KR20100081088A - 수질 변동 추세 분석 방법 및 장치 - Google Patents

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윤영삼
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Abstract

본 발명은 추세 분석 대상인 목표 변수의 계절적 변동 요인 또는 연 변동 요인 또는 불규칙 요인을 제거하고 목적하는 변동 추세를 정확하게 검출할 수 있는 수질 변동 추세 분석 방법 및 장치에 관한 것으로서, 수질 관리 대상 하천에서 측정된 물리적 및 화학적 특성을 나타내는 하나 이상의 변수를 포함하는 수질 측정 데이터에서, 추세를 검출하고자 하는 목표 변수 및 상기 목표 변수에 영향을 미치는 설명 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 설명 변수의 영향을 고려하여 상기 목표 변수를 시계열로 분해하고, 평활방법을 통해 연 변동 및 계절 변동 요인 또는 불규칙 변동 요인을 제거하여 상기 목표 변수의 변동 추세를 검출하고, 상기 검출 결과를 검증하도록 구현된다.
수질 분석, 수질 변동 추세 분석, 평활 방법, 차분,

Description

수질 변동 추세 분석 방법 및 장치 {Water quality trend extraction method and system}
본 발명은 수질 측정 데이터를 바탕으로 수질 변동의 추세를 자동으로 분석하여 제공하는 수질 변동 추세 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.
환경 문제의 심각성을 인식하면서, 각 국가에서는 자국의 하천 수질을 관리하기 위하여 여러 방법을 모색하고 있다. 수질 관리를 위해서는 수질의 물리적 화학적 특성을 측정한 수질 측정 데이터를 장기간에 걸쳐 수집하여야 하며, 상기 수집된 수질 측정 데이터로부터 수질 변동의 추세를 분석하여야 한다.
그러나 수집된 수질 측정 데이터는 일반적으로 비정규 분포를 갖으며, 계절적으로 변동이 심하고, 미계측 자료와, 이상 데이터가 많이 존재하며, 검출 한계 이하의 데이터가 많다.
따라서, 이러한 수질 측정 데이터의 특성을 고려하여, 목표 변수의 추세를 정확히 검출할 수 있는 장치 및 방법이 요구된다.
특히, 하천의 수질 오염원은 매우 다양하고, 어떤 항목들은 계절의 영향을 받으며, 강우나 융설 등의 유량 변화에 영향을 받게 된다. 따라서, 수질 추세 분석에 있어서, 추세를 분석하고자 하는 목표 변수에 영향을 주는 설명변수를 고려하여 목표 변수의 계절 변동 요인 및 불규칙 변동 요인을 분리하고 이를 이용하여 추세를 검출한다면 목표 변수의 추세를 더욱 의미 있게 검출할 수 있다. 예를 들면, 수질오염에 대하여 분석을 하려고 할 때 수질에 영향을 주는 강수량을 고려하여 계절변동을 추정하면 더욱 정확하게 계절효과를 찾을 수 있다. 또한, 이를 이용하여 추세를 검출하면 수질의 장기적인 추세를 더욱 효과적으로 검출할 수 있다. 예컨대, 정부의 수질정화사업의 효과분석을 하는 경우, 예산 대비 효과를 더욱 정밀하게 분석할 수 있을 것이다.
따라서, 보다 용이하고 정확한 수질 관리를 위하여, 계절적인 추세나 연 추세와 같은 자연적인 추세 변동을 제외하고 목표 변수의 비 자연적인 변동 추세를 정확하게 검출할 수 있으며, 더하여, 2개 이상의 변수 간의 관계를 고려한 추세 분석을 할 수 있는 장치 및 방법이 요구된다.
이에, 본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 수질 측정 데이터의 특성을 고려하여, 목적하는 목표 변수의 계절적 변동 요인 또는 연 변동 요인 또는 불규칙 요인을 제거함에 의해 목표 변수의 변동 추세를 더욱 정확하게 검출할 수 있는 수질 변동 추세 분석 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법은, 관리 대상 하천에서 측정된 물리적 및 화학적 특성을 나타내는 하나 이상의 변수를 포함하는 수질 측정 데이터를 저장하는 과정; 상기 하나 이상의 변수 중에서 추세를 검출하고자 하는 목표 변수 및 상기 목표 변수에 영향을 미치는 설명 변수룰 선택하고, 상기 선택된 목표 변수 및 설명 변수의 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 설명 변수의 영향을 고려하여 상기 목표 변수를 시계열 분해하고, 평활방법을 통해 연 변동 및 계절 변동요인 또는 불규칙 변동요인을 제거한 후 상기 목표 변수의 추세 곡선을 검출 및 검증하는 수질 추세 분석 과정; 및 상기 수질 추세 분석 과정에서 검출된 결과를 사용자가 인식할 수 있도록, 화면 또는 인쇄 매체 또는 저장 수단으로 출력하는 출력 과정을 포함하여 이루어진다.
