KR102073768B1 - Drought information supply system based on portal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 물 관련기관에서 각각 생산하여 기관이 관할하는 분야에 따라 활용하였던 가뭄 데이터를 표준관리체계에 따라 통합 생산 관리하여, 표준화 기준에 따라 일관되며 정확하게 분석한 가뭄 데이터에 따라 선제적으로 대응하여 가뭄 피해를 최소화할 수 있는 기틀을 마련하며, 국민이 기상예보처럼 쉽게 접근하여 가뭄정책에 부응하는 행동으로 보여주게 할 수 있는 가뭄예보 기능을 하는 포털 기반 가뭄정보 제공 시스템에 관한 것이다.The present invention is integrated production management according to the standard management system of the drought data produced by each of the water-related institutions and used according to the area under the jurisdiction of the institution, according to preemptive response according to the drought data analyzed consistently and accurately according to the standardization standards. It provides a framework for minimizing drought damage, and provides a portal-based drought information provision system that functions as a drought forecaster that allows people to easily approach and respond to drought policy as weather forecasts.
국내·외 가뭄 발생 빈도 및 강도는 증가 추세에 있으므로, 국가 가뭄 대응체제를 사후 피해 복구 위주에서 선제적으로 가뭄에 대응하는 체제로 전환할 필요가 있다. 이를 위해서는 단기 및 장기 가뭄을 전망하여 예보 또는 경보함으로써 선제적으로 대책을 수립할 수 있게 하는 시스템 구축이 절실하다.As the frequency and intensity of droughts in Korea and abroad are increasing, it is necessary to shift the national drought response system from the recovery of post-damage recovery to the drought response system. To this end, there is an urgent need to establish a system that can proactively establish countermeasures by forecasting or warning short and long term droughts.
그런데, 가뭄 데이터는 기상, 농업, 생활 및 공업 등의 분야별 관계 부처 또는 기관에서 분산 생산되어 자체적으로 활용하거나 또는 지자체에서 개별적으로 공유할 수 있게 하고 있어서, 산발적으로 생성되는 가뭄 데이터만으로는 가뭄에 대해 체계적이면서 효과적으로 대응할 수 없었다.However, drought data is distributed and produced by relevant departments or agencies in each field such as meteorology, agriculture, life and industry, so that they can be used on their own or shared by local governments. It was unable to respond effectively.
이에, 본 발명의 출원인은 댐, 저수지, 하천 및 지하수로 구분되는 수원의 관측자료와, 용수공급체계 및 시설 자료와, 기상관측소(또는 강우관측소) 현황 및 관측/예보자료를 포함한 각 기관의 자료를 통합 수집하고 표준화된 데이터베이스 관리체계를 구축하며, 가뭄판단의 표준화 기준을 마련하여, 행정구역별 가뭄지수자료, 수위 예측에 따른 가뭄단계의 예경보자료, 가뭄 현황자료, 가뭄 관련 뉴스의 빅데이터 분석자료, 가뭄단계별 대응방안 및 국민행동요령 등 다양한 자료를 생성하고, 물관련 기관은 물론이고 일반 국민도 자료를 쉽게 취사 선택하여 활용할 수 있는 가뭄정보 포털(http://drought.kwater.or.kr 또는 http://www.drought.go.kr)을 구축하였다(비특허문헌2 참조).Accordingly, the applicant of the present invention is the data of each institution including the observation data of the water source divided into dams, reservoirs, rivers and groundwater, the water supply system and facility data, the weather station (or rainfall observation station) status and observation / forecast data Data collection, establish a standardized database management system, establish standardization standards for drought judgment, drought index data for each district, forecast data of drought stage, drought status data, and big data of drought-related news. A drought information portal (http: //drought.kwater.or.) That generates a variety of data such as analysis data, drought stage response measures, and national behavioral guidelines, and can easily select and utilize the data not only for water related organizations but also for the general public. kr or http://www.drought.go.kr) (see Non-Patent Document 2).
그런데, 운영 중인 가뭄정보 포털은 물 관련 다양한 기관 및 지방자치단체에서 쉽게 조회하며 활용할 수 있는 다양한 자료를 포털 기반으로 제공하고 있지만, 각 담당자가 관할 행정구역의 가뭄 데이터를 전담하여 관리할 수 있는 특화된 기능이 결여되어 있다. 즉, 전국 행정구역에 대해 다양하면서 정확하게 생산한 가뭄 데이터를 제공하고 있지만, 실무적으로는 관할 지역의 용수공급체계 및 그에 따른 시설 운용과 연계하여 가뭄 데이터를 활용하여야 하고, 관할 지역 가뭄 데이터를 쉽고 인지하며 신속하게 대응하여야 하며, 가뭄에 대응하여 수행한 조치를 등록하여 집계 관리하여 통계적 자료로 활용함으로써 향후 가뭄 대응의 기초자료로 활용하여야 하는 등의 다양한 특화 기능이 요구된다.However, the drought information portal in operation provides various data that can be easily searched and utilized by various institutions and local governments related to water, but specialized personnel can manage the drought data of the administrative districts in charge. It lacks functionality. In other words, while providing various and accurate drought data for national administrative districts, in practice, the drought data should be utilized in connection with the water supply system of the jurisdiction and its operation, and the drought data in the jurisdiction can be easily recognized. In addition, various specialized functions are required, such as registering the measures taken in response to drought, managing them in aggregate, and using them as statistical data to use as basic data for future drought response.
또한, 가뭄단계의 판정을 위해 필요한 수원의 수문을 예측하기 위해서, 유량 앙상블을 이용하는 ESP(Ensemble Streamflow Prediction) 기법을 개량한 Bayes-ESP 기법(비특허문헌1 참조)을 적용하여서, 예측의 정확성을 높일 수는 있었으나, 유량 앙상블의 분포에 대해 고려하지 아니하였음을 발견되어, Bayes-ESP를 고도화할 필요가 있었다.In addition, the Bayes-ESP technique (see Non-Patent Literature 1), which is an improvement of the Ensemble Streamflow Prediction (ESP) technique using the flow ensemble, is applied to predict the hydrologics of the water sources necessary for the determination of the drought stage. Although it could be increased, it was found that the distribution of the flow ensembles was not considered, and it was necessary to upgrade Bayes-ESP.
또한, 표준지하수지수 SGI(Standardized Groundwater level Index)를 과거 월별 지하수위 분포에 따라 산정하여야 하는 데, 지하수위 분포를 신뢰성 있게 반영하는 과거 관측자료가 아직까지는 불충분하게 축적되어 있는 지하관측소가 존재함에 따라, 산정한 SGI의 신뢰성도 담보하기 어려웠다.The standardized groundwater level index (SGI) should be calculated according to the monthly monthly groundwater level distribution, and there are underground observation stations where historical observation data reflecting the groundwater level distribution are still insufficiently accumulated. In addition, the reliability of the calculated SGI was difficult to secure.
또한, 표준강수지수 SPI(Standardized Precipitation Index)의 1 내지 12개월 지속기간 자료로 인공신경망을 학습시킨 후 SGI를 예측하였는데, 여기서, 깊은 학습을 위해 많은 수의 뉴럴을 은닝층에 배치하였으나, 인공신경망을 행정구역별로 운영함에 따라 시스템 운용에 부담이 되었다.In addition, SGI was predicted after learning artificial neural networks with 1-12 months duration data of Standardized Precipitation Index (SPI), where a large number of neurals were placed in the silvering layer for deep learning. The operation of the system was burdened by the administrative districts.
따라서, 본 발명의 목적은 물 관련기관별 또는 지자체별로 특화된 접속 환경하에 관할 지역의 가뭄 데이터를 신속화하게 파악 및 관리하며 가뭄 대응에 만전을 기할 수 있을 뿐만 아니라, 보다 정확한 가뭄 데이터를 제공함으로써, 가뭄 판단의 정확성을 높여 고도화한 포털 기반 가뭄정보 제공 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to quickly identify and manage drought data in a jurisdiction under specialized connection environments by water-related organizations or local governments, to ensure drought response, and to provide drought data by providing more accurate drought data. It is to provide an advanced portal-based drought information providing system with improved accuracy.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 포털 기반 가뭄정보 제공 시스템에 있어서, 댐, 저수지 및 하천으로 구분되는 급수 수원과 비급수 지역의 수원인 지하수의 과거 수문관측자료, 과거 기상자료, 및 급수 수원의 과거 급수자료를 포함한 과거 기초자료와, 과거 가뭄지수자료와, 행정구역별 용수공급체계자료와, 행정구역별 가뭄 판단기준을 데이터베이스화하고, 행정구역별 및 물 관련기관별 담당자 로그인 정보를 저장하여둔 DB 서버(10); 현재의 기초자료 및 기상예보자료를 수집하여 데이터베이스화하는 자료 수집 모듈(21); 현재 및 미래의 가뭄지수를 기초자료 및 기상예보자료에 따라 행정구역별로 산정하여 지수기반 가뭄단계를 판정하고 데이터베이스화하는 지수기반 가뭄분석 모듈(22); 가뭄지수 중에 행정구역별 SGI(Standardized Groundwater level Index, 표준지하수지수)에 대하여, 기초자료에 따라 산정하고, SPI(Standardized Precipitation Index, 표준강수지수)와의 상관성에 근거하여 SPI에 따라 미래의 값을 예측하고, 현재 및 미래의 지하수 가뭄단계를 판정하여 데이터베이스화하는 지하수 가뭄분석 모듈(23); 급수 수원에 의한 가뭄에 관련하여, 기초자료에 따른 현재의 수문기반 가뭄단계를 가뭄 판단기준에 따라 행정구역별로 판정하고 데이터베이스화하는 모니터링 모듈(24); 급수 수원에 의한 가뭄에 관련하여, 기초자료 및 기상예보자료에 따른 수원별 미래의 수문을 수원별 강우-유출모형으로 예측한 후 미래의 수문기반 가뭄단계를 가뭄 판단기준에 따라 행정구역별로 판정하고 데이터베이스화하는 가뭄전망 모듈(25); 비로그인 상태에서 데이터베이스 자료를 제공하는 일반 서비스, 담당자의 로그인 상태에서 담당자 관할 행정구역의 데이터베이스 자료를 취합한 감시/전망 상황판 및 관할 행정구역의 데이터베이스 자료 중에 담당자가 중점적으로 조회할 목적으로 선택한 항목의 자료를 취합한 모아보기 상황판을 포함한 가뭄 종합 상황판을 제공하며, 감시/전망 상황판의 자료를 기록한 리포트를 제공하는 의사결정지원 서비스, 담당자의 로그인 상태에서 담당자 관할 행정구역의 비상급수 현황자료 등록 및 실적 조회를 하는 비상급수관리 서비스를 제공하며, 비상급수 현황자료를 데이터베이스화하는 포털 Web 서버(30); 를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a portal-based drought information providing system, the past hydrological observation data, past meteorological data, and water supply source of groundwater which is a source of water supply source and non-water supply area divided into dams, reservoirs and rivers Database of historical basic data including past water supply data, past drought index data, water supply system data by administrative districts, drought judgment criteria by administrative districts, and log-in information for each administrative district and water related organizations. DB
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가뭄 종합 상황판은 용수공급체계자료에 따라 검색되는 대체 수원 정보, 비상급수 가능한 주변 관할 행정구역의 수원 정보 및 행정구역 또는 관련기관에 특화된 가뭄 대응 방안을 포함한 가뭄 대응 전략을 보여주며, 임의로 선택한 가뭄단계에 대응되는 가뭄 대응 전략을 시뮬레이션할 수 있게 한 가뭄 분석 상황판을 포함한다.According to one embodiment of the present invention, the drought comprehensive situation board is a drought including the alternative source information retrieved according to the water supply system data, the source information of the emergency jurisdiction surrounding jurisdiction administrative districts and drought response plan specialized to the administrative districts or related institutions It shows a response strategy and includes a drought analysis status board that allows you to simulate a drought response strategy that corresponds to a randomly chosen drought stage.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가뭄전망 모듈(25)은 과거 기초자료에 따라 수원별 강우-유출모형을 학습시키고, 과거 기상자료에서 얻는 기상 앙상블을 강우-유출모형에 적용하여 유량 앙상블을 얻은 후 유량 앙상블을 기상예보자료의 확률을 적용하여 가중 평균한 값을 유량으로 예측하고, 예측한 유량에 따른 확률적 수문을 적용하여 수문기반 가뭄단계를 판정한다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가뭄전망 모듈(25)은 사후 분포(Posterior distributon) 관계식 와 의 유량로 획득한 확률적 수문을 사용하며, 사후 분포 관계식에서, 및 는 과거 수문관측자료의 유량 평균 및 분산이고, 및 는 미래 예측 시점의 유량 앙상블 맴버의 평균 및 분산이며, , 및 는 과거 기초자료로 얻는 유량 앙상블 평균 및 수문관측 유량 사이의 상관을 나타내는 선형 회귀 모델 의 절편 , 기울기 및 잔차 의 분산 으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 유량 앙상블을 정규분포를 갖도록 변환한 후 사용한다.According to one embodiment of the invention, the flow ensemble is converted to have a normal distribution and then used.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가뭄전망 모듈(25)은 현재의 기상예보자료를 강우-유출모형에 적용하여 얻은 예측 유량으로 획득한 정량적 수문을 추가로 얻은 후, 확률적 수문 및 정량적 수문 중에 기설정 선정 규칙에 따라 어느 하나의 수문을 선택하고, 선택한 수문에 따라 미래의 수문기반 가뭄단계를 판정한다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 기설정 선정 규칙은 정량적 수문과 확률적 수문 중에 낮은 값을 선택하는 규칙으로 한다.According to an embodiment of the present disclosure, the preset selection rule is a rule for selecting a low value among quantitative and probabilistic sluices.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가뭄전망 모듈(25)은 ABCD 모형 및 TANK 모형을 강우-유출모형으로 하여, 주단위 및 월단위 수문을 예측하되, 월단위 수문기반 가뭄단계를 판정할 시에 ABCD 모형 및 TANK 모형을 동시 운용한 후 상대적으로 낮은 유량을 적용한다.According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)은 과거 수문관측자료에서 일단위로 관측한 지하수위의 확률분포에 따른 월별 확률밀도함수(PDF : probability density function)를 커널밀도함수(KDE : kernel density estimation) 기법에 의해 획득하며, 현재 시점이 속한 월의 확률밀도함수에서 현재 시점의 월평균 지하수위의 분위(qunatile) 값을 얻어 현재 SGI를 정하고 현재 지하수 가뭄단계를 판정한다.According to an embodiment of the present invention, the groundwater
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)은 예측 기간이 경과한 시점까지 얻은 1 내지 12개월 지속단위 SPI와 예측 기간이 경과한 시점 이전에 얻은 SGI를 입력받는 입력층과, 기설정 개수를 초과한 뉴런으로 구성된 은닉층과, 예측 기간이 경과한 시점의 SGI를 출력하는 출력층을 갖는 인공신경망을 과거 기초자료로 학습시키되, 은닉층의 뉴런을 가지치기(pruning)에 의해 기설정 개수로 줄이며 학습시킨 후, 현재까지 데이터베이스화한 자료에 따라 미래의 SGI를 예측한다.According to an embodiment of the present disclosure, the groundwater
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)에서 분위(quantile)에 따라 현재 SGI를 선정하기 위해 적용할 현재 시점의 지하수위는 월평균 지하수위 대신에 현재 시점의 관측 지하수위로 한다.According to an embodiment of the present invention, the groundwater level at the present time to be applied to select the current SGI according to the quantile in the groundwater
상기와 같이 구성되는 본 발명은 행정구역별 지수기반 가뭄단계, 수문기반 가뭄단계 및 지하수 가뭄단계를 표준화 방식에 따라 판정하여 제공함으로써, 일관되면서 통일화되고 행정구역 및 물 관련기관의 업무 분야에 맞게 가뭄에 대응할 수 있는 기반을 마련함은 물론이고, 누구든 포털 웹 서버를 통해 조회하여 활용하면서 가뭄에 대응할 수 있게 하며, 행정구역 및 물 관련기관에 특화된 서비스를 이용하여, 가뭄 데이터의 활용가치를 높이며 업무에 효과적으로 활용할 수 있게 한다.The present invention constituted as described above is determined by providing an index-based drought stage, a hydrology-based drought stage and a groundwater drought stage for each administrative region according to a standardized method, which is consistently unified and drought according to the business area of the administrative region and water related institutions. In addition to providing a foundation to cope with the problem, anyone can respond to droughts by using the portal web server to look up and utilize them, and use services specialized for administrative districts and water-related institutions to increase the value of drought data and Make effective use.
