Forecasting of Runoff Hydrograph Using Neural Network Algorithms

신경망 알고리즘을 적용한 유출수문곡선의 예측

  • Published : 2000.08.01

Abstract

THe purpose of this study is to forecast of runoff hydrographs according to rainfall event in a stream. The neural network theory as a hydrologic blackbox model is used to solve hydrological problems. The Back-Propagation(BP) algorithm by the Levenberg-Marquardt(LM) techniques and Radial Basis Function(RBF) network in Neural Network(NN) models are used. Runoff hydrograph is forecasted in Bocheongstream basin which is a IHP the representative basin. The possibility of a simulation for runoff hydrographs about unlearned stations is considered. The results show that NN models are performed to effective learning for rainfall-runoff process of hydrologic system which involves a complexity and nonliner relationships. The RBF networks consist of 2 learning steps. The first step is an unsupervised learning in hidden layer and the next step is a supervised learning in output layer. Therefore, the RBF networks could provide rather time saved in the learning step than the BP algorithm. The peak discharge both BP algorithm and RBF network model in the estimation of an unlearned are a is trended to observed values.

본 연구는 하천에서 호우의 발생에 따라 하천 유출수문곡선을 예측코자 블랙박스모형의 신경망이론을 적용하여 수문학적인 문제를 규명하고자 하였다. 이를 위해 신경망 이론 중 Levenverg-Marquardt 방법에 의한 오차역전파 알고리즘과 Radial Basis Function Network(RBFN)를 이용하여 IHP 대표유역인 보청청유역에 수문곡선을 적용하여 선행유출량 예측과 미학습 유역의 적용성을 검토하였다. 그 결과 복잡하고 비선형적인 수문계의 강우-유출 과정의 학습에 있어 RBFN은 은닉층에서 자율학습, 출력층에서 지도학습의 두 단계로 나누어 학습을 함으로서 BP 알고리즘보다 학습시간이 빠르게 나타났고, 선행유출량의 예측결과 여러 통계적 지표에서 RBFN이 BP 알고리즘보다 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 미학습 유역의 적용성 검토에서도 BP알고리즘과 RBFN 모두 첨두치가 비교적 실측자료의 경향과 비슷한 경향으로 나타났다.

Keywords

References

  1. 강관원, 박찬영, 김주환 (1992). '패턴인식방법을 적용한 하천유출의 비선형 예측.' 한국수문학회지, 한국수문학회, 제25권, 제3호, pp. 105-113
  2. 건설부 (1983-1998) 국제수문개발계획(HP) 연구보고서
  3. 고원준. 조원철 (1999). '신경회로망을 이용한 저수지 유립량의 실시간 예측모형 연구.' '99년도 한국 수자원학회 학술발표회 논문집, 한국수자원학회, pp. 209-214
  4. 김만식 (1998). 다목적 저수지의 홍수유입량 예측을 위한 신경망모형. 박사학위논문. 충북대학교
  5. 김주환 (1993) 신경회로망을 이용한 하천유출량의 수문학적 예측에 관한 연구. 박사학위논문, 인하대학교
  6. 신현석, 최종남, 박무종 (1998). '신경망을 이용한 비선형 강우 및 홍수 유출 실시간 예측 모형.' '98년도 대한토목학회 학술발표회 논문집(III). 대한토목학회, pp. 185-188
  7. 안상진, 전계원, 김응용, 김진극 (1999). '신경망 알고리즘을 적용한 강우-유출수문곡선의 모의' '99년도 대한토목학회 학술발표회 논문집(III). 대한토목학회. pp. 43-46
  8. 오경두, 전병호 (1994). '미계측 중소유역 유출 시뮬레이션을 위한 신경회로망 모형의 적용.' 제36회 수공학 연구발표회 논문집. 한국수문학회. pp 317-323
  9. 전계원 (2000). 신경망 알고리즘을 적용한 유출수문곡선의 예측. 석사학위논문. 충북대학교
  10. Broomhead. D.S, and Lowe, D. (1988). 'Multivariable functional interpolation and adptive networks.' Complex Systems, Vol. 2, pp. 321-355
  11. Demuth, H. and Beale, M. (1997). Neural network toolbox : For use with MATLAB user's guide 3.0. The Math Wors Inc., pp. 2.1-6.19
  12. Grench, M.N.. Krajewski, W. F., and Cuykendall, R.R. (1992). 'Rainfall forecasting in space and time using a neural network.' Journal. of Hydrology, Vol. 137, pp 1-31 https://doi.org/10.1016/0022-1694(92)90046-X
  13. Hsu, Kuo-Lin, Gupta, H.V.. and Sorooshian. S. (1995) 'Artificial neural network modeling of the rainfall-runoff process.' Water Resources Ressearch, Vol. 3, pp. 2517-2530 https://doi.org/10.1029/95WR01955
  14. Hush (1993) 'Progress in supervised neural network.' IEEE Signal Processing Magazine. pp. 8-38
  15. Jang. J.-S. R.. Sun, C.-T, and Mizutani, E. (1997) Neuro-fuzzy and soft computing. Prentice Hall, pp. 129-331
  16. Karunanithi, N. (1994). 'Neural networks for river flow prediction.' ASCE Journal of Computing in Civil Engineering, Vol 8, No.2. pp. 201-209 https://doi.org/10.1061/(ASCE)0887-3801(1994)8:2(201)
  17. Mason, JC., Price R.K., and TEM'ME, A. (1996). 'A neural network model of rainfall-runoff using fadial basis functions' Journal of Hydraulic Research, Vol. 34, No.4, pp. 537-548
  18. Moody, J., and Darken, CJ (1989) 'Fast learning in networks of locally-tuned processing units.' Neural Computation, Vol. 1, pp. 281-294
  19. Orr.. M.J.L. (1999). Matlab functions for radial basis function networks. Technical report. Institute for Adaptive and Neural Computation, Division of Infornatics, Edinburgh University, pp. 1-69
  20. Thirumalaiah, K. (1998). 'River stage forecasting using artificial neural networks.' ASCE Journal of Hydrologic Engineering, Vol. 3, No.1, pp. 26-32 https://doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0699(1998)3:1(26)
  21. 오남선 (1996). 신경망이론과 Kalman Filter 강우예측모형의 비교연구. 박사학위논문, 서울대학교