상기 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법은, 사용자의 선택에 따라서, 상기 저장한 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 하나 이 상의 변수에 대한 조회 및 상기 하나 이상의 변수에 대한 데이터 변환을 수행하는 데이터 관리 과정을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법은, 사용자의 선택에 따라서, 상기 저장한 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 하나 이상의 변수의 측정값을 가져와 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 그 결과를 이용하여 하나 이상의 통계 값을 구하는 기술 통계 및 선택된 두 변수에 대한 상관 관계 분석을 수행하거나, 선택된 하나 이상의 변수에 대한 시계열 그래프, 산점도, 및 히스토그램 작성 중에서 하나를 작성하는 기초 분석 과정을 더 포함할 수 있다.
더하여, 상기 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법에 있어서, 상기 수질 추세 분석 과정은, 사용자의 선택에 따라서, 상기 저장한 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정한 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 시계열로 분해하는 시계열 분해 단계를 더 포함할 수 있다.
더하여, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 사용자가 수질 추세 분석 과정을 수행하기 위한 데이터 및 명령, 조건을 입력하기 위한 입력부; 수질 관리 대상 하천에서 측정된 물리적 및 화학적 특성을 나타내는 하나 이상의 변수를 포함하는 수질 측정 데이터와, 상기 수질 측정 데이터에 대한 분석 결과 데이터를 저장하는 저장부; 상기 수질 측정 데이터에 대한 분석 결과 및 수질 추세 분석을 위한 사용자 인터페이스 화면을 출력하는 디스플레이부; 및 상기 입력부를 통해 지시된 명령 및 조건에 따라서, 상기 저장부에 저장된 수질 측정 데이터로부 터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 목표 변수 및 설명 변수의 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 설명 변수의 영향을 고려하여 상기 목표 변수를 시계열로 분해하고 평활방법을 통해 연 변동 및 계절 변동요인 또는 불규칙 변동요인을 제거함에 의해 상기 목표 변수의 추세 곡선을 검출하고, 상기 검출 결과를 검증하는 수질 추세 분석 모듈을 포함하여, 수질 추세 분석 처리의 전 과정을 제어하는 제어부를 포함하는 수질 변동 추세 분석 장치를 제공한다.
상기 수질 변동 추세 분석 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 입력부를 통해 입력된 사용자의 명령 및 조건 선택에 따라서 상기 저장부에 저장된 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 하나 이상의 변수를 가져와 디스플레이시키는 조회 기능 및 상기 변수의 데이터 변환을 수행하는 데이터 관리 모듈을 더 포함할 수 있고, 또한, 상기 입력부를 통해 입력된 사용자의 명령 및 조건 선택에 따라서, 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 하나 이상의 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 그 결과를 이용하여 하나 이상의 통계 값을 구하는 기술 통계, 선택된 변수에 대한 상관 분석 결과, 시계열 그래프, 산점도, 히스토그램 중에서 하나를 구하는 기초 분석 모듈을 더 포함할 수 있다.
더하여, 상기 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 장치에 있어서, 상기 수질 추세 분석 모듈은, 상기 저장한 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정하는 한 변수의 측정값을 가져와, 상기 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 시계열로 분해하는 시계열 분해 기능을 더 수행할 수 있다.