본 발명의 실시 예에 따르면, 가뭄 분석 상황판을 제공함으로써, 행정구역별 및 물 관련기관별 담당자 간의 가뭄 대응 협업을 유도함은 물론이고, 가상 시뮬레이션을 활용하여 가뭄 대응에 만전을 기할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by providing a drought analysis situation board, it is possible to induce drought response cooperation between personnel in each administrative district and water-related organizations, as well as to make full use of the drought response by using a virtual simulation.
본 발명의 실시 예에 따르면, ESP 기법에 따라 기상 앙상블 및 유량 앙상블를 사용하여 수문을 예측함에 있어서, 기상예보 확률을 반영하므로, 현재 기상예보에 적응하며 수문을 예측하여 예측 정확성을 높일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the weather forecasting probability is reflected in the prediction of the hydrology using the weather ensemble and the flow ensemble according to the ESP technique, the prediction accuracy may be improved by adapting to the current weather forecast and predicting the hydrology.
본 발명의 실시 예에 따르면, 유량 앙상블의 확률분포를 반영한 개량된 Bayes-ESP 기법을 사용함으로써, 수문 예측의 정확성을 더욱 높일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by using the improved Bayes-ESP method reflecting the probability distribution of the flow ensemble, it is possible to further increase the accuracy of hydrologic prediction.
본 발명의 실시 예에 따르면, 정량적 수문 및 확률적 수문을 모두 얻고, 강우-유출모형에 대해서는 ABCD 모형 및 TANK 모형을 모두 운용함으로써, 물 순환과정이 수원 유역별 및 행정구역별로 다양하게 나타나더라도 가뭄이 우려되는 상황을 누락 없이 예측할 수 있게 한다.According to an embodiment of the present invention, by obtaining both quantitative and probabilistic sluice, and by using both the ABCD model and the TANK model for the rainfall-runoff model, even if the water circulation process appears variously by watershed basin and administrative district, This situation can be predicted without omission.
본 발명의 실시 예에 따르면, SGI(Standardized Groundwater level Index, 표준지하수지수)를 일단위 관측 지하수로 얻는 확률밀도함수(PDF : probability density function)에 따라 산정하고, 은닉층을 최적화한 인공신경망으로 예측하여서, 지하수 가뭄단계를 더욱 정확하게 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a standardized groundwater level index (SGI) is calculated according to a probability density function (PDF: probability density function) obtained as a daily observation groundwater, and predicted by an artificial neural network optimized for hidden layers. Therefore, the groundwater drought stage can be obtained more accurately.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 포털 기반 가뭄정보 제공 시스템의 블록 구성도.
도 2는 가뭄분석 서버(20)에 구비된 지하수 가뭄분석 모듈(23) 및 가뭄전망 모듈(25)의 상세 블록 구성도.
도 3은 SGI(Standardized Groundwater level Index, 표준지하수지수)의 산정과정을 보여주는 도면.
도 4는 월단위 지하수위 분포(a)와 일단위 지하수위 분포(b)의 차이를 보여주는 도면.
도 5는 인공신경망(a) 및 입력 데이터세트를 보여주는 도면.
도 6은 강우-유출모형의 모식도.
도 7은 기상 앙상블의 예시 데이터 및 Bayes-ESP 기업에 의한 유량 예측 과정을 보여주는 도면.
도 8은 포털 웹 서버(30)로 제공하는 가뭄 종합 상황판의 화면 구성도.
도 9는 포털 웹 서버(30)로 제공하는 비상급수 실적 등록화면 구성도.
도 10은 포털 웹 서버(30)로 제공하는 급수지원 실적 조회화면 구성도.1 is a block diagram of a portal-based drought information providing system according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed block diagram of the groundwater
3 is a view showing a process of calculating the Standardized Groundwater Level Index (SGI).
4 is a view showing the difference between the monthly groundwater level distribution (a) and the daily groundwater level distribution (b).
5 shows an artificial neural network (a) and an input dataset.
6 is a schematic diagram of a rainfall-flow model.
7 shows exemplary data of a weather ensemble and flow forecasting process by the Bayes-ESP company.
8 is a screen configuration diagram of a drought general situation board provided by the
9 is an emergency water supply performance registration screen configuration provided by the
10 is a block diagram of the water supply support results provided by the
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 이해를 돕기 위해 필요하다고 판단되는 경우 공지된 문헌을 언급한다.In addition, in describing the embodiments of the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or known configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted and for the purpose of understanding. Reference is made to known documents as deemed necessary.
도 1에 도시한 블록 구성도를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 포털 기반 가뭄정보 제공 시스템은 사전 준비한 자료를 데이터베이스화한 DB 서버(10), 통신망을 통해 연계된 물관리정보유통시스템(WINS, 1)으로부터 현재의 기초자료를 수집하여 데이터베이스화하며 가뭄분석 데이터를 생성하여 데이터베이스화하는 가뭄분석 서버(20) 및 데이터베이스화한 자료를 통신망을 통해 접속한 클라이언트에게 제공하는 포털 웹 서버(30)를 포함하여 구성된다.Referring to the block diagram shown in Figure 1, the portal-based drought information providing system according to an embodiment of the present invention is a
상기 가뭄분석 서버(20)는 가문지수에 따라 판정한 지수기반 가뭄단계, 및 수원의 수문에 따라 판정한 수문기반 가뭄단계를 현황자료로서 일별로 생성함은 물론이고 기상예보자료 및 개량된 방식으로 예측한 수원의 수문에 따라 전망한 지수기반 가뭄단계 및 수문기반 가뭄단계의 전망자료를 매월 지정 날짜에 3개월까지 월별 자료로 생성하고, 매주 지정된 요일에는 1개월까지의 주간별 자료로 생성한다. 즉, 1/2/3개월 전망자료를 매월 1회 생성하여, 매월 3개월까지 예/경보할 수 있게 하고, 1/2/3/4주 전망자료를 매주 1회 생성하여, 매주 4주간을 전망할 수 있게 한다.The
여기서, 수원의 수문은 적어도 2개의 강우-유출모형(또는 수문모형)을 적용한 기법과, 개량한 Bayes-ESP 기법과, 정량적 예측 및 확률적 예측을 병행하는 기법에 따라 예측하여, 예측 정확성을 높인다. 강우량은 전국 각지에 지정 위치에 설치한 관측소에서 관측하므로, 지점에서 관측한 강우량을 티센법(Thissen method)에 따라 유역단위 또는 행정구역 단위의 면적강수량으로 변환하여 사용하였다.Here, the water gate of Suwon is predicted according to a technique using at least two rainfall-runoff models (or hydrologic models), an improved Bayes-ESP technique, and a combination of quantitative and probabilistic predictions, thereby increasing prediction accuracy. . Since rainfall is observed at stations located at designated locations all over the country, the rainfall observed at the point is converted to area precipitation of watershed unit or administrative unit according to thissen method.
수원별로 판정한 가뭄단계는 수원으로부터 급수되는 행정구역의 가뭄단계를 판정하는 데 적용하여서, 행정구역별 가뭄단계를 얻는다.The drought level determined by the source is applied to determine the drought level of the administrative area supplied from the source, so that the drought level is obtained by the administrative area.
또한, 상기 가뭄분석 서버(20)는 가뭄지주 중에 SGI(Standardized Groundwater level Index, 표준지하수지수)를 별도로 산정 및 예측하여 지하수 가뭄단계의 현황자료 및 전망자료를 생성한다. In addition, the
여기서, SGI는 다년간에 관측된 지하수위를 월별로 취합하여, 월별 지하수위 분포를 얻고, 이를 기반으로 산정하므로, 매월 말일 기준으로 생성하는 것으로 하였다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 월간 평균 지하수위의 확률분포를 사용하던 기존 방식과는 상이하게 일별로 관측된 지하수위를 그대로 사용하여서, 한정된 관측 기간의 자료로부터 보다 정확한 확률분포를 얻으며, KDE(kernel density estimation, 커널밀도함수) 기법으로 확률분포를 일반화한 확률밀도함수를 사용함으로써, 지하수 관측소별로 확률분포가 다양하게 나타나더라도 원자료의 히스토그램을 충실하게 재현하는 확류밀도를 추정할 수 있게 한다. 아울러, 지하수관측망에 따라 티센망(Thiessen polygon)을 구축하여, 면적가중 평균한 행정구역별 SGI를 얻는다.Here, SGI collects the monthly groundwater level observed for many years, obtains the monthly groundwater level distribution, and calculates it based on it, so it is to be generated on the basis of the end of each month. According to an embodiment of the present invention, the groundwater level observed daily is used as it is, which is different from the conventional method using the monthly mean groundwater level probability distribution, thereby obtaining a more accurate probability distribution from data of a limited observation period, and using KDE ( By using the probability density function that generalizes the probability distribution with the kernel density estimation technique, it is possible to estimate the spread density that faithfully reproduces the histogram of the original data even if the probability distribution varies with each groundwater station. In addition, Thiessen network is constructed according to the groundwater observation network, and the area-weighted average SGI is obtained.
또한, SGI는 매월 말일에 1개월/2개월/3개월 후의 값을 예측하여 예/경보하는 사용하게 하며, 이를 위해서, 예측 시점까지의 SGI 및 1 내지 12개월 지속기간의 SPI(Standardized Precipitation Index, 표준강수지수)를 입력받아 1개월후의 예측 SGI를 출력하는 인공신경망을 학습시켜 사용한다. 여기서, 인공신경망은 행정구역별 및 월별로 마련되며, 은닉층의 뉴런 개수를 초기에 충분히 많게 한 후 기설정 개수로 줄이는 가지치기 방식으로 학습시킴으로써, 간소화 및 최적화하였다. In addition, the SGI predicts the value of 1 month / 2 months / 3 months after the end of each month to use for example / alarm, for this purpose, SGI (Standardized Precipitation Index, SPI of 1 to 12 months duration) It is used to learn artificial neural network that receives standard precipitation index) and outputs predicted SGI after 1 month. Here, the artificial neural network is provided for each administrative district and monthly, and by simplifying and optimizing the number of neurons in the hidden layer by initially pruning method to reduce the number to a predetermined number.
이와 같이 가뭄지수, 지수기반 가뭄단계, 예측 수문, 수문기반 가뭄단계, SGI 및 지하수 가뭄단계를 포함한 가문분석 데이터는 상기 DB 서버(10)에 데이터베이스화하고, 기문분석 데이터의 생성을 위한 과거 자료, 가뭄 판단기준 등은 미리 DB 서버(10)에 데이터베이스화하고, 시스템 운용과정 중에 지속적으로 갱신되게 한다.As such, the family analysis data including the drought index, the index-based drought stage, the predicted hydrology, the hydrologic drought stage, the SGI and the groundwater drought stage are databased in the
상기 포털 웹 서버(30)는 데이터베이스화한 자료는 통신망을 통해 제공하기 위한 포털 기반 서버로서, 비로그인 상태에서 제공하는 자료와 별도로 행정구역별 및 물 관련기관별 담당자의 로그인 상태에서 관할 지역에 특화된 서비스를 제공한다. 여기서, 특화된 서비스는 의사결정지원 서비스, 비상급수관리 서비스 및 급수지원관리 서비스를 포함한다.The
이하, 도면을 참조하며 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described in more detail.
