediction model is constructed by branching the input layer of the encoder and the convolution layer connected to the input layer according to the type of data included in the learning data,
The input layer is branched into a first input layer corresponding to the radar composite image data, a second input layer corresponding to the global numerical meteorological model data, and a third input layer corresponding to the local numerical meteorological model data,
The convolutional layer is branched into a first convolutional layer connected to the first input layer, a second convolutional layer connected to the second input layer, and a third convolutional layer connected to the third input layer,
Precipitation prediction device.
KR1020210072668A 2021-06-04 2021-06-04 Method for predicting precipitation based on deep learning and apparatus implementing the same method KR102631539B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210072668A KR102631539B1 (en) 2021-06-04 2021-06-04 Method for predicting precipitation based on deep learning and apparatus implementing the same method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210072668A KR102631539B1 (en) 2021-06-04 2021-06-04 Method for predicting precipitation based on deep learning and apparatus implementing the same method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220164198A KR20220164198A (en) 2022-12-13
KR102631539B1 true KR102631539B1 (en) 2024-01-31

Family

ID=84439273

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210072668A KR102631539B1 (en) 2021-06-04 2021-06-04 Method for predicting precipitation based on deep learning and apparatus implementing the same method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102631539B1 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115794981B (en) * 2022-12-14 2023-09-26 广西电网有限责任公司 Method and system for counting meteorological data by using model
CN116383701B (en) * 2023-04-13 2024-01-26 中国人民解放军国防科技大学 Microwave link rainy period detection method based on learning reconstruction
CN116701553B (en) * 2023-05-12 2024-01-02 中国长江电力股份有限公司 Similar rainfall runoff process searching method based on rainfall time distribution histogram
CN116821681B (en) * 2023-06-27 2024-01-30 北京华云星地通科技有限公司 Global precipitation data generation method and system
KR102609569B1 (en) 2023-06-30 2023-12-05 경북대학교 산학협력단 Apparatus and method to predict rainfall based on machine learning using dual polarization radar data
CN116610959B (en) * 2023-07-19 2023-09-15 湖北省气象服务中心(湖北省专业气象服务台) Method and device for checking cloud broadcasting operation effect based on UNET-GRU deep learning
CN117237677B (en) * 2023-11-15 2024-03-26 南京信息工程大学 Precipitation prediction correction method for overall similarity of strong precipitation space based on deep learning
KR102655841B1 (en) 2024-01-23 2024-04-09 디아이랩 주식회사 Method of early detection and response to the risk of flooding through ultra-short-term precipitation prediction

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101994387B1 (en) * 2018-08-21 2019-06-28 부경대학교 산학협력단 System and Method for Forecasting Precipitation in Mountainous Areas using Water Vapor Weighting Blending
US20200311914A1 (en) * 2017-04-25 2020-10-01 The Board Of Trustees Of Leland Stanford University Dose reduction for medical imaging using deep convolutional neural networks

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020091171A (en) 2018-12-05 2020-06-11 株式会社Ihi Weather forecasting system, weather forecasting method, and weather forecasting program

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200311914A1 (en) * 2017-04-25 2020-10-01 The Board Of Trustees Of Leland Stanford University Dose reduction for medical imaging using deep convolutional neural networks
KR101994387B1 (en) * 2018-08-21 2019-06-28 부경대학교 산학협력단 System and Method for Forecasting Precipitation in Mountainous Areas using Water Vapor Weighting Blending

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Quanlong Feng 외 6명, Integrating Multitemporal Sentinel-1/2 Data for Coastal Land Cover Classification Using a Multibranch Convolutional Neural Network: A Case of the Yellow River Delta. 1부.*
신홍준 외 2명. 시간 연속성을 고려한 딥러닝 기반 레이더 강우예측. 한국수자원학회논문집. 2021.05.31, 제54권, 제5호, pp.301-309, <인터넷:http://koreascience.or.kr/article/JAKO202116954704821.page> 1부.*
신홍준 외 2명. 시간 연속성을 고려한 딥러닝 기반 레이더 강우예측. 한국수자원학회논문집. 2021.05.31, 제54권, 제5호, pp.301-309. 1부.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220164198A (en) 2022-12-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102631539B1 (en) Method for predicting precipitation based on deep learning and apparatus implementing the same method
CN109891897B (en) Method for analyzing media content
CN110347873B (en) Video classification method and device, electronic equipment and storage medium
US9853592B2 (en) Method and device for controlling an energy-generating system which can be operated with a renewable energy source
Bouwmans et al. Robust PCA via principal component pursuit: A review for a comparative evaluation in video surveillance
CN108305238B (en) Image processing method, image processing device, storage medium and computer equipment
Wang et al. Learning efficient binarized object detectors with information compression
CN111557010A (en) Learning device and method, and program
Grönquist et al. Predicting weather uncertainty with deep convnets
Dong et al. Motion-guided global–local aggregation transformer network for precipitation nowcasting
CN114338416B (en) Space-time multi-index prediction method and device and storage medium
CN116629142B (en) Lightning positioning track prediction method and system based on transformer mechanism
CN110826810B (en) Regional rainfall prediction method combining spatial reasoning and machine learning
CN115661723B (en) Multi-scene monitoring method based on Haesi SD3403
CN115333961B (en) Wireless communication network management and control method based on deep reinforcement learning and related equipment
CN115205738B (en) Emergency drainage method and system applied to urban inland inundation
CN108596068B (en) Method and device for recognizing actions
CN116343791A (en) Service execution method, device, computer equipment and storage medium thereof
US20220027760A1 (en) Learning device and learning method
CN115830638A (en) Small-size human head detection method based on attention mechanism and related equipment
Bosma et al. Estimating solar and wind power production using computer vision deep learning techniques on weather maps
Ung et al. Leverage Samples with Single Positive Labels to Train CNN-based Models For Multi-label Plant Species Prediction.
Ghebriout et al. Harmonic-NAS: Hardware-Aware Multimodal Neural Architecture Search on Resource-constrained Devices
CN111046740A (en) Classification method for human motion video based on full-scale quantitative recurrent neural network
Dias Long-Term Hourly Scenario Generation for Correlated Wind and Solar Power combining Variational Autoencoders with Radial Basis Function Kernels

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right