또한, 상기 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법 및 장치에 있어서, 평활 방법은, Lowess, Kernel smoothing, Smooting spline 중에서 하나를 선택 사용할 수 있고, 검정 방법은 Mann-Kendall test를 사용할 수 있으며, 상기 데이터 변환은, 로그 변환, 평방근 변환, 역수 변환 중에서 어느 한 형태로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 수집된 수질 측정 데이터를 기초로 하여, 목표 변수와 설명 변수와의 관계를 고려함으로써 추세 분석을 더 정확하게 수행하는 것이 가능하며, 특히 평활 방법을 통하여 목표 변수로부터 계절 변동 요인 및 연 변동요인과 함께 불규칙 변동 요인을 제거함으로써 목표 변수의 변동 추세를 더 정밀하게 검출할 수 있으며, 이를 통해 수질 관리 사업에 있어서의 효과를 더욱 쉽고 정밀하게 검출할 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일 한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, '모듈'이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수질 변동 추세 분석 방법의 전체 흐름을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법은, 수질 측정 데이터 저장 과정(100)과, 데이터 관리 과정(120)과, 기초 분석 과정(130)과, 수질 추세 분석 과정(140)과, 결과 처리 과정(S150~S190)을 포함한다.
상기 수질 측정 데이터 저장 과정(100)은, 대상 하천의 다수 지점에서 측정된 수질의 물리 및 화학적 특성을 나타내는 수질 측정 데이터를 입력받아 기초 자료로서 저장하는 과정이다. 여기서, 수질 측정 데이터는 측정 지역별로 일정 기간 동안 측정된 자료가 누적된 것으로서, 수질을 나타내는 주요 변수로서, COD, BOD, TN, TP, DO 등을 포함할 수 있다. 여기서, BOD는 생물학적 산소요구량으로서, 수질 측정 농도 중 가장 중요한 변수로, 수질 개선 노력의 결과를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 수질 측정 데이터는, 수질에 영향을 주는 변수로서, 유량, 클로로필a 등이 포함될 수 있다. 예를 들어, 유량은 비의 양에 비례하여 증가하는 자연적인 요소인데, 일반적으로 유량이 증가하면 수질의 농도가 감소하게 된다. 따라서, 이러한 유량의 증가로 인한 수질 개선은 진정한 수질 개선이라고 볼 수 없으므로, 수질 분석을 위한 추세 분석이 이러한 유량 변동에 의한 목표 변수의 변동분은 제거되어야 한다.
다음으로, 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법은, 메뉴 선택(110)을 통하여 상기 저장된 수질 측정 데이터에 대한 데이터 관리, 기초 분석, 수질 추세 분석을 수행할 수 있다.
상기 데이터 관리 과정(120)은, 저장된 수질 측정 데이터 중에서 분석할 수질 측정 데이터를 선택하는 조회하는 과정으로서, 상기 수질 측정 데이터를 지역별 및 기간별로 선택 조회할 수 있으며, 더하여, 필요한 경우 상기 수질 측정 데이터에 대한 데이터 변환을 수행할 수 있다. 더 구체적으로 설명하면, 수질 측정 데이터에 포함되는 측정 자료를 매우 다양하기 때문에, 이들로부터 추세를 분석하기 위해서는, 일정한 기준의 값이 필요하다. 예를 들면, 수질 측정 데이터의 최대값과 최소값의 비가 1에 가까울 경우에는 변환이 필요 없지만, 최대값과 최소값의 비가 100 또는 그 이상이 될 때는 상기 수질 측정 데이터의 데이터 변환이 요구된다. 따라서, 상기 데이터 관리 과정(120)에서는, 이렇게 기준 범위를 벗어나는 데이터를 기준 범위 내의 데이터로 변환할 수 있다. 여기서 이용되는 데이터 변환 방법으로 는, 로그 변환, 평방근 변환, 역수 변환 등이 포함될 수 있으며, 특히, 로그 변환 데이터의 경우 일반적으로 변환하지 않은 데이터보다 정규 분포에 가깝기 때문에, 수질 측정 데이터의 경우 로그 변환하는 것이 바람직하다. 특히, 시계열 분석에 있어서, 수질 측정 데이터의 수질이나 유량의 변동폭이 크므로, 로그 변환을 수행할 경우에 보다 안정적인 평가를 할 수 있다. 도 2a는 상기 데이터 관리 과정(120)의 사용자 인터페이스 화면을 예시한 것으로서, 지역, 조회 기간, 및 데이터 변환을 선택할 수 있으며, 상기 선택된 지역 및 조회기간의 수질 측정 데이터가 조회되어 표시되며, 상기 조회된 데이터는 데이터 변환 선택에 따라서 변환이 이루어진다.
이어서, 기초 분석 과정(130)을 통해서, 원하는 지역 및 기간의 수질 측정 데이터에 따라서, 기술 통계량 및 기초 분석 자료를 얻을 수 있다.