상기 DB 서버(10)에 데이터베이스화한 사전 준비 자료는 과거 기초자료와, 과거 기초자료에 따라 획득한 과거 가뭄지수자료와, 행정구역별 가뭄 판단기준과, 행정구역별 용수공급체계자료와, 행정구역별 과거 비상급수자료를 포함하고, 아울러, 행정구역별 또는 물 관련기관별 담당자의 로그인 정보도 상기 DB 서버(10)에 저장되어 있다.The preliminary data databased on the
상기 기초자료는 댐, 저수지 및 하천으로 구분되는 급수 수원 및 비급수 지역의 수원인 지하수의 수문을 관측하여 얻는 수문관측자료와, 기상자료와, 급수 수원의 급수자료를 포함하며, 과거 자료로서 미리 데이터베이스화하여 후술하는 바와 같이 강우-유출모형(또는 수문모형) 및 인공신경망을 학습시키고, SGI(Standardized Groundwater level Index, 표준지하수지수) 산정을 위한 지하수위 확률분포를 얻는 데 사용된다. 물론, 전국 각지의 수원 위치 및 수문관측소 위치를 수문관측자료와 연결하여 데이터베이스화하고, 기상자료를 얻는 관측소 위치도 기상자료와 연결하여 데이터베이스화한다. The basic data includes hydrologic observation data obtained by observing the hydrologic water of groundwater, which is a source of water supply and non-water supply area divided into dams, reservoirs and rivers, meteorological data, and water supply data of the water supply source. Databases are used to learn rainfall-runoff models (or hydrologic models) and neural networks as described below, and to obtain groundwater level probability distributions for SGI (Standardized Groundwater Level Index). Of course, the locations of water sources and stations in various parts of the country are databased by linking them with hydrologic observation data, and the locations of stations that obtain weather data are also databased by connecting them with meteorological data.
본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 바와 같이, 수원의 수문은 수원의 종류에 따라 수위, 유량, 저수량 등이 될 수 있고, 기상자료는 강우량, 기온, 일조시간 등을 포함할 수 있고, 급수자료는 급수 수원(댐, 저수지 및 하천)의 용수사용량, 방류량, 배수량 등을 포함하는 유출량에 관련된 자료일 수 있다. As is known in the art to which the present invention belongs, the water gate of the water source may be water level, flow rate, low water amount, etc. according to the type of water source, the weather data may include rainfall, temperature, sunshine time, etc. The data may be related to runoff, including water consumption, discharge, and drainage of feedwater sources (dams, reservoirs, and streams).
여기서, 기상자료는 기상관측소별 관측자료이므로, 티센망(Thiessen polygon)을 이용하여 변환한 수원 유역별 자료를 포함하게 하고, 행정구역별 자료도 포함하게 한다.Here, since the weather data are observation data for each weather station, it is necessary to include the data by the watershed basin converted using the Thiessen polygon, and also the data by administrative district.
상기 가뭄지수자료는 SGI(Standardized Groundwater level Index, 표준지하수지수), SPI(Standardized Precipitation Index, 표준강수지수), PDSI(Palmer Drought Severity Index, 파머강우지수), MSWSI(Modified Surface Water Supply Index, 수정지표수공급지수) 및 SMI(Soil Moisture Index, 토양수분지수)를 포함한 가뭄지수의 데이터로서, 과거 기초자료에 근거하여 산정한 후 데이터베이스화하였다. The drought index data include Standardized Groundwater Level Index (SGI), Standardized Precipitation Index (SPI), Palmer Drought Severity Index (PDSI), Modified Surface Water Supply Index (MSWSI) Drought index data including feed index) and SMI (Soil Moisture Index) were calculated based on past basic data and then databased.
다만, SGI는 후술하는 지하수 가뭄분석 모듈(23)에서 현재의 SGI를 산정하는 방식에 따라 과거 기초자료를 적용하여 과거의 값으로 얻은 후 데이터베이스화하는 것이 바람직하다.However, the SGI is preferably databased after obtaining the past value by applying the past basic data according to the method of calculating the current SGI in the groundwater
SPI는 1 내지 12개월을 지속기간으로 하는 지수를 모두 데이터베이스화하여 후술하는 바와 같이 인공신경망에서 사용될 수 있게 하지만, 상기 포털 웹 서버(30)에서는 예를 들어 지속기간이 1개월인 SPI1, 3개월인 SPI3 및 6개월인 SPI6만 선별하여 제공하여도 좋다.SPI database all indexes with a duration of 1 to 12 months to be used in the artificial neural network as described below, but in the
상기 용수공급체계자료는 수원에서 수요처까지의 용수공급체계에 관련된 자료로서, 예를 들어 생활용수에 관련하여 설명하면, 수원, 취수장, 정수장, 배수지 및 용수 수요처까지의 경로 및 시설자료일 수 있다. 이러한 용수공급체계자료는 각각의 행정구역별 용수공급체계자료로 활용된다. The water supply system data is data related to the water supply system from the source to the demand source. For example, the water supply system data may be a path and facility data from the water source, the intake station, the water purification plant, the drainage basin, and the water demand source. This water supply system data is used as water supply system data for each district.
상기 가뭄 판단기준은 각각의 수원에 대해 선정함은 물론이고, 용수공급체계자료에 따라 각각의 행정구역별로 가뭄단계를 판정할 시에 적용된다. 댐 및 저수지는 저수량, 유입량 및 유출량(예를 들어 급수자료에 따른 유출량)은 물론이고, 평년 대비 저수율을 가뭄 판단기준으로 할 수 있고, 하천은 수위, 유량, 유황곡선으로 얻는 풍/평/저/갈 수위, 또는 10년빈도 갈수위 등을 가뭄 판단기준으로 할 수 있으며, 이러한 가뭄 판단기준은 전국 각지의 수원별로 사용되는 기준을 수집하여 정할 수도 있으나, 수집한 기초자료에 따라 자체적으로 생성하여 표준화하여도 좋다. 다만, 본 발명의 실시 예에서는 미급수 지역에 대해서 지하수에 관련된 SGI의 크기에 따라 가뭄단계를 판정하는 별도의 기준을 마련하였다.The drought criteria are selected for each source, as well as for determining the drought stage for each administrative area according to the water supply system data. Dams and reservoirs can be based on drought criteria as well as reservoirs, inflows and outflows (e.g. runoff based on water supply data), and streams can be characterized by water levels, flow rates, and sulfur curves. The level of drought can be used as the criteria for drought, or the 10-year frequency. The drought criteria can be collected and determined based on the source used by the sources in different parts of the country, but they can be generated and standardized according to the collected basic data. You may also do it. However, in the embodiment of the present invention, a separate criterion for determining the drought stage according to the size of the SGI related to the groundwater is provided for the non-water supply area.
한편, 본 발명에 따르면, 후술하는 바와 같이 비상급수자료를 수집하여 데이터베이스화하므로, 과거 비상급수자료를 수집하여 데이터베이스화함으로써, 본 시스템의 구축 이전 자료의 조회도 가능하게 하는 것이 좋다.On the other hand, according to the present invention, since the emergency water supply data is collected and databased as described below, by collecting the past emergency water supply data to the database, it is good to enable the inquiry of the data before the construction of the system.
아울러, 수질측정망 및 측정수질에 관련된 수질측정자료를 데이터베이스화하여, 상기 포털 웹 서버(30)에서 제공하게 하는 것도 좋다.In addition, a database of water quality measurement data related to the water quality measurement network and the measured water quality may be provided by the
상기 로그인 정보는 광역자치단체, 기초자치단체, 읍면동 등으로 구분되는 행정구역별 담당자 또는 수자원공사, 농어촌공사, 환경부, 행정안전부, 홍수통제소 등의 물 관련기관별 담당자의 로그인 정보로서, 각각 관할 행정구역에 관련된 정보를 포함한다.The log-in information is the log-in information of the person in charge of each administrative area divided into a regional government, a basic self-government, an eupmun-dong, or a person in charge of water-related organizations such as the Water Resources Corporation, the Rural and Fishery Corporation, the Ministry of Environment, the Ministry of Public Administration and Security, and the Flood Control Center. Contains information related to
상기에서 설명한 데이터베이스화 자료는 후술하는 바와 같이 가뭄분석 서버(20) 및 포털 웹 서버(30)에 의해 갱신되고, 가뭄분석 서버(20)에서 가뭄 현황, 가뭄 예측 및 가뭄 예경보에 활용된다.The database data described above is updated by the
상기 가뭄분석 서버(20)는 행정구역별로 현재의 가뭄현황을 파악하고 미래의 가뭄을 예측하여 얻는 행정구역별 가뭄분석 데이터를 DB 서버(10)에 데이터베이스화함으로써, 행정구역별 가뭄분석 데이터를 상기 포털 웰 서버(30)를 통해 제공할 수 있게 하는 서버로서, 이를 위해서 자료 수집 모듈(21), 지수기반 가뭄분석 모듈(22), 지하수 가뭄분석 모듈(23), 모니터링 모듈(24) 및 가뭄전망 모듈(25)을 포함한다.The
상기 자료 수집 모듈(21)은 현재의 기초자료 및 현재에 예보된 기상예보자료를 주기적으로 또는 실시간으로 수집하여 데이터베이스화한다. 기초자료는 상기에서 언급한 바와 같이, 댐, 저수지, 하천 및 지하수의 수문을 관측하여 얻는 수문관측자료, 기상관측소에서 관측된 기상자료, 수원의 급수량을 계측한 급수자료를 포함하고, 기상예보자료는 주간 예보자료뿐만 아니라 기상청에서 매월 1일 제공하는 전국 기상관측소 지점의 1 내지 3개월 전망 자료도 활용할 수 있으며, 이러한 기초자료 및 기상예보자료는 물관리정보유통시스템(WINS)와 연계하여 수집할 수 있게 되어 있으나, 관련 기관을 통해 직접 수집하게 하여도 좋다.The
수집하는 기초자료 중에 기상자료 및 기상예보자료에서 유역별 및 행정구역별 자료를 생성하여 추가로 데이터베이스화함으로써, 유역에 따라 유량을 산정할 시, 행정구역별 가뭄지수를 산정할 시, 행정구역별 누가강우량을 산정할 시 등의 용도로 사용할 수 있게 한다.Based on the collected basic data, the data for each basin and administrative district are generated and further databased by meteorological data and weather forecast data. When the flow rate is calculated according to the watershed, when the drought index is calculated for each administrative district, It can be used for the purpose of estimating the amount of rainfall.
상기 기수기반 가뭄분석 모듈(22)은 가뭄지수인 SPI(Standardized Precipitation Index, 표준강수지수), PDSI(Palmer Drought Severity Index, 파머강우지수), MSWSI(Modified Surface Water Supply Index, 수정지표수공급지수) 및 SMI(Soil Moisture Index, 토양수분지수)를 기초자료에 따라 일별로 산정하고, 기상예보자료에 따라 월간 및 주간으로 예측하고, 산정 및 예측한 가뭄지수를 보간법 또는 티센망에 따라 행정구역 단위의 값으로 변환한 후 행정구역별 현재 및 미래의 지수기반 가뭄단계를 판정한다. 가뭄지수를 산정할 시에 행정구역 단위로 변환한 기상자료를 활용하여 행정구역별 가뭄지수를 얻어도 좋다. 상기한 가뭄지수는 공지된 기술에 의해서 산정하고, 행정구역 단위로 변화하므로, 상세 설명을 생략한다.The radix-based drought analysis module 22 includes the drought index SPI (Standardized Precipitation Index), PDSI (Palmer Drought Severity Index), MSWSI (Modified Surface Water Supply Index) SMI (Soil Moisture Index) is calculated on a daily basis according to basic data, monthly and weekly based on weather forecast data, and the calculated and predicted drought index is calculated in administrative districts according to interpolation or Thyssen network. And then determine the current and future index-based drought levels for each district. When calculating the drought index, the drought index may be obtained for each administrative region by using weather data converted into administrative districts. The drought index is calculated by a known technique and changed in units of administrative regions, and thus detailed description thereof will be omitted.
이러한 행정구역별 가뭄지수 산정 및 및 지수기반 가뭄단계 판정은 매일 1회 실시하고, 매월 지정된 날짜에 1/2/3개월 전망을 위해 실시되고, 생성된 가뭄지수 및 지수기반 가뭄단계를 포함한 자료는 데이터베이스화하여, 기존 데이터베이스화한 가뭄지수자료에 추가되고, 행정구역별 지수기반 가뭄단계는 본 시스템이 구축되어 신규 생성된 이후 지속적으로 축적되게 한다. The drought index calculation and index-based drought stage determination by administrative districts are conducted once daily, and the forecast for 1/2/3 months on a designated date every month, and the data including the drought index and the index-based drought stage are generated. The database is added to the existing database-based drought index data, and the index-based drought stages by administrative districts continue to accumulate after the system is newly created and created.
도 2(a)는 상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)의 상세 블록 구성도이다.2 (a) is a detailed block diagram of the groundwater
상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)은 SGI(Standardized Groundwater level Index, 표준지하수지수)를 기초자료에 따라 매월 1회씩 획득하기 위한 PDF 획득부(23a), SGI 산정부(23b) 및 가뭄단계 판정부(23c)와, 미래 예측된SPI(Standardized Precipitation Index, 표준강수지수)를 활용한 미래의 SGI를 1개월 후의 값, 2개월 후의 값 및 3개월 값으로 예측하기 위한 인공신경망 학습부(23d), SGI 예측부(23e) 및 가뭄단계 예측부(23f)를 포함한다.The groundwater
상기 PDF 획득부(23a), SGI 산정부(23b) 및 가뭄단계 판정부(23c)에 의한 SGI 산정과정 및 지하수 가뭄단계 판정과정을 3 및 도 4를 참조하며 설명한다.The SGI calculation process and the groundwater drought stage determination process by the
상기 PDF 획득부(23a)는 과거에 관측된 지하수위의 PDF(probability density function, 확률밀도함수)을 추정한다. 이를 위해서, 도 3(a)에 도시한 바와 같이 지하수위 자료의 히스토그램으로부터 Gamma 분포를 얻어 PDF를 추정한다. 그런데, 지하수위 분포가 매우 다양하게 나타나므로, 일반화된 분포식으로 취급하기엔 무리가 있으며, 이에, 출원인은 KDE(kernel density estimation, 커널밀도함수)를 얻어 PDF로 사용하는 기법을 사용하였으며, KDE는 공지된 바와 같이 아래의 수학식으로 정의할 수 있다.The
상기 수학식 1에서, K는 커널함수이고, xi 는 관측한 지하수위이고, n은 관측 자료 개수이고, h는 커널의 완만한 정도를 조절하는 대역폭(bandwidth)으로서 출원인은 0.8로 설정 사용하였고, 밴드 개수는 100개로 하였으며, KDE 는 지하수위 X에 대한 커널밀도를 나타낸다. In
이와 같이 KDE로 사용하는 PDF는 지하수위 관측소별 및 월별로 획득하여 관측소 위치 및 SGI 산정 시점의 월에 대응되는 것을 적용한다. As such, the PDF used for KDE is obtained by the groundwater level station and the month and applies to the month corresponding to the station location and the SGI calculation point.
상기 SGI 산정부(23b)는 SGI 산정 시점의 현재 지하수위에 따른 SGI를 구한다. 즉, 도 3(b)에 도시한 바와 같이 커널밀도로 얻는 확률분포에 따라 CDF(cumulative distribution function, 누적분포함수)를 얻고, CDF에서 현재 지하수위의 누적확률을 도 3(c)에 도시한 바와 같이 CDF를 표준정규분포의 CDF로 투영하여 SGI를 구함으로써, 정규화된 분위(quangile)의 값으로 SGI를 구한다.The
여기서 구한 SGI는 지하수위 관측소에 대한 값이므로, 지하수위 관측소의 위치에 따라 티센망(Thiessen polygon)을 구축하고, 각 관측소가 해당 행정구역에서 차지하는 면적 비율을 가중치로 적용하여, 행정구역 단위의 SGI를 산정한다.The SGI obtained here is a value for the groundwater level station. Therefore, according to the position of the groundwater level station, a Tiessen polygon is constructed, and the weighted ratio of the area occupied by the station in each administrative area is applied to the SGI in the administrative area. Calculate
상기 가뭄단계 판정부(23c)는 행정구역별로 산정한 SGI의 크기에 따라 현재의 행정구역별 지하수 가뭄단계를 판정한다. 여기서 얻는 행정구역별 SGI 및 지하수 가뭄단계는 DB 서버(30)에 데이터베이스화한다.The drought stage determination unit 23c determines the current groundwater drought stage for each administrative region according to the size of the SGI calculated for each administrative region. SGI and groundwater drought stages obtained by the administrative region is databased in the DB server (30).
이상에서 설명한 SGI는 월별 확률밀도함수 PDF를 사용하여 평년 대비 현재 지하수위의 높고 낮은 정도로 산정하므로, 계절적 주기성을 반영할 수 있다. 따라서, 충분한 과거 관측자료가 필요하다.The SGI described above is calculated using the monthly probability density function PDF as a high and low level of the current groundwater level compared to an average year, and thus can reflect seasonal periodicity. Therefore, sufficient past observations are needed.
그런데, 종래에는 월평균 지하수위를 사용함으로써, 현실적으로 충분한 과거 관측자료를 활용하기 어려웠다. 예를 들어, 20년간의 관측기간을 갖는 관측소에 대해서, 20개의 월평균 지하수위를 활용하여 1 내지 12월의 확률밀도함수를 각각 얻을 수 있으므로, 실제 지하수위의 월별 확률밀도를 반영하기 어렵다.However, conventionally, by using the average monthly groundwater level, it was difficult to utilize realistic historical observations. For example, for a station having a 20-year observation period, each of the 20 monthly average groundwater levels can be used to obtain a probability density function of January to December, so it is difficult to reflect the monthly probability density of the actual groundwater level.
이에, 본 발명의 실시 예에서는 월평균 지하수위를 대신하여 일단위로 관측한 과거 지하수위를 그대로 사용한다. 즉, 다년간에 관측된 지하수위를 월별로 그룹화한 후, 평균치를 사용하지 아니하고 대신에 관측 자료를 그대로 적용한 월별 확률분포를 얻는다. 예를 들어 20년간의 관측기간을 갖는 관측소에 대해서, 대략 600개의 월별 지하수위 관측자료를 활용한 월별 확률밀도함수 PDF를 얻을 수 있게 하였다. 결국, 많은 관측자료에 의해서 실제 지하수위의 월별 분포를 보다 정확하게 반영한 확률밀도함수 PDF를 사용하게 하고, 이를 통해 SGI를 보다 정확하게 산정할 수 있게 한다.Thus, the embodiment of the present invention uses the past groundwater level observed daily as it is instead of the monthly average groundwater level. That is, after grouping the groundwater level observed for many years by month, the monthly probability distribution is obtained by applying the observed data instead of the average value. For example, for a station with a 20-year observation period, a monthly probability density function PDF using approximately 600 monthly groundwater level observations can be obtained. As a result, many observations use the probability density function PDF, which more accurately reflects the monthly distribution of the groundwater level, thereby making it possible to estimate SGI more accurately.
도 4를 살펴보면, 일단위 지하수위에 따라 얻는 지하수위 분포(b)는 월평균 지하수위에 따라 얻는 지하수위 분포(a)에 비해 패턴이 보다 복잡하게 나타나므로, 실제로 지하수위의 월별 분포가 복잡하게 나타나는 현실을 충실히 반영함을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, since the groundwater level distribution (b) obtained according to the daily groundwater level is more complicated than the groundwater level distribution (a) obtained according to the monthly average groundwater level, the reality that the monthly distribution of the groundwater level is complicated It can be seen that it reflects faithfully.
한편, 일단위 지하수위는 결측된 자료도 섞여 있을 수 있으므로, 결측 자료는 제외하고 사용한다. 예를 들어, 지하수위가 실제로 계측 가능한 한계보다 낮게 계측되는 경우의 계측 자료를 제외하는 방식을 사용할 수 있다.On the other hand, the daily groundwater level may contain missing data, so missing data is used. For example, a method may be used to exclude measurement data when groundwater levels are actually measured below the measurable limits.
또한, 산정 시점의 현재 SGI를 산정하기 위한 현재의 지하수위는 현재 시점이 속한 달의 월평균 지하수위로 하였으나, 본 발명의 변형 실시 예로서, 월평균 지하수위를 대신하여 현재 시점에 관측된 지하수위의 분위(quantile)에 따라 현재 SGI를 산정할 수도 있다. 즉, 구체적인 실시 예로서, 매월 말일에 SGI를 산정하여 다음달에 제공하므로, 매월 말일에 관측된 지하수위에 따라 SGI를 산정하는 것이다. 또다른 변형 실시 예로서, 매월 말일 및 말일 이전의 소정 일수까지 얻는 지하수위의 평균치에 대해 SGI를 산정할 수도 있다.In addition, the current groundwater level for calculating the current SGI at the time of calculation was the monthly average groundwater level of the month to which the current time point belongs, but as an alternative embodiment of the present invention, the quartile of the groundwater level observed at the current time point instead of the monthly average groundwater level Depending on the quantile, the current SGI can be estimated. That is, as a specific example, since the SGI is calculated at the end of each month and provided in the next month, the SGI is calculated according to the groundwater level observed at the end of the month. As another alternative embodiment, the SGI may be calculated for an average value of the groundwater level obtained until the end of each month and a predetermined number of days before the end of each month.
상기 인공신경망 학습부(23d), SGI 예측부(23e) 및 가뭄단계 예측부(23f)에 의한 미래 SGI 예측과정 및 지하수위 가뭄단계 판정과정에 대해서 도 5를 참조하며 설명한다.The future SGI prediction process and the groundwater level drought stage determination process by the artificial neural network learning unit 23d, the
상기 인공신경망 학습부(23d)는 SGI와 SPI(Standardized Precipitation Index, 표준강수지수) 사이의 상관성과, 기상예보자료에 따라 SPI를 예측할 수 있다는 점에 근거하여, 1개월, 2개월 및 3개월이 경과한 시점의 SGI를 예측하는 구성으로서, 행정구역별로 인공신경망을 준비하여, 행정구역별로 상이하게 나타나는 SGI와 SPI의 상관성을 반영되게 한다.The artificial neural network learning unit 23d has one month, two months and three months based on the correlation between the SGI and the Standardized Precipitation Index (SPI) and the prediction of the SPI according to the weather forecast data. As a configuration for estimating the SGI at the elapsed time, an artificial neural network is prepared for each administrative region to reflect the correlation between the SGI and the SPI that are different for each administrative region.
SPI는 1 내지 12개월 지속기간에 따라 SPI1, SPI2, SPI3, SPI4, SPI5, SPI6, SPI7, SPI8, SPI9, SPI10, SPI11 및 SPI12로 구분하는 가뭄지수로서, 강수량으로 산정하며, 지속기간에 따라 여러 분야에서 활용되고 있다. SPI is a drought index divided into SPI1, SPI2, SPI3, SPI4, SPI5, SPI6, SPI7, SPI8, SPI9, SPI10, SPI11, and SPI12 according to the duration of 1 to 12 months. It is used in the field.
그런데, 지속기간별로 산정한 SPI는 SGI와 상관성이 행정구역마다 상이하게 나타나는 것으로 확인되며, 이에, 1 내지 12개월 지속기간 SPI 모두를 인공신경망의 입력 데이터로 사용하였다. However, the SPI calculated by the duration was found to be different from SGI to the administrative districts. Therefore, all SPIs of 1 to 12 months were used as input data of the artificial neural network.
본 발명의 실시 예에서 사용한 인공신경망은 도 5(a)에 도시한 바와 같이 예측 기간이 경과한 시점까지 얻은 1 내지 12개월 지속단위 SPI와 예측 기간이 경과한 시점 이전에 얻은 SGI를 입력받는 입력층(Input layer)과, 기설정 개수를 초과한 뉴런으로 구성된 은닉층(Hidden layer)과, 예측 기간이 경과한 시점의 SGI를 출력하는 출력층(Output layer)을 갖는 NARX(Nonlinear Autoregressive model process with exogenous input) 모형을 사용하였으며, 인공신경망의 출력은 아래의 수학식 2로 표현할 수 있다.In the artificial neural network used in the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5 (a), an input for receiving a 1 to 12 month sustained unit SPI obtained until the prediction period has elapsed and an SGI obtained before the prediction period has elapsed Nonlinear Autoregressive model process with exogenous input having an input layer, a hidden layer composed of more than a predetermined number of neurons, and an output layer for outputting an SGI when a prediction period has elapsed. ) Model is used, and the output of the neural network can be expressed by
여기서, yi 는 예측한 SGI이고, {x}는 SPI1 내지 SPI12의 벡터이고, {y}는 이전의 SGI 벡터이고, [U] 및 [V]는 은닉층의 가중 파라미터 행렬이고, {w}는 출력층의 가중 파라미터 벡터이고, s 및 {b}는 바이어스의 값 및 벡터이다. tanh()는 은닉층(Hidden layer)에 구비된 각 뉴런의 활성함수를 나타낸다.Where y i is the predicted SGI, {x} is the vector of SPI1 to SPI12, {y} is the previous SGI vector, [U] and [V] are the weighted parameter matrix of the hidden layer, and {w} is Is the weighting parameter vector of the output layer, s and {b} are the value and vector of the bias. tanh () denotes an activity function of each neuron provided in the hidden layer.
여기서, SPI1 내지 SPI12와 SGI는 월강수량 합계 및 월평균 지하수위에 따라 얻는 값으로 사용하고, 예측 기간이 경과한 시점의 SGI는 그 이전의 SGI 및 SPI의 영향을 받으며, 본 발명의 실시 예에서는 그 영향을 주는 기간을 3개월로 정하였다. 물론, SPI 및 SGI는 행정구역 단위로 변환된 가뭄지수이다.Here, SPI1 to SPI12 and SGI are used as values obtained according to the monthly precipitation amount and the monthly average groundwater level, and the SGI at the time when the forecast period elapses is affected by the previous SGI and SPI, and in the embodiment of the present invention, the influence is The period of giving was set at 3 months. Of course, SPI and SGI are drought indices converted to administrative units.
도 5(b)를 참조하며 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.Referring to Figure 5 (b) and look at in detail as follows.
SGI를 1개월 단위로 예측함에 있어서, 1개월 경과한 t+1 시점의 SGI를 산정하려면, 기상예보자료에 따라 얻는 t+1 시점의 SPI와, 현재 t 시점의 SPI 및 SGI와, 1개월 전 t-1 및 2개월 전 t-2 시점의 SPI 및 SGI를 입력 데이터세트로 하며, NARX 모형의 특성상 입력 데이터세트가 동일해야 하므로, t+1 시점의 SGI를 임의의 값으로 선정하여 입력 데이터세트를 완성한다. 이때의 임의의 SGI는 출력에 영향을 미치지 아니한다.In estimating the SGI on a monthly basis, to calculate the SGI at t + 1 at the end of one month, the SPI at t + 1 obtained according to the weather forecast data, the SPI and SGI at the current t, and one month ago SPI and SGI at t-2 and t-2 months ago as the input dataset, and the input dataset should be the same due to the characteristics of the NARX model. To complete. Any SGI at this time does not affect the output.