상기 기초 분석 과정(130)에서는, 수질 측정 데이터에 대한 기술 통계, 상관 분석, 시계열 그래프, 산점도, 히스토그램을 제공한다.
도 2b는, 상기 기초 분석 과정(130)에서 기술 통계와 관련된 사용자 인터페이스 화면의 예시도로서, 이를 참조하면, 상기 기초 분석 과정(130)에서는, 사용자가 선택한 조회 조건에 맞추어, 해당 수질 측정 데이터에 대한 평균, 분산, 최소값, 최대값, 중간값, 1사 분위수, 3사 분위수를 포함하는 통계량을 산출할 수 있다. 이때, 사용자는 자신이 원하는 조회 조건(지역, 기간, 데이터 변환, 통계종류)을 선택할 수 있다.
도 2c는 기초 분석 과정(130)에서 상관 분석과 관련된 사용자 인터페이스 화면을 예시한 도면으로서, 이를 참조하면, 상기 기초 분석 과정(130)에서는, 변수 간의 상관 관계를 산출할 수 있다. 여기서, 사용자는 상관 분석을 위하여, 하나 이상의 지역을 선택할 수 있으며, 분석 대상 변수로서는 2개 이상의 변수를 선택하여야 한다. 더하여, 선택사항으로서 데이터 변환을 선택할 수 있다. 이를 통하여, 사용자는 각 변수 간의 상관 관계를 확인할 수 있다.
또한, 상기 기초 분석 과정(130)은, 특정 변수의 시계열 그래프를 추출하여 제공할 수 있다. 도 2d는 기초 분석 과정(130)에서 시계열 그래프와 관련된 사용자 인터페이스 화면을 예시한 도면으로서, 이를 참조하면 기초 분석 과정(130)에서, 사용자는 조건으로서, 대상 기간, 지역 및 변수를 하나씩 선택할 수 있으며, 더하여, 데이터 변환 및 그래프의 종류를 선택할 수 있다. 여기서 선택 가능한 그래프의 종류는, 시계열 그래프 이외에, 자기상관계수(ACF), 부분자기상관계수(PACF)의 그래프를 포함할 수 있다. 또한, 사용자는 수질 측정 데이터에 대한 차분 유무를 선택할 수 있다. 일반적으로, 연 변동 성분이나 계절변동성분을 알고 있을 때, 선형성이 있으면 원하는 결과를 얻을 수 없다. 이때, 차분은 수질 측정 데이터가 지닌 선형성을 비선형성으로 바꾸어 줄 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 기초 분석 과정(130)에서 시계열 그래프 제공시, 차분 유무를 선택할 수 있도록 함으로써, 이를 통하여 수질 측정 데이터의 특정 변수에 대한 연 변동성 및 계절변동성을 확인할 수 있도록 한다.
도 2e는 산점도와 관련된 기초 분석 과정(130)의 사용자 인터페이스 화면을 예시한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 사용자는, 조회 기간, 지역 및 대상 변수를 선택할 수 있는데, 이때, 반드시 두 개 이상의 변수를 선택하여야 한다. 또한, 사 용자는 선택한 변수에 대한 변환 여부 및 변화 값의 종류를 선택할 수 있다. 상기와 같은 조건을 모두 선택하고 분석 수행을 지시하면, 선택된 기간 및 지역의 수질 측정 데이터에서 선택한 변수들에 대한 산점도를 작성하여 출력한다.
도 2f는 기초 분석 과정(130)에 있어서, 히스토그램과 관련된 사용자 인터페이스 화면을 예시한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 사용자는 조회 기간, 대상 지역 및 하나 이상의 대상 변수를 선택할 수 있으며, 더하여, 선택한 변수에 대한 변환 여부 및 변환 종류를 선택할 수 있다. 상기 조건이 모두 선택되면, 선택된 기간 및 지역의 수질 측정 데이터 중에서 선택한 변수의 각 측정값별 발생 빈도를 히스토그램으로 작성하여 출력한다.
이상에서 설명한 기초 분석 과정(130)에 의하여, 사용자는 원하는 지역 및 기간의 수질 측정 데이터에 대한 다양한 기술 통계 정보를 다양한 형태 및 방식으로 확인할 수 있게 된다.
다음으로, 상기 수질 추세 분석 과정(140)은, 선택된 지역 및 기간의 수질 데이터의 선택 변수에 대한 시계열 분해를 수행하고, 설명 변수에 의한 영향을 고려하여 목표 변수의 시계열 변동 추세를 검출하고 검정하는 과정이다.