2개월 경과한 t+2 시점의 SGI를 예측할 시에는 t-1, t, t+1 및 t+2 시점의 SPI 및 SGI를 입력데이터세트로 하되, t+1 시점의 SGI는 인공신공망으로 예측한 값을 자기회귀시켜 입력되게 한다. 물론, t+2 시점에서 SPI는 기상예보자료로 얻고, SGI는 마찬가지로 임의의 값을 사용한다. 이와 같은 방식으로 3개월 경과한 t+3 시점의 SGI도 예측할 수 있다.When predicting the SGI at t + 2 after 2 months, the SPI and SGI at t-1, t, t + 1 and t + 2 are input datasets, and the SGI at t + 1 is the artificial neural network. The predicted value is autoregressed to be entered. Of course, at
상기 인공신경망 학습부(23d)는 상기한 인공신경망을 과거 기초자료에 근거하여 학습시킨다. 즉, 과거의 SPI는 공지된 바와 같이 과거 실측하여 얻은 기초자료에 따라 산정할 수 있고, 과거의 SGI는 상기 SGI 산정부(23b)에서 과거 지하수위에 의한 값으로 얻을 수 있으므로, 관측자료에 따라 얻는 SPI 및 SGI로 데이터세트를 구성하여 인공신경망에 입력하고, 인공신경망에서 출력하여 예측한 SGI와 관측자료에 따른 예측 시점의 SGI 사이의 차이에 따라 역전파시켜 학습시키면 된다.The artificial neural network learning unit 23d learns the artificial neural network based on past basic data. That is, the past SPI can be calculated according to the basic data obtained by past measurement as known, and the past SGI can be obtained by the past groundwater level in the
그런데, 인공신경망을 깊게 학습시키기 위해서는 은닉층의 뉴런 개수를 충분히 많게 하는 것이 좋지만, SGI와 SPI 사이의 상관성이 행정구역별로 상이하게 나타나므로, 예측을 위해 사용할 인공신경망의 은닉층의 뉴런 개수를 학습과정에서 적정 개수로 줄여 모델을 단순화하는 것이 바람직하다.However, in order to deepen the artificial neural network, it is better to increase the number of neurons in the hidden layer sufficiently, but since the correlation between the SGI and the SPI appears to be different for each administrative area, the number of neurons in the hidden layer of the artificial neural network to be used for prediction in the learning process It is desirable to simplify the model by reducing it to an appropriate number.
이에, 출원인은 입력 데이터의 개수를 고려하여 은닉층의 뉴런 개수를 학습 초기에 입력자의 2배수 이상인 30개로 하고, 학습 과정 중에 가지치기(pruning)를 수행하여, 학습한 이후에는 12개를 갖게 하였다. 여기서, 가지치기(pruning)는 인공신경망의 예측 성능에 따라 한번에 하나씩 뉴런을 제거해 나가는 방식으로서, 예측 성능은 유지하며, 은닉층의 뉴런 개수를 줄일 수 있다.Accordingly, the Applicant sets the number of neurons in the hidden layer to 30, which is more than twice the number of the inputters at the beginning of learning in consideration of the number of input data, and pruning during the learning process to have 12 neurons. Here, pruning is a method of removing neurons one at a time according to the predictive performance of the artificial neural network, maintaining the predictive performance and reducing the number of neurons in the hidden layer.
일단위 지하수위로 얻는 확률밀도함수와, 은닉층의 뉴런을 줄여나가는 가지치기 기법으로 고도화하기 전후의 성능을 평가하여 보았다. 평가 방식은 과거 기초자료에 따라 167개의 기초자치단체 행정구역별로 얻은 SGI에 대해서, 인용신경망으로 예측한 SGI와 실제 관측된 SGI 사이의 상관계수로 평가하였으며, 아래의 표는 상관계수의 구간별 행정구역 개수 및 비율을 고도화 전후로 비교하도록 작성한 것이다.Probability density functions obtained at daily groundwater levels and pruning techniques to reduce neurons in hidden layers were evaluated before and after performance. For the evaluation method, SGI obtained from 167 basic municipalities according to the basic data was evaluated as correlation coefficient between SGI predicted by cited neural network and actual observed SGI. This is to compare the number and ratio of zones before and after upgrading.
(26%)43
(26%)
(31%)51
(31%)
(31%)53
(31%)
(9%)15
(9%)
(4%)6
(4%)
(28%)47
(28%)
(35%)58
(35%)
(27%)45
(27%)
(8%)13
(8%)
(2%)4
(2%)
표 1을 참조하면, 상관계수 구간별 행정구역 개수는 0.8~0.7 구간에서 줄어들었지만, 상관계수가 높은 구간 쪽이 증가하고, 반대로 낮은 구간은 줄어드는 경향을 보였다. 또한, 각 행정구역별 상관계수의 증감을 살펴본 결과, 167개(77%) 행정구역은 증가하고, 39개(23%) 행정구역은 낮아졌다. 상관계수가 낮아진 경우라 하더라도 상관계수를 0.8이상으로 높은 상황에서 약간씩 낮아진 경우가 대부분이다. 예외적으로 1개 기초자치단체에서 상관계수가 0.7 미만으로 낮아졌으나, 이는 지하수관측소 위치 및 티센망의 적용에 따른 영향으로 판단된다. 여기서, 지역마다 각기 다른 다양한 원인에 의해 변동하는 지하수위를 고려하여, 일단위 자료보다는 월평균 자료를 활용하는 것이 적절하다고 판단된다.Referring to Table 1, the number of administrative districts by correlation coefficient section decreased from 0.8 to 0.7 section, but the section with higher correlation coefficient increased, and the lower section tended to decrease. In addition, as a result of examining the increase and decrease of correlation coefficient for each administrative district, 167 (77%) administrative districts increased and 39 (23%) administrative districts decreased. Even if the correlation coefficient is lowered, the correlation coefficient is mostly lowered slightly when the correlation coefficient is higher than 0.8. Exceptionally, the correlation coefficient in one basic self-government was lowered to less than 0.7, but this may be due to the location of groundwater stations and the application of Thyssen network. Here, it is appropriate to use monthly average data rather than daily data in consideration of groundwater level fluctuating by various causes.
상기 SGI 예측부(23e)는 현재까지 데이터베이스화한 기초자료에 따라 얻은 SPI 및 SGI로 도 5(b)처럼 입력 데이터세트를 구성하여 인공신경망에 입력시킴으로써, 미래 시점의 SGI를 예측한다. SGI는 월평균 지하수위에 따라 산정하므로, 매월 말일 SGI를 산정하고, 아울러, 산정한 SGI를 적용하여 1개월, 2개월 및 3개월 이후의 SGI를 예측하는 것이 바람직하다.The
상기 가뭄단계 예측부(23f)는 예측한 1/2/3개월 SGI에 따라 1/2/3개월 지하수 가뭄단계를 판정한다. The drought
이와 같이 상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)에서 얻는 매월 말일 기준 현재 SGI, 현재 SGI에 따라 판정한 지하수 가뭄단계 및 1/2/3개월 기간으로 예측한 SGI, 예측한 SGI에 따라 전망한 지하수 가뭄단계를 데이터베이스화한다.As described above, the groundwater drought stage estimated by the current SGI, the groundwater drought stage determined according to the current SGI, and the SGI predicted by the 1/2/3 month period, and the predicted SGI as of the end of each month obtained from the groundwater
아울러, PDF 획득부(23a)는 지하수위 자료의 증가에 따라 확률밀도함수를 업그레이드하고, 인공신경망 학습부(23d)는 SPI 및 SGI 자료의 증가에 따라 인공신경망을 재학습시켜 업그레이드한다.In addition, the
한편, 최초 인공신경망을 학습할 시에 사용할 과거 SPI 및 SGI는 미리 생성성하여 데이터베이스화하여도 좋지만, SGI는 확률밀도함수의 업그레이드에 따라 달라질 수 있으므로, 확률밀도함수의 업그레이드 여부에 따라 다시 산정하여도 좋다.On the other hand, the past SPI and SGI to be used when learning the first artificial neural network may be generated in advance and made into a database, but since the SGI may vary depending on the upgrade of the probability density function, it is recalculated according to the upgrade of the probability density function. Also good.
상기 모니터링 모듈(24)은 댐, 저수지 및 하천에 관련하여 수집한 급수 수원의 현재 기초자료를 가뭄 판단기준과 비교하여, 현재의 수문기반 가뭄단계를 수원별로 판정하고, 아울러, 용수공급체계자료에 따라 수원으로부터 급수되는 행정구역의 수문기반 가뭄단계도 판정하며, 판정한 수원별 및 행정구역별 수문기반 가뭄단계를 데이터베이스화한다. 급수 수원의 수문은 물론이고 급수자료를 반영한 가뭄 판단기준을 사용하는 경우도 있으므로, 수원 종류, 위치 등에 따라 미리 선정한 가뭄 판단기준을 적용한다.The
상기 가뭄전망 모듈(25)은 댐, 저수지 및 하천으로 구분되는 급수 수원에 의한 행정구역별 수문기반 가뭄단계를 예측하는 구성으로서, 매월 지정된 날짜에 1/2/3개월 미래를 예측하고, 또한 매주 지정된 요일에 1/2/3/4주의 미래를 예측하여, 1/2/3/4주 및 1/2/3개월 수문기반 가뭄단계의 데이터베이스화 가뭄분석 데이터를 각각 주단위 및 월단위로 업데이트하며, 도 2(b)에 도시한 상세 블록 구성도와 도 6 및 도 7을 참조하며 설명한다.The
상기 가뭄전망 모듈(25)은 강우-유출모형 학습부(25a), Bayes-ESP 피팅부(25b), 수문 예측부(25c) 및 가뭄단계 예측부(25d)를 포함한다.The
상기 강우-유출모형 학습부(25a)는 댐, 저수지 및 하천으로 구분되는 급수 수원의 유입량(또는 수위, 유량)를 예측하기 위해 급수 수원별로 강우-유출모형을 운영하고, 그 강우-유출모형을 과거 기상자료 및 수문관측자료로 학습시킨다.The rainfall-flow model learning unit 25a operates a rainfall-flow model for each water supply source to predict an inflow amount (or a water level, a flow rate) of the water supply source divided into a dam, a reservoir, and a river. Learn from past weather and hydrologic observations.
유출(runoff)은 지상으로 내린 강우의 흐르는 과정을 말하는 것이고, 강우-유출모형은 수원의 유입량에 기여하는 유역에 대해 강우와 유출의 관계로 단순화한 모형을 말한다. 이러한 강우-유출모형은 기상예보에 따른 강우량에 대해 유출을 예측하여 수원의 수문을 전망하는 데 활용되어 왔다.Runoff refers to the flow of rainfall down to the ground, and the rainfall-runoff model is a simplified model of the relationship between rainfall and runoff for watersheds that contribute to the inflow of water sources. This rainfall-runoff model has been used to predict the floodgates of water sources by predicting runoff for rainfall due to weather forecasts.
본 발명의 실시 예에서는, 월단위로 모의하기에 적합한 ABCD 모형과, 일단위로 모의하기에 적합한 TANK 모형을 각각의 수원에 대해 하나씩 병행 운영한다.In an embodiment of the present invention, one ABCD model suitable for monthly simulation and one TANK model suitable for daily simulation are operated in parallel for each water source.
ABCD 모형은 도 6(a)에 도시한 개념도로 표현한 모식도에서 알 수 있듯이 강수량이 토양층과 지하수층을 거쳐 유출되는 구조의 강우-유출모형으로서, 유출관련 4개의 A,B,C,D 매개변수와, 토양 수분 및 지하수의 초기치 매개변수를 유역특성 및 유출과정의 주요 인자로 하여 간단한 식으로 표현된다. 출원인은 융적설관련 Train, Tsnow, meltmax, α와 초기치 Snostoro 를 포함한 5개의 매개변수를 추가하여, 강수량, 증발산량 및 평균기온의 입력으로 융설 및 적설에 의한 지체효과를 반영한 모형으로 개량한 바 있다. 그리고, 매개변수는 기상자료의 입력에 따라 얻는 모형의 출력치가 수문관측자료를 목표치로 수렴하도록 최적해의 값을 얻어야 하며, 이를 위해서 전역 최적해를 추정할 수 있는 SCE-UA (Shuffled Complex Evolution method developed at The University of Arizona) 기법을 활용하였다.The ABCD model is a rainfall-flow model in which rainfall flows out through the soil layer and the groundwater layer, as shown in the schematic diagram shown in FIG. 6 (a), and includes four A, B, C, D parameters related to the runoff. In other words, the initial parameters of soil moisture and groundwater are expressed in simple equations as the main factors of watershed characteristics and runoff processes. Applicant added five parameters including T rain , T snow , meltmax, α and initial value Snostor o related to the snow melting, and improved the model to reflect the delay effect of snow and snow by inputting precipitation, evapotranspiration, and average temperature. There is a bar. In addition, the parameter should obtain the optimal solution value so that the output value of the model obtained according to the input of the weather data converges to the hydrologic observation data as the target value, and for this purpose, the Shuffled Complex Evolution method developed at The University of Arizona).
TANK 모형은 도 6(b)에 도시한 개념도로 표현한 바와 같이 강수량이 1단에서 4단까지의 저류탱크를 거쳐 유출되는 구조의 강우-유출모형으로서, 각 저류 탱크의 유출공 높이, 침투 계수 및 유출공 계수와 초기치를 매개변수로 하는 식으로 표현된다. TANK 모형의 매개변수도 과거 기상자료와 수문관측자료에 따라 전역 최적해로 추정하였다.The TANK model is a rainfall-flow model in which the rainfall flows out through the storage tanks from the 1st stage to the 4th stage, as shown in the conceptual diagram shown in FIG. It is expressed as a parameter using the outlet coefficient and the initial value as parameters. The parameters of the TANK model were also estimated as global optimal solutions based on historical weather and hydrologic observations.
상기한 ABCD 모형 및 TANK 모형은 강우-유출모형으로서 사용되는 공지의 모형으로서, 더이상의 상세한 설명을 생략한다.The above-described ABCD model and TANK model are well-known models used as rainfall-runoff models, and further description thereof is omitted.