상기 수질 추세 분석 과정(140)에서는, 사용자가 원하는 변수를 시계열로 분해하는 기능을 제공한다. 도 2g는 수질 추세 분석 과정(140)에서의 시계열 분해와 관련된 사용자 인터페이스 화면을 예시한 도면으로서, 조건으로서, 조회 기간, 지역 및 변수를 선택할 수 있으며, 이에 더하여, 선택된 변수의 변환 및 선택된 변수의 차분 기능을 선택할 수 있다. 상기 조건이 모두 선택되면, 선택된 조회 기간 및 지역의 수질 측정 데이터에서 해당 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 수행한 후, 그 결과를 시계열 그래프로 구현하여 출력한다. 이때의 시계열 분해는 설명 변수의 영향을 고려하지 않은 선택 변수에 대한 단순 시계열 변화를 검출하여 나타내는 것이다.
또한, 상기 수질 추세 분석 과정(140)에서는, 설명 변수의 영향을 고려하여 선택된 목표 변수에 대한 변동 추세를 검출하고, 검출된 추세에 대한 검정을 수행하여 제공한다. 도 2h는 상기 수질 추세 분석 과정(140)에서의 수질 추세 검출 및 검정을 위한 사용자 인터페이스 화면의 예시도로서, 도시된 바와 같이, 사용자는 조건으로서, 조회 기간, 지역, 목표 변수 및 설명 변수를 선택할 수 있다. 여기서, 목표 변수는 수질의 변동 추세를 검출하고자 하는 대상 변수로서, COD, BOD, TN, TP, DO 등이 될 수 있으며, 설명 변수는, 상기 목표 변수의 변동에 영향을 미치는 변수로서, 유량, 클로로필a 등이 될 수 있. 이어서, 상기 수질 추세 분석 과정(140)에서는 상기 목표 변수 및 설명 변수 각각에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택 수행할 수 있다. 여기서, 차분은 앞서 설명한 바와 같이, 해당 변수의 연 변동 및 계절 변동을 알 수 있도록, 선택 변수를 비선형적으로 변환하는 것으로서, 도 3에 그 차분 수행 예를 보인다. 도 3의 (a)는 원래 수질 측정 데이터에 의한 산점도 그래프이고, 도 3의 (b)는 원래 수질 측정 데이터에 대한 일차 차분 수행 후의 산점도 그래프를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 차분한 경우 원래의 수질 측정 데이터가 갖는 선형성이 비선형적으로 변환되는 것을 알 수 있으며, 차분 데이터를 통하여 변동성, 즉, 연 변동이나 계절 변동 특성이 쉽게 도출됨을 알 수 있다.
더하여, 상기 수질 추세 분석 과정(140)에서는, 상기 목표 변수에 평활 방법을 적용하여, 설명 변수의 영향에 의한 연 변동, 계절 변동 및 불규칙 변동 요인을 제거한 추세 곡선을 검출한다. 여기서, 평활(smoothing technique)은 모든 과거 자료들과 현재 자료들에 기초하여 과거 상태를 추정하는 기법으로서, 평활에 의하여 계절 요인 또는 불규칙 요인들을 수질 측정 데이터로부터 제거하고, 그 결과 전반적인 추세를 더욱 뚜렷하게 파악할 수 있다. 본 발명에서는, 평할 방법으로서, Lowess, Kernel smoothing, smoothing spline 중 하나 이상을 제공하며, 사용자가 필요에 따라서 상기 방법 중에서 하나를 선택할 수 있다. 상기 방법 중에서, Lowess는 선택된 구간 안에서 가중 다중 회귀 모형을 적합시켜 목표 변수의 예측 값을 구하는데 있어서, 가중최소제곱법으로 목표변수의 값을 추정하는 방법으로서 가까운 점에 대해서 먼점 보다 더 많은 가중치를 준다. 이때, 가중치 w(x)는 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112009000295537-PAT00001
다음으로, Kernel smoothing은, 선택된 구간 안에서 가중 다중 회귀 모형을 적합시켜 목표 변수의 예측 값을 구하는데 있어서, 표준 정규 분포에 의한 가중치를 적용한다. 예를 들어, 연속이고 다변량 밀도를 갖는 X1,...,Xn이 주어질 때, 커널 밀도(Kernel density) 추정량은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112009000295537-PAT00002
수학식 2에서, K는 커널이고, h는 대역폭(bandwidth)로서 0 보다 크고 1 이하인 값으로 설정된다. 상기 K는 가중치이고, h는 회귀분석을 할 로컬 윈도우를 결정하는 값이므로, 상기 h가 1이면 전체 구간이 로컬 윈도우로 선택된다. 또한, 상기 K는 표준 정규 분포를 따르므로 중앙의 자료에 가중치를 가장 많이 준다.
또한, 상기 Smoothing Spline은 몇 개의 점을 정하여 구간을 나눈 후, 각 구간에 대해 다중 회귀 분석을 하는데, 이때, 상기 점들이 연결하여 다중 회귀 분석을 하여 평활 곡선을 추정하는 방법이다.
도 4는 상기 수질 추세 분석 과정(140)에서 평활 방법을 이용한 상세 과정을 나타낸 순서도이다. 도 4를 참조하면, 상기 수질 추세 분석 과정(140)에서는, 상술한 조건(조회 기간, 지역, 목표 변수 및 설명 변수)이 선택되면, 상기 선택된 조건에 따른 수질 측정 데이터로부터 구해진 시계열 분해 결과(즉, 시계열 그래프)를 가져온다(400). 그 다음, 다중 회귀 분석을 적용할 로컬 윈도우를 설정한다(410). 이때, 로컬 윈도우의 크기는 0보다 크고 1보다 작은 값으로 설정되는데, Lowess에서는 기본 값이 2/3이며, Kernel Smoothing에서는 예를 들어, 1/2로 설정될 수 있다.
상기와 같이 로컬 윈도우가 설정되면, 전체 구간에 대한 추정 값 계산이 완료될 때까지 상기 로컬 윈도우를 이동하면서, 상기 로컬 윈도우로 지정되는 구간에 서 지정된 가중치를 고려하여 다중 회귀 분석을 수행하여 추정 값을 계산한다(420~440).
상기 단계(420~440)를 반복하여, 전체 구간에 대한 추정 값 계산이 완료되면, 산출된 추정 값을 연결하여, 평활 곡선, 즉, 목표 변수에 대한 추세 곡선을 구한다(450).
즉, 도 2h에 도시된 바와 같이, 좌측에 표시된 조건을 모두 선택한 후, 분석 수행을 지시하면, 상술한 방법에 의하여 선택된 변수의 추세를 검출하는데, 이때 상기 평활 방법에 의하여 계절 요인 또는 불규칙 요인을 제거할 수 있다.
더하여, 상기 수질 추세 분석 과정(140)에서는, 상기와 같이 검출한 추세 곡선이 통계적으로 의미 있는 증감을 보이고 있는 지를 확인하기 위하여 추세 검정을 수행한다. 이때, 추세 검정 방법으로는 Mann-kendall test를 이용한다.
도 5는 본 발명에 있어서, 상술한 수질 추세 분석 과정(140)의 검출 결과를 예시한 도면으로서, 도 5의 (a)는 원래 수질 측정 데이터의 선택된 기간 및 변수에 대한 시계열 그래프를 나타내고, 도 5의 (b)는 Lowess 법에 의하여 추정 값을 계산하고, 상기 추정 값을 연결하여 검출된 추세 곡선을 나타내며, 도 5의 (c)는 Kernel Smoothing 법에 의해 검출된 추세 곡선을 나타낸다. 이를 참조하면, 본 발명에 의하면, 수질 측정 데이터에서 계절 요인이나 불규칙 요인과 같은 잡신호를 제거하여 전반적인 추세 경향을 도출할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 데이터 관리 과정(120), 기초 분석 과정(130) 및 수질 추세 분석 과정(140)에서의 처리 결과는 도 2a 내지 도 2h에 보인 예시 화면의 우측에 나타난 바와 같이, 화면으로 출력된다(150).
그리고 사용자는 상기 검출 결과에 대하여, 저장 또는 인쇄를 선택적으로 수행할 수 있다(160~190).
상술한 바와 같이, 본 발명은 다양한 기초 분석 기능 및 설명 변수를 고려한 목표 변수의 추세 검출 및 검정 기능을 제공하여, 사용자가 수질 관리에 필요한 다양한 정보를 획득할 수 있도록 하고, 또한, 설명 변수를 고려한 목표 변수의 추세를 검출하는데 있어서 평활 방법을 통하여 연 변동이나 계절변동 요인을 제거할 수 있도록 함으로써, 더욱 정밀한 수질 변동의 추세 검출 결과를 제공한다.