다만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 모형의 특성상 월단위 예측에 적합한 ABCD 모형 및 일단위 예측에 적합한 TANK 모형을 운영하여, 월단위 1/2/3개월 예측과, 일단위 예측을 반복하여 주단위 1/2/3/4주 예측을 할 수 있게 하며, 아울러, TANK 모형으로 1/2/3개월 예측도 수행하여서, ABCD 모형의 결과와 대조한 후, 상대적으로 낮은 수문(유량)을 채택하게 하였다. 이는 가뭄을 누락 없이 예측하기 위함이다.However, according to an embodiment of the present invention, the ABCD model suitable for the monthly prediction and the TANK model suitable for the daily prediction are operated according to the characteristics of the model, so that the monthly 1/2/3 month prediction and the daily prediction are repeated. In addition to making
상기 Bayes-ESP 피팅부(25b)는 댐, 저수지 및 하천으로 구분한 급수 수원에 의한 가뭄을 예측하기 위한 Bayes-ESP 알고리즘을 피팅(fitting)한다.The Bayes-ESP fitting part 25b fits a Bayes-ESP algorithm for predicting drought caused by a water supply source divided into a dam, a reservoir, and a river.
출원인은 본 발명의 배경기술로 언급한 비특허문헌 1에 기술된 바와 같이 Bayes-ESP 기법으로 유량, 또는 수문 유입량을 예측하였다. Applicant predicted the flow rate or the hydrologic inflow rate by Bayes-ESP technique as described in
ESP(Ensemble Streamflow Prediction)를 활용한 유량 예측 기법은 과거에 발생했던 기상현상이 미래에 재현될 수 있다는 가정하에 예측시점의 수문상태와 과거 기상자료를 강우-유출모형을 통해 결합하여 미래의 수문을 예측하는 경험적 장기 수문 예측기법이다. The flow forecasting technique using the Ensemble Streamflow Prediction (ESP) combines the hydrologic state at the time of the forecast with the past meteorological data through the rainfall-flow model, assuming that past meteorological phenomena can be reproduced in the future. An empirical long-term hydrographing technique that predicts.
이에 따르면, 미래 발생 가능성이 있는 모든 기상시나리오, 즉, 기상 앙상블을 기상현상이 재현된다는 가정에 따라 과거 기상자료로부터 얻어 월별로 분류하고, 예측 시점의 수문상태를 적용한 강우-유출모형에 예측 시점의 기상 앙상블을 입력시켜 시나리오별 수문 유입량을 산정하여, 유량 앙상블의 각 멤버를 얻는다. 그리고, 이때 얻는 유량 앙상블의 멤버의 평균치, 또는 기상 앙상블의 멤버에 가중치를 부여한 평균치를 유량으로 전망한다.According to this, all weather scenarios that are likely to occur in the future, namely weather ensembles, are obtained from past weather data according to the assumption that weather phenomena are reproduced, and are classified by month, and the rainfall-runoff model applying the hydrologic state of the forecast time is determined by The meteorological ensemble is input to calculate the hydrologic inflow for each scenario, and each member of the flow ensemble is obtained. And the average value of the member of the flow volume ensemble obtained at this time, or the weighted average value of the member of the weather ensemble is estimated by flow volume.
Bayes-ESP는 ESP 기법의 정확도 향상을 위해서 베이즈 이론(Bayes' theorem)을 활용한 기법으로서, 유입량에 대한 사전분포(Prior distribution)와, 유입량이 관측될 시에 ESP 기법으로 예측되는 유량 앙상블의 조건부 확률분포를 표현하는 우도함수(Likelihood function)에 따라 유량의 사후분포(Posterior distribution)를 유도한다. 이때의 사후분포에서 유량 예측값을 얻는다.Bayes-ESP utilizes Bayes' theorem to improve the accuracy of the ESP method. It is a pre-distribution of the inflow and the flow ensemble predicted by the ESP method when the inflow is observed. A posterior distribution of the flow rate is derived according to the Likelihood function representing the conditional probability distribution. The flow rate prediction value is obtained from the post-distribution at this time.
그런데, 기존에 사용하였던 Bayes-ESP 기법에서는 기상예보자료를 반영하지 아니하여 현재 기상예보에 적응하며 예측한 결과를 얻을 수 없었고, 더욱이, 유량 앙상블 멤버의 분포를 고려하지 아니한 한계도 있었으며, 이에 본 발명에서는 기존 Bayes-ESP 기법을 개량하였다.However, the Bayes-ESP technique used previously did not reflect the weather forecast data, so it was not possible to obtain the forecasted results by adapting to the current weather forecast. In the present invention, the existing Bayes-ESP technique is improved.
상기 Bayes-ESP 피팅부(25b)는 유량 앙상블 멤버의 분포를 고려한 Bayes-ESP 기법을 적용하기 위해서, 과거 자료를 활용하여 내부 파라미터 값을 피팅한다.The Bayes-ESP fitting part 25b fits internal parameter values using historical data in order to apply the Bayes-ESP method considering the distribution of the flow ensemble members.
먼저, 이론적 근거를 설명한다.First, the theoretical basis is explained.
베이즈 이론을 적용하면, 유량 앙상블 y가 발생하였을 때의 유량의 사후 확률 는 아래의 수학식 3으로 표현된다.Applying Bayes' theory, the posterior probability of the flow rate when the flow ensemble y occurs Is expressed by
여기서, p(θ)는 사전 분포(Prior distribution)를 나타내는 확률로서, 관측수문(유량 또는 유입량)의 사전확률로서 과거 수문관측자료에 따라 얻을 수 있으며, 아래와 같이 정규분포로 변환가능하다.Here, p (θ) is a probability indicating a prior distribution, and can be obtained according to past hydrological observation data as a prior probability of the observed flood (flow or inflow), and can be converted into a normal distribution as follows.
P(y)는 유량 앙상블 y의 주변 확률(marginal probability)이다.P (y) is the marginal probability of the flow ensemble y.
는 우도 함수(Likelihood function)로서, 관측수문 θ가 주어졌을 때의 유량 앙상블의 조건부확률로 표현되며, 유량 앙상블 평균 , 즉 ESP 기법으로 전망하는 유량의 확률에 의해서 아래와 같이 표현할 수 있다. Is the likelihood function, expressed as the conditional probability of the flow ensemble given the observed hydrograph θ, and the mean of the flow ensemble That is, it can be expressed as follows by the probability of the flow rate predicted by the ESP method.
그리고, 유량 앙상블 평균과 관측수문은 절편 α, 기울기 β 및 잔차 ε를 갖는 아래의 선형회귀모델로 표현할 수 있다.In addition, the flow ensemble mean and the observation hydrograph can be expressed by the following linear regression model having the intercept α, the slope β and the residual ε.
여기서, 잔차 ε이 정규분포를 갖는다고 가정하면 의 분포를 갖게 되고, 유량 앙상블의 멤버도 정규분포를 갖는다고 가정하면 의 분포를 갖게 된다.Here, suppose the residual ε has a normal distribution. Suppose we have a distribution of, and the members of the flow ensemble also have a normal distribution. Has a distribution of.
그리고, 가 에 독립적(independent)이면 수학식 5의 우도함수는 다음과 같은 확률분포를 갖는다고 할 수 있다.And, end If independent, the likelihood function of
상기 수학식 4 및 수학식 7로 표현한 바와 같이 사전 분포 및 우도함수가 정규분포를 갖게 되면, 사후 분포(Posterior distribution) 은 평균 및 분산 을 갖는 정규분포로 표현할 수 있다.As shown in
결국, 평균 를 Bayes-ESP 기법으로 예측할 수문(유량)으로 할 수 있다. After all, average Can be used as the predicted hydrograph (flow rate) by the Bayes-ESP technique.
상기 Bayes-ESP 피팅부(25b)는 수학식 8에 따라 수문 예측할 수 있도록, 사전 분포의 및 를 과거 관측수문의 분포에 따라 얻는다.The Bayes-ESP fitting portion 25b is of a pre-distribution so that the hydrologic prediction according to Equation (8) And Is obtained according to the distribution of past observations.
또한, 상기 Bayes-ESP 피팅부(25b)는 우도함수에 관련된 α,β, 및를 얻어야 하며, 이를 위해서 과거 기상자료를 입력으로 한 ESP 기법에 따라 과거 유량 앙상블을 얻어서, 유량 앙상블 평균 및 분산을 얻고, 과거 수문관측자료의 따른 관측수문(유량 또는 유입량)을 상기 수학식 6의 관측수문의 값으로 적용함으로써, 수학식 6 및 수학식 8로부터 α,β, 및를 얻는다.In addition, the Bayes-ESP fitting portion 25b includes α, β, and the likelihood function. For this purpose, the historical flow ensemble is obtained according to the ESP technique with the input of past meteorological data, and the flow ensemble average and variance are obtained. By applying the value of the observation hydrograph, α, β, and Get
물론, , , α,β, 및는 수원별 및 월별로 얻는다.sure, , , α, β, and Is obtained by source and month.
상기 수문 예측부(25c)는 1개월 단위로 1/2/3개월 경과시점의 수원별 수문 또는 1주일 단위로 1/2/3/4주 경과시점의 수원별 수문을 예측한다. 수원별 수문을 예측할 시에는 정량적으로 예측한 유량과 확률적으로 예측한 유량 중에 어느 하나를 선정한다. 여기서, 선정 기준은 정량적 수문과 확률적 수문 중에 낮은 값을 선택하는 것으로 하였다. 또한, 1주일 단위 수문을 예측할 시에는 강우-유출모형 중에 일단위 예측에 적합한 TANK 모형을 사용하고, 월단위 수문을 예측할 시에는 ABCD 모형 및 TANK 모형을 모두 사용하여 상대적으로 낮은 유량을 적용한다.The hydrologic prediction unit 25c predicts the hydrology by water source at 1/2/3 month elapsed by month or the hydrology by water source at 1/2/3/4 week elapsed by week. When predicting the hydrology for each source, either the quantitatively predicted flow rate or the stochastic predicted flow rate is selected. Here, the selection criterion was to select a lower value between quantitative and probabilistic hydrological. In addition, when forecasting hydrology for one week, TANK model suitable for daily prediction is used in rainfall-flow model, and relatively low flow rate is applied by using both ABCD model and TANK model for prediction of monthly hydrology.
상기한 정량적 수문은 예측하려는 현재의 기상예보자료를 강우-유출모형에 적용하여 얻는 유량으로 획득하며, 수원의 종류에 따라 수위 또는 유량이 될 수 있다.The above quantitative hydrologic is obtained by applying the current weather forecast data to be predicted to the rainfall-runoff model, and may be water level or flow rate depending on the type of water source.
상기한 확률적 수문은 과거 기상자료에서 얻는 기상 앙상블을 강우-유출모형에 적용하여 유량 앙상블을 얻은 후 유량 앙상블을 평균한 예측 유량으로 획득하는 수문으로서, 상기 Bayes-ESP 피팅부(25b)에 의해 피팅된 Bayes-ESP 알고리즘에 따라 예측하며, 도 7을 참조하며 설명한다.The probabilistic sluice is a sluice obtained by applying the weather ensembles obtained from past meteorological data to the rainfall-flow model to obtain the flow ensembles as predicted flow rates averaged by the Bayes-ESP fitting unit 25b. Predicted according to the fitted Bayes-ESP algorithm, described with reference to FIG.
먼저, 기상 앙상블은 유역별 과거 강수, 기온, 풍속, 일조 자료를 월 단위 자료로 분류하여 얻는다. 물론, 상기 Bayes-ESP 피팅부(25b)를 설명할 시에 상세하게 설명하지는 아니하였지만, Bayes-ESP 피팅부(25b)를 가동할 시에 필요한 기상 앙상블도 동일한 방식으로 얻어 사용된다. First, the weather ensemble is obtained by dividing the historical precipitation, temperature, wind speed, and sunshine data by watershed into monthly data. Of course, the Bayes-ESP fitting portion 25b has not been described in detail, but the gaseous ensemble required for operating the Bayes-ESP fitting portion 25b is also used in the same manner.
도 7(a)에 예시한 기상 앙상블을 참조하며 설명하면, 행정구역별 및 월별 평년 강수량의 비슷 범위를 활용하여 '적음', '비슷' 및 '많음'으로 분류하고, '비슷' 멤버의 대표값인 평년값 및 비슷 범위를 참조하여 '적음' 및 '많음'의 대표값을 기상 앙상블 멤버로 정하였다. 예시적으로 기상 앙상블의 멤버 수는 3개이지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4개 이상으로 세분화여도 좋다. 물론, 유량 앙상블을 유역단위로 할 경우, 기상 앙상블은 수원 유역 단위의 기상 앙상블을 사용한다.Referring to the weather ensembles illustrated in FIG. 7 (a), the classifications are classified into 'less', 'similar' and 'many' by using similar ranges of average annual rainfall by administrative district and monthly, and representative of 'similar' members. Representative values of 'less' and 'large' were determined as weather ensemble members by referring to average values and similar ranges. As an example, the number of members of the weather ensemble is three, but is not limited thereto, and may be divided into four or more. Of course, when the flow ensemble is a basin unit, the weather ensemble uses a weather ensemble in the watershed basin unit.
다음으로, 예측 시점의 수문상태를 적용한 강우-유출모형에 기상 앙상블 멤버를 입력하여 유량 앙상블을 얻는다. 물론, 예측 시점에 대응되는 월별 기상 앙상블을 입력하여 해당 월의 유량 앙상블을 얻는다.Next, a flow ensemble is obtained by inputting a weather ensemble member to the rainfall-flow model to which the hydrologic state at the time of prediction is applied. Of course, the monthly weather ensemble corresponding to the forecasted time is input to obtain the flow ensemble for the month.
이때 얻는 유량 앙상블로부터 멤버의 평균 과 분산 을 얻는다.Average of members from the flow ensemble And dispersion Get
유량 앙상블 멤버의 평균 은 예측하려는 현재의 기상예보자료에서 멤버별 기상전망의 확률 가중치를 부여하여 얻는 가중 평균치로 한다. Average of flow ensemble members Is the weighted average obtained by assigning the probability weights of each member's weather forecast from the current weather forecast data to be predicted.