도 6은 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 장치를 나타낸 블록구성도이다.
본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 장치는, 상술한 수질 변동 추세 분석 방법을 수행하는 프로그램을 컴퓨터에 설치하는 방법으로 구현할 수 있으며, 그 구성을 기능으로 구분하여 볼 때, 도 6과 같은 기본 구성을 가질 수 있다. 여기서, 모듈은 앞서 설명한 바와 같이, 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 6을 참조하여, 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 장치는, 입력부(10)와, 제어부(20)와, 저장부(30)와, 디스플레이부(40) 및 프린터(50)를 포함할 수 있다.
상기 입력부(10)는 수질 추세 분석 과정을 수행하기 위한 데이터 및 명령, 조건을 입력하는 입력 수단으로서, 일반적인 입력 장치인 키보드, 마우스 등이 이용될 수 있다.
상기 제어부(20)는 상기 입력부(10)를 통해 입력된 명령 및 조건을 참조하여, 선택된 기간 및 지역의 수질 측정 데이터 중에서 선택된 변수에 대한 수질 추세 분석을 수행하는 수단으로서, 크게 수질 측정 데이터 관리 모듈(21)과 기초 분석 모듈(22)과 수질 추세 분석 모듈(23)을 포함하여, 상기 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 각 과정의 기능을 수행한다.
상기 저장부(30)는 상기 제어부(20)에 의해 처리된 결과를 저장하는 수단으로서, 상기 저장부(30)에 저장되는 데이터는 처리되기 이전의 원래 데이터인 수질 측정 데이터(31)와, 상기 제어부(20)에서 처리된 결과 값인 분석 결과 데이터(32)로 구분될 수 있다.
상기 디스플레이부(40)는, 상기 제어부(20)의 제어에 의하여, 사용자 인터페이스 화면 및 처리 결과를 화면상에 출력하고, 프린터(50)는, 인쇄 매체를 통해 상기 처리 결과를 출력한다.
상기와 같이 구성된 수질 변동 추세 분석 장치에 있어서, 상기 제어부(20)는, 상기 입력부(10)를 통해 지정된 수질 측정 데이터를 저장부(30)의 지정된 저장 경로(또는 저장 위치)에 저장하고, 데이터 관리, 기초 분석, 수질 추세 분석을 선택하는 메뉴를 상기 디스플레이부(40)를 통하여 사용자에게 제공한 후, 이후 사용자의 선택에 따라서 상기 데이터 관리 모듈(21)과 기초 분석 모듈(22)과 수질 추세 분석 모듈(23)이 동작하여 해당 데이터 관리 기능, 기초 분석 기능 및 수질 추세 분석을 수행한다. 상기 데이터 관리 모듈(21)과 기초 분석 모듈(22)과 수질 추세 분석 모듈(23)의 동작은 상기 도 1에 보인 데이터 관리 과정(120), 기초 분석 과정(130) 및 수질 추세 분석 과정(140)과 동일한 방식으로 수행되며, 각각의 처리 결과는 디스플레이부(40)를 통해 출력됨과 동시에, 사용자의 선택에 따라서 저장부(30)에 저장되거나 프린터(50)를 통해 인쇄될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법의 전체 흐름을 나타낸 순서도이다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법에서의 각 기능 별로 제공되는 사용자 인터페이스 화면 예시 도이다.
도 3은 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법에 있어서, 차분 수행 결과를 예시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법에 있어서, 평활 방법을 이용한 상세한 수질 추세 분석 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 방법에 있어서, 평활 방법을 이용한 추세 분석 결과를 예시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 수질 변동 추세 분석 장치를 나타낸 블록도이다.