도 7(b)에 예시한 모식도를 참조하며 설명하면, 기상예보는 강수량 구간별 확률로서 제공하며, 이에, 기상 앙상블의 각 구간에 대한 확률치를 유량 앙상블의 멤버에 가중하여 평균한다. 도 7(b)는 4월, 5월 및 6월의 유량을 전망하는 것으로 예시되어 있으며, 예를 들어, 4월 유량 전망치 Q4월 은 유량 앙상블 멤버 Qlow,4월 , Qmed,4월 , Qhigh,4월 에 각각 멤버에 대응되는 기상예보의 확률 Plow,4월 , Pmed,4월 , Phigh,4월 를 가중하여 합산 값이다.Referring to the schematic diagram illustrated in FIG. 7 (b), the weather forecast is provided as a probability for each precipitation section, and thus, the probability value for each section of the weather ensemble is weighted and averaged by the members of the flow ensemble. FIG. 7 (b) is illustrated as forecasting flow rates for April, May and June, for example, April flow forecast Q April is flow ensemble member Q low, April , Q med, April , Q high, the probability of the forecast P low, April, P med, by summing weighted values April, P high, April corresponding to each member in April.
물론, 3구간으로 나누어, 3개의 앙상블 멤버를 사용하였으나 보다 세분화하여 멤버 수를 늘려도 좋다.Of course, three ensemble members were used, divided into three sections, but the number of members may be increased by further subdividing.
다음으로, 여기서 얻는 유량 앙상블로부터 멤버의 평균 과 분산 를 상기 수학식 8에 대입하여 얻는 를 확률적 예측 유량으로 한다. 앞서 언급하였듯이, 상기 수학식 8에서, ,, , 및 의 값은 상기 Bayes-ESP 피팅부(25b)에서 의해서 정해져 있으므로, 를 산정할 수 있다.Next, the average of the members from the flow ensemble obtained here And dispersion Obtained by substituting
한편, 상기 수학식 8은 정규분포를 가정하여 얻은 식이므로, 왜도(skewness)가 있는 유량 자료를 정규화 분포를 갖도록 변환하여 사용하는 것이 좋다. 예를 들어, Box-Cox 변환을 통해 분포의 왜도를 제거한 후 Bayes-ESP 기법에 적용한다. 구체적인 예로서, 유량 앙상블 멤버를 정규분포를 갖도록 변환한 후 사용한다. 마찬가지로 관측수문에 따라 얻는 사전분포도 정규분포를 갖도록 변환 사용할 수 있다.On the other hand, since
상기 가뭄단계 예측부(25d)는 상기 수문 예측부(25c)에서 수원별로 예측한 수문에 따라 수원별 가뭄단계를 판정하고, 아울러, 수원으로부터 급수되는 행정구역의 수문기반 가뭄단계를 판정하고, 데이터베이스화한다. 물론, 가뭄 판단기준을 적용하여 수원별 수문기반 가뭄단계를 판정함과 아울러, 행정구역별 수문기반 가뭄단계를 판정한다. 본 발명의 실시 예에 따르면 매주 1/2/3/4주를 전망하고, 매달 1/2/3개월을 전망하여, 데이터베이스화한다.The drought stage prediction unit 25d determines the drought stage for each water source according to the hydrology predicted for each water source by the hydrologic prediction unit 25c, and also determines the hydrologic drought stage of the administrative area supplied from the water source, and the database. Make up. Of course, the drought judgment criteria are applied to determine the hydrologic drought level by source, and the hydrologic drought level by administrative district. According to an embodiment of the present invention, a 1/2/3/4 weekly forecast, a 1/2/3 month monthly forecast, and a database.
상기 포털 웹 서버(30)는 DB 서버(30)에 데이터베이스화한 기초자료(수문관측자료, 기상자료, 급수자료), 용수공급체계자료 및 상기 가뭄분석 서버(20)에 의해 추가되는 가뭄분석 데이터를 서버 접속자에게 제공함은 물론이고, 가뭄단계에 따른 가뭄대응을 위한 유관기관별 예방, 대비, 가뭄단계별 대응, 복구에 관련된 조치 사항 및 비상연락망과, 가뭄단계별 및 수원사용용도별 국민행동요령도 제공한다. The
본 발명의 실시 예에서는 비로그인 접속 상태에서 상기한 다양한 데이터베이스화 자료를 제공하는 일반 서비스부(31)는 물론이고, 행정구역별 및 물관련기관별 담당자 로그인 상태에서 담당자에게 특화된 서비스도 제공하기 위해서, 의사결정지원 서비스부(32), 비상급수관리 서비스부(33), 및 급수지원관리 서비스부(34)를 포함한다.In the embodiment of the present invention, in addition to the
상기 일반 서비스부(31)는 수원 위치, 제원, 급수인구, 급수량, 현황 등을 포함하는 용수공급시설, 용수공급체계 및 기상/수위/수질/지하수 관측소 위치를 지도와 연계하여 조회하는 서비스, 매월 갱신하는 SGI와 매일 갱신하는 SPI, PDSI, MSWSI 및 SMI를 포함하는 가뭄지수와 가뭄지수에 따라 판정한 현재 지수기반 가뭄단계 및 지하수 가뭄단계를 지도와 연계하며 조회하고 과거 기록과 비교할 수 있게 한 서비스, 현재 및 예측 지수기반 가뭄단계, 수문기반 가뭄단계 및 지하수 가뭄단계를 포함한 가뭄분석 데이터를 생성시기에 따라 일별 자료, 1/2/3/4주 예측 자료 또는 1/2/3개월 예측 자료로 가뭄지도 상의 행정구역에 표시하는 가뭄예경보 서비스, 접속 단말의 위치에 대응되는 행정구역 또는 가뭄지도 상에서 선택된 행정구역에 관련된 데이터베이스화 자료를 우리동네 가뭄분석 데이터로서 취합하여 보여주는 서비스, 가뭄단계의 과거 기록과 비교하며 추이를 인지할 수 있게 한 서비스, 가뭄단계별 대응 및 국민행동요령을 안내하는 서비스 등 수행하며, 비로그인 상태에서 누구나 통신망을 통해 접속하여 서비스를 받게 한다. 물론, 이러한 서비스는 DB 서버(30)에 데이터베이스화한 자료를 활용하여, 쉽게 인지할 수 있는 웹 페이지를 구성하여 제공된다.The
이하의 구성요소는 행정구역 및 물관련기관의 담당자가 로그인하여 받을 수 있는 서비스를 제공한다.The following components provide services that can be obtained by logging in to representatives of administrative districts and water-related organizations.
상기 의사결정지원 서비스부(32)는 담당자 관할 행정구역, 수원, 또는 유역에 대한 가뭄 현황 및 예경보를 감시하며 가뭄에 대응하여 의사결정할 수 있게 지원하는 가뭄 종합 상황판을 제공한다. The decision support service unit 32 monitors the status of droughts and warnings for administrative districts, water sources, or watersheds, and provides a comprehensive status board for droughts to support decision-making in response to droughts.
도 8에 도시한 화면 구성을 참조하면, 가뭄 종합 상황판은 감시/전망 상황판, 모아보기 상황판 및 가뭄 분석 상황판을 각각 디스플레이할 수 있게 구성된다.Referring to the screen configuration shown in FIG. 8, the drought composite situation board is configured to display a monitoring / view situation board, a gathering situation board, and a drought analysis situation board, respectively.
감시/전망 상황판은 도 8(a)에 예시한 바와 같이 로그인하면 관할 행정구역 및 당일 날자가 자동 선택되고 변경도 가능하게 하며(①), 담당자 관할 행정구역 또는 수원에 관련된 데이터베이스 자료를 취합하여서, 관할 행정구역의 가뭄현황(현재 가뭄단계), 가뭄전망(예측 가뭄단계), 용수공급체계, 비상급수현황 및 가뭄뉴스를 표시하고, 시설물(수원, 관측, 용수공급시설 등)도 표시할 수 있는 관할 행정구역 가뭄지도 창(②), 강우 관련 데이터를 보여주는 강우현황 창(③), 수문 데이터를 보여주는 수문 현황 창(④), 가뭄현황 및 과거 기록을 가뭄단계별 시군수 및 급수인구와 연계하며 조회하는 가뭄 현황 창(⑤), 가뭄전망자료를 보여주는 가뭄 전망 창(⑥), 및 비상급수자료 및 관할 행정구역에 관련된 가뭄뉴스를 보여주는 비상급수/가뭄뉴스 창(⑦)을 제공하며, 화면으로 보여주는 자료를 취합하여 리포트 형식으로 다운로드할 수 있는 메뉴(⑧)도 마련되어 있다.As illustrated in FIG. 8 (a), the monitoring / prospect situation board automatically selects the jurisdiction and the date of change and enables changes (①). It can display the drought status (current drought stage), drought forecast (predicted drought stage), water supply system, emergency water supply status and drought news of the jurisdiction, and facilities (water source, observation, water supply facilities, etc.). Drought Map (②), Rainfall Status Window showing Rainfall-related Data (③), Hydrologic Status Window Showing Hydrologic Data (④), Drought Status and Historical Records are linked to the county and water population by drought stage. The drought status window (⑤), the drought prospect window (⑥) showing the drought forecast data, and the emergency water supply / drought news window (⑦) showing drought news related to emergency water supply data and jurisdiction. Ball, and is collected by the data showing the screen features a menu (⑧), which can be downloaded as a report format.
모아보기 상황판은 감시/전망 상황판에서 보여주는 많은 자료 중에 담당자가 중점적으로 조회할 목적으로 선택한 항목의 자료를 취합할 수 있어 항목 편집을 가능하게 한 상황판으로서, 마이페이지 기능을 수행하며, 관할 행정구역 및 일자(예를 들어 당일)가 디폴트로 설정되고 조회하고자 하는 지역과 일자를 변경 가능하게 한 메뉴(①), 감시/전망 상황판으로 제공하는 항목 중에 선택하는 체크박스(②), 선택한 항목별 자료를 보여주는 디스플레이 창(③) 및 선택한 항목을 저장하여 이후 다시 사용할 수 있게 한 설정 메뉴(④)를 포함한다.Collecting status panel is a status panel that enables the editing of items by collecting the data of selected items for the purpose of inquiring about by the person in charge among the many data displayed in the monitoring / viewing situation panel. The date (for example, the day) is set as the default and the area and date to be inquired can be changed (1), the check box (2) to select from the items provided in the monitoring / view board and the data for each item selected. A display window (③) to show and a setting menu (④) for storing the selected item for later use.
가뭄 분석 상황판은 용수공급체계자료에 따라 검색되는 대체 수원 정보, 비상급수 가능한 주변 관할 행정구역의 수원 정보 및 행정구역 또는 관련기관에 특화된 가뭄 대응 방안을 포함한 가뭄 대응 전략을 보여주며, 가뭄단계를 임의로 선택할 시에 선택한 가뭄단계에 대응되는 가뭄 대응 전략을 시뮬레이션할 수 있게 한다. 여기서, 대체 수원 주변 수원 정보는 행정구역별로 미리 정해두어도 좋지만, 용수공급체계에 따라 검색하거나 아니면 과거 수원 대체 기록 또는 비상급수 기록에 따라 정해지게 할 수 있다.The drought analysis board shows drought response strategies, including alternative source information retrieved according to the water supply system data, source information for emergency water supply areas surrounding the emergency jurisdiction, and drought response plans specific to the administrative district or related agencies. When selected, it is possible to simulate a drought response strategy corresponding to the selected drought stage. Here, the source information around the alternative water source may be determined in advance for each administrative district, but may be determined according to the water supply system or may be determined according to the past water source replacement record or emergency water supply record.
상기 비상급수관리 서비스부(33)는 관할 행정구역의 비상급수 실적을 등록하여 데이터베이스화하고 조회하는 서비스를 제공한다.The emergency water supply management service unit 33 provides a service to register, database and query the emergency water supply records of the jurisdiction.
도 9에 예시한 비상급수 실적 등록화면을 참조하면, 담당자가 관할 행정구역에서 실시한 비상급수 실적을 등록할 수 있는 입력 창을 제공한다. 이에 따르면, 비상급수를 실시한 지역을 선택한 후, 해당 지역의 상수도 구분(마을상수도, 소규모급수시설, 보급지역, 기타)을 선택하게 하고, 해당 지역의 급수세대, 급수인구 및 수원은 급수자료 또는 용수공급체계자료로 등록한 자료에 따라 자동 선택되게 하며, 제한급수, 운반급수 및 제한+운반급수로 구분하는 비상급수 현황을 선택하게 한다.Referring to the emergency water supply performance registration screen illustrated in FIG. 9, the person in charge provides an input window for registering the emergency water supply performance carried out in the competent administrative area. According to this, after selecting the area where emergency water supply was carried out, the water supply division (village water supply, small water supply facility, supply area, etc.) of the area is selected, and the water supply generation, water supply population and water source of the area are It will be automatically selected according to the data registered as the supply system data, and select the emergency water supply status divided into restricted water, transport water and restricted + transport water.
이와 같은 입력 창에 의해 입력된 비상급수 실적을 데이터베이스화하고, 관할 행정구역의 비상급수 이력 및 통계를 조회할 수 있게 한다. 그리고, 상기 가뭄 종합 상황판에서도 조회할 수 있게 한다.The emergency water supply records inputted by the input window are databased, and the emergency water supply history and statistics of the jurisdiction can be inquired. And, it is possible to inquire in the drought comprehensive situation board.
상기 급수지원관리 서비스부(34)는 급수지원 관련 자료를 담당자가 등록하여 데이터베이스화하게 하고 실적 조회할 수 있게 하는 급수지원 관리 서비스를 제공한다. 예를 들어, 한국수자원공사(K-water)에서는 댐, 보, 상수도의 수원을 활용한 비상용수를 병물, 물차 등의 다양한 자원을 활용하여 가뭄지역에 지원하고 있으며, 이러한 지원 실적을 기록 관리하고, 각 행정구역에서는 그 지원 실적을 활용하여 가뭄에 대응할 수 있게 한다.The water supply support management service unit 34 provides a water supply support management service that allows a person in charge to register a water supply support-related data to database and query the results. For example, K-water supports emergency waters using dams, beams, and water supplies to drought areas using various resources such as bottles and water trucks. In addition, each administrative district can use its support to respond to droughts.
도 10에 예시한 급수지원 실적 조회화면을 참조하면, 급수지원 실적은 유역에 따라 구분한 권역, 급수지원한 기관, 생활용수/공업용수/농업용수로 구분되는 지원 용도, 지원 지역, 지원 수원, 및 지원 공급량을 포함하며, 이와 같은 항목을 선택 입력하여 등록할 수 있게 한다. 또한, 지원 용도, 지원 지역 등에 따라 통계자료를 생성하여 제공할 수도 있다.Referring to the water supply support results inquiry screen illustrated in FIG. 10, the water supply support performance is divided into watersheds according to watersheds, water supply organizations, support water, industrial water, agricultural water, support uses, support areas, support sources, and Includes support supplies and allows you to select and register such items. In addition, statistical data may be generated and provided according to a support purpose, a support region, and the like.
이와 같이 비상급수 실적 및 급수지원 실적은 상기 가뭄 종합 상황판의 가뭄 분석 상황판에서 활용되게 하였다.As such, the emergency water supply results and the water supply support results were utilized in the drought analysis situation edition of the drought comprehensive situation edition.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.Specific embodiments have been shown and described in order to illustrate the technical idea of the present invention, but the present invention is not limited to the same configuration and operation as the specific embodiments as described above, and various modifications are made without departing from the scope of the present invention. It can be carried out in. Accordingly, such modifications should also be regarded as falling within the scope of the present invention, and the scope of the present invention should be determined by the claims that follow.
10 : DB 서버
20 : 가뭄분석 서버
21 : 자료 수집 모듈
22 : 지수기반 가뭄분석 모듈
23 : 지하수 가뭄분석 모듈
23a : PDF 획득부 23b : SGI 산정부
23c : 가뭄단계 판정부 23d : 인공신경망 학습부
23e : SGI 예측부 23f : 가뭄단계 예측부
24 : 모니터링 모듈
25 : 가뭄전망 모듈
25a : 강우-유출모형 학습부 25b : Bayes-ESP 피팅부
25c : 수문 예측부 25d : 가뭄단계 예측부
30 : 포털 웹 서버
31 : 일반 서비스부 32 : 의사결정지원 서비스부
33 : 비상급수관리 서비스부 34 : 급수지원관리 서비스부10: DB server
20: drought analysis server
21: data collection module
22: Index based drought analysis module
23: groundwater drought analysis module
23a:
23c: drought stage determination unit 23d: artificial neural network learning unit
23e:
24: monitoring module
25: Drought Outlook Module
25a: Rainfall-leak model learning section 25b: Bayes-ESP fitting section
25c: hydrologic prediction unit 25d: drought stage prediction unit
30: portal web server
31: General Service Department 32: Decision Support Service Department
33: Emergency water supply management service department 34: Water supply support management service department
Claims (11)
현재의 기초자료 및 기상예보자료를 수집하여 데이터베이스화하는 자료 수집 모듈(21);
현재 및 미래의 가뭄지수를 기초자료 및 기상예보자료에 따라 행정구역별로 산정하여 지수기반 가뭄단계를 판정하고 데이터베이스화하는 지수기반 가뭄분석 모듈(22);
가뭄지수 중에 행정구역별 SGI(Standardized Groundwater level Index, 표준지하수지수)에 대하여, 기초자료에 따라 산정하고, SPI(Standardized Precipitation Index, 표준강수지수)와의 상관성에 근거하여 SPI에 따라 미래의 값을 예측하고, 현재 및 미래의 지하수 가뭄단계를 판정하여 데이터베이스화하는 지하수 가뭄분석 모듈(23);
급수 수원에 의한 가뭄에 관련하여, 기초자료에 따른 현재의 수문기반 가뭄단계를 가뭄 판단기준에 따라 행정구역별로 판정하고 데이터베이스화하는 모니터링 모듈(24);
급수 수원에 의한 가뭄에 관련하여, 기초자료 및 기상예보자료에 따른 수원별 미래의 수문을 수원별 강우-유출모형으로 예측한 후 미래의 수문기반 가뭄단계를 가뭄 판단기준에 따라 행정구역별로 판정하고 데이터베이스화하는 가뭄전망 모듈(25);
비로그인 상태에서 데이터베이스 자료를 제공하는 일반 서비스, 담당자의 로그인 상태에서 담당자 관할 행정구역의 데이터베이스 자료를 취합한 감시/전망 상황판 및 관할 행정구역의 데이터베이스 자료 중에 담당자가 중점적으로 조회할 목적으로 선택한 항목의 자료를 취합한 모아보기 상황판을 포함한 가뭄 종합 상황판을 제공하며, 감시/전망 상황판의 자료를 기록한 리포트를 제공하는 의사결정지원 서비스, 담당자의 로그인 상태에서 담당자 관할 행정구역의 비상급수 현황자료 등록 및 실적 조회를 하는 비상급수관리 서비스를 제공하며, 비상급수 현황자료를 데이터베이스화하는 포털 Web 서버(30);
를 포함하고,
상기 가뭄전망 모듈(25)은
ABCD 모형 및 TANK 모형을 강우-유출모형으로 하여, 주단위 및 월단위 수문을 예측하되, 월단위 수문기반 가뭄단계를 판정할 시에 ABCD 모형 및 TANK 모형을 동시 운용한 후 상대적으로 낮은 유량을 적용하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.Historical basic data, including past hydrologic observations of historical sources, historical weather data, and historical water supply of water sources, including water sources in dams, reservoirs and streams, and non-water supply areas, historical drought index data, and administrative districts. A DB server 10 having a database of water supply system data and drought judgment criteria for each administrative district, and storing login information for a representative for each administrative district and water-related organizations;
A data collection module 21 for collecting and basicizing current basic data and weather forecast data;
An index-based drought analysis module 22 for determining and databaseing an index-based drought stage by calculating current and future drought indices for each administrative district according to basic data and weather forecast data;
In the drought index, the SGI (Standardized Groundwater level Index) for each administrative district is calculated according to the basic data, and the future value is estimated according to the SPI based on the correlation with the SPI (Standardized Precipitation Index). And groundwater drought analysis module 23 for determining the current and future groundwater drought stages and database;
A monitoring module 24 for determining and databaseting the current hydrological-based drought stage according to the basic data for each administrative district according to the drought criteria in relation to the drought by the water supply source;
Regarding the drought caused by water supply sources, the future hydrology according to the source and the weather forecast data is predicted by the rainfall-flow model by the source, and the future hydrologic drought stage is determined by administrative district according to the drought criteria. A drought outlook module 25 for database;
General service that provides database data in non-login status, monitoring / provisional status board which collects database data of the administrator's jurisdiction in the login status of the personnel, and the database data of the administrative region selected by the staff for the purpose of inquiring. A decision support service that provides a comprehensive drought situation board including a status board that collects data, provides a report that records the data of the monitoring / forecast situation board, and registers and records the emergency water supply status data of the administrative area under the authority of the person in charge. A portal web server 30 that provides an emergency water supply management service for making a query and database the emergency water supply status data;
Including,
The drought prospect module 25
Predicting weekly and monthly hydrographs using the ABCD and TANK models as rainfall-runoff models, and applying relatively low flow rates after concurrently operating ABCD and TANK models in determining monthly hydrologic drought stages. doing
Portal based drought information system.
상기 가뭄 종합 상황판은
용수공급체계자료에 따라 검색되는 대체 수원 정보, 비상급수 가능한 주변 관할 행정구역의 수원 정보 및 행정구역 또는 관련기관에 특화된 가뭄 대응 방안을 포함한 가뭄 대응 전략을 보여주며, 임의로 선택한 가뭄단계에 대응되는 가뭄 대응 전략을 시뮬레이션할 수 있게 한 가뭄 분석 상황판을 포함하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method of claim 1,
The drought comprehensive situation board
It shows drought response strategies including alternative source information retrieved according to the water supply system data, source information of the emergency jurisdiction's surrounding jurisdiction, and drought response plans specific to the administrative district or related institutions. Includes a drought analysis status panel that allows you to simulate response strategies
Portal based drought information system.
상기 가뭄전망 모듈(25)은
과거 기초자료에 따라 수원별 강우-유출모형을 학습시키고, 과거 기상자료에서 얻는 기상 앙상블을 강우-유출모형에 적용하여 유량 앙상블을 얻은 후 유량 앙상블을 기상예보자료의 확률을 적용하여 가중 평균한 값을 유량으로 예측하고, 예측한 유량에 따른 확률적 수문을 적용하여 수문기반 가뭄단계를 판정하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method of claim 1,
The drought prospect module 25
Based on past basic data, the rainfall-flow model for each source is studied, and the flow ensemble is obtained by applying the weather ensembles obtained from past weather data to the rainfall-flow model. To predict the hydrologic drought stage by applying the stochastic hydrograph according to the predicted flowrate.
Portal based drought information system.
상기 가뭄전망 모듈(25)은
사후 분포(Posterior distributon) 관계식 와 의 유량로 획득한 확률적 수문을 사용하며,
사후 분포 관계식에서,
및 는 과거 수문관측자료의 유량 평균 및 분산이고,
및 는 미래 예측 시점의 유량 앙상블 맴버의 평균 및 분산이며,
, 및 는 과거 기초자료로 얻는 유량 앙상블 평균 및 수문관측 유량 사이의 상관을 나타내는 선형 회귀 모델 의 절편 , 기울기 및 잔차 의 분산 으로 하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method of claim 3, wherein
The drought prospect module 25
Posterior distributon relation Wow Flow rate Using stochastic hydrographs obtained by
In the posterior distribution equation,
And Is the mean and variance of the flows of past hydrologic observations,
And Is the mean and variance of the flow ensemble members at the future forecast,
, And Is the mean of the flow ensemble obtained from the past basic data. And hydrologic flow Linear regression model representing the correlation between Intercept , inclination And residuals Dispersion By
Portal based drought information system.
유량 앙상블을 정규분포를 갖도록 변환한 후 사용하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method of claim 4, wherein
After converting the flow ensemble to have a normal distribution,
Portal based drought information system.
상기 가뭄전망 모듈(25)은
현재의 기상예보자료를 강우-유출모형에 적용하여 얻은 예측 유량으로 획득한 정량적 수문을 추가로 얻은 후, 확률적 수문 및 정량적 수문 중에 기설정 선정 규칙에 따라 어느 하나의 수문을 선택하고, 선택한 수문에 따라 미래의 수문기반 가뭄단계를 판정하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method according to claim 3 or 4,
The drought prospect module 25
After obtaining the quantitative hydrologic data obtained by applying the current weather forecast data to the rainfall-flow model, and selecting one of the probabilistic hydrologic and quantitative hydrologic according to the preset selection rule, To determine future stages of hydrologic drought
Portal based drought information system.
상기 기설정 선정 규칙은 정량적 수문과 확률적 수문 중에 낮은 값을 선택하는 규칙으로 하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method of claim 6,
The predetermined selection rule is a rule for selecting a low value between quantitative and probabilistic hydrologic
Portal based drought information system.
상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)은
과거 수문관측자료에서 일단위로 관측한 지하수위의 확률분포에 따른 월별 확률밀도함수(PDF : probability density function)를 커널밀도함수(KDE : kernel density estimation) 기법에 의해 획득하며, 현재 시점이 속한 월의 확률밀도함수에서 현재 시점의 월평균 지하수위의 분위(qunatile) 값을 얻어 현재 SGI를 정하고 현재 지하수 가뭄단계를 판정하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method of claim 1,
The groundwater drought analysis module 23
Monthly probability density function (PDF) according to the probability distribution of groundwater level observed from the previous hydrologic observation data is obtained by kernel density estimation (KDE) method. The probability density function is used to determine the current SGI and determine the current groundwater drought stage by obtaining a qunatile value of the monthly mean groundwater level.
Portal based drought information system.
상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)은
예측 기간이 경과한 시점까지 얻은 1 내지 12개월 지속단위 SPI와 예측 기간이 경과한 시점 이전에 얻은 SGI를 입력받는 입력층과, 기설정 개수를 초과한 뉴런으로 구성된 은닉층과, 예측 기간이 경과한 시점의 SGI를 출력하는 출력층을 갖는 인공신경망을 과거 기초자료로 학습시키되, 은닉층의 뉴런을 가지치기(pruning)에 의해 기설정 개수로 줄이며 학습시킨 후, 현재까지 데이터베이스화한 자료에 따라 미래의 SGI를 예측하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method of claim 9,
The groundwater drought analysis module 23
1 to 12-month sustained unit SPI obtained until the forecast period has elapsed, an input layer for receiving SGI obtained before the forecast period has elapsed, a hidden layer composed of more than a predetermined number of neurons, and The artificial neural network having the output layer that outputs the SGI of the viewpoint is trained as basic data in the past, but it is reduced to a predetermined number by learning by pruning the neurons of the hidden layer, and the future SGI according to the database data so far. To predict
Portal based drought information system.
상기 지하수 가뭄분석 모듈(23)에서 분위(quantile)에 따라 현재 SGI를 선정하기 위해 적용할 현재 시점의 지하수위는
월평균 지하수위 대신에 현재 시점의 관측 지하수위로 하는
포털 기반 가뭄정보 제공 시스템.The method of claim 9,
In the groundwater drought analysis module 23, the groundwater level at the present time to be applied to select the current SGI according to the quantile is
Instead of the monthly average groundwater level,
Portal based drought information system.
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