Claims (14)

  1. 관리 대상 하천의 물리적 및 화학적 특성을 나타내는 하나 이상의 변수를 포함하는 수질 측정 데이터를 저장하는 과정;
    상기 수질 측정 데이터 중에서, 추세를 검출하고자 하는 목표 변수 및 상기 목표 변수에 영향을 미치는 설명 변수를 선택하고, 상기 선택된 목표 변수 및 설명 변수의 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 설명 변수의 영향을 고려하여 상기 목표 변수를 시계열로 분해하고, 평활 방법을 통해 연 변동 및 계절 변동요인 또는 불규칙 변동요인을 제거한 후 상기 목표 변수의 추세 곡선을 검출하고, 상기 검출 결과를 검증하는 수질 추세 분석 과정; 및
    상기 수질 추세 분석 과정에서 검출된 결과를 사용자가 인식할 수 있도록, 화면 또는 인쇄 매체 또는 저장 수단으로 출력하는 출력 과정을 포함하는 수질 변동 추세 분석 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    사용자의 선택에 따라서, 상기 저장한 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 하나 이상의 변수에 대한 조회 및 상기 하나 이상의 변수에 대한 데이터 변환을 수행하는 데이터 관리 과정을 더 포함하고,
    상기 출력 과정에서는 상기 데이터 관리 과정의 처리 결과를 화면 또는 인쇄 매체 또는 저장 수단으로 출력하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    사용자의 선택에 따라서, 상기 수질 측정 데이터 중에서, 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 하나 이상의 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 그 결과를 이용하여, 선택된 변수의 기술 통계, 상관 분석, 시계열 그래프, 산점도, 히스토그램을 선택적으로 구하는 기초 분석 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수질 추세 분석 과정은,
    사용자의 선택에 따라서, 상기 저장한 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정하는 한 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 상기 변수를 시계열로 분해하는 시계열 분해 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수질 추세 분석 과정은,
    상기 수질 추세 분석 과정의 평활 방법으로, Lowess, Kernel smoothing, Smooting spline 중에서 하나를 선택 사용하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수질 추세 분석 과정은
    Mann-Kendall test를 이용하여 추세를 검정하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 변환은, 로그 변환, 평방근 변환, 역수 변환 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 방법.
  8. 사용자가 수질 추세 분석 과정을 수행하기 위한 명령 및 조건을 입력하기 위한 입력부;
    관리 대상 하천의 물리적 및 화학적 특성을 나타내는 하나 이상의 변수를 포함하는 수질 측정 데이터와, 상기 수질 측정 데이터에 대한 분석 결과를 저장하는 저장부;
    상기 수질 측정 데이터에 대한 분석 결과 및 수질 추세 분석을 위한 사용자 인터페이스 화면을 출력하는 디스플레이부; 및
    상기 저장부에 저장된 수질 측정 데이터 중에서 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 목표 변수 및 설명 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 설명 변수의 영향을 고려하여 상기 목표 변수를 시계열로 분해하고, 평활방법을 통해 연 변동 및 계절 변동요인 또는 불규칙 변동요인을 제거한 후 상기 목표 변수의 추세 곡선을 검출하고, 상기 검출 결과를 검증하는 수질 추세 분석 모듈을 포함하여, 상기 입력부를 통해 지시된 명령 및 조건에 따라서 수질 추세 분석 처리의 전 과정을 제어하는 제어부를 포함하는 수질 변동 추세 분석 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 입력부를 통해 입력된 사용자의 명령 및 조건 선택에 따라서 상기 저장부에 저장된 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정된 하나 이상의 변수를 가져와 디스플레이시키고, 상기 변수 값의 데이터 변환을 선택적으로 수행하는 데이터 관리 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 입력부를 통해 입력된 사용자의 명령 및 조건 선택에 따라서, 특정 기 간 및 특정 지역에서 측정된 하나 이상의 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 상기 변수에 대한 기술 통계, 상관 분석, 시계열 그래프, 산점도, 히스토그램을 선택적으로 구하는 기초 분석 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 수질 추세 분석 모듈은,
    상기 저장한 수질 측정 데이터로부터 특정 기간 및 특정 지역에서 측정한 하나의 변수에 대한 데이터 변환 및 차분을 선택적으로 수행한 후, 시계열로 분해하는 시계열 분해 기능을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 수질 추세 분석 모듈은,
    상기 수질 추세 분석시의 평활 방법으로, Lowess, Kernel smoothing, Smooting spline 중에서 하나를 선택 사용하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 수질 추세 분석 모듈은,
    상기 추세 검출 결과에 대한 검정 방법으로서, Mann-Kendall test를 사용하는 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 장치.
  14. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 변환은, 로그 변환, 평방근 변환, 역수 변환 중에서 하나 인 것을 특징으로 하는 수질 변동 추세 분석 장치.
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