Byeonghyun Hwang;Hangseok Choi;Kibeom Kwon;Young Jin Shin;Minkyu Kang
Geomechanics and Engineering
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제38권5호
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pp.507-515
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2024
An accurate estimation of the geotechnical parameters in front of tunnel faces is crucial for the safe construction of underground infrastructure using tunnel boring machines (TBMs). This study was aimed at developing a data-driven model for predicting the rock quality designation (RQD) of the ground formation ahead of tunnel faces. The dataset used for the machine learning (ML) model comprises seven geological and mechanical features and 564 RQD values, obtained from an earth pressure balance (EPB) shield TBM tunneling project beneath the Han River in the Republic of Korea. Four ML algorithms were employed in developing the RQD prediction model: k-nearest neighbor (KNN), support vector regression (SVR), random forest (RF), and extreme gradient boosting (XGB). The grid search and five-fold cross-validation techniques were applied to optimize the prediction performance of the developed model by identifying the optimal hyperparameter combinations. The prediction results revealed that the RF algorithm-based model exhibited superior performance, achieving a root mean square error of 7.38% and coefficient of determination of 0.81. In addition, the Shapley additive explanations (SHAP) approach was adopted to determine the most relevant features, thereby enhancing the interpretability and reliability of the developed model with the RF algorithm. It was concluded that the developed model can successfully predict the RQD of the ground formation ahead of tunnel faces, contributing to safe and efficient tunnel excavation.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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제34권1호
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pp.23-27
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2017
This paper aims to develop a prediction model for the product quality of a casting process. Prediction of the product quality utilizes an artificial neural network (ANN) in order to renovate the manufacturing technology of the root industry. Various aspects of the research on the prediction algorithm for the casting process using an ANN have been investigated. First, the key process parameters have been selected by means of a statistics analysis of the process data. Then, the optimal number of the layers and neurons in the ANN structure is established. Next, feed-forward back propagation and the Levenberg-Marquardt algorithm are selected to be used for training. Simulation of the predicted product quality shows that the prediction is accurate. Finally, the proposed method shows that use of the ANN can be an effective tool for predicting the results of the casting process.
Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering
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제42권4호
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pp.203-210
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2019
Recently, a number of researchers have produced research and reports in order to forecast more exactly air quality such as particulate matter and odor. However, such research mainly focuses on the atmospheric diffusion models that have been used for the air quality prediction in environmental engineering area. Even though it has various merits, it has some limitation in that it uses very limited spatial attributes such as geographical attributes. Thus, we propose the new approach to forecast an air quality using a deep learning based ensemble model combining temporal and spatial predictor. The temporal predictor employs the RNN LSTM and the spatial predictor is based on the geographically weighted regression model. The ensemble model also uses the RNN LSTM that combines two models with stacking structure. The ensemble model is capable of inferring the air quality of the areas without air quality monitoring station, and even forecasting future air quality. We installed the IoT sensors measuring PM2.5, PM10, H2S, NH3, VOC at the 8 stations in Jeonju in order to gather air quality data. The numerical results showed that our new model has very exact prediction capability with comparison to the real measured data. It implies that the spatial attributes should be considered to more exact air quality prediction.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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제49권4호
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pp.13-22
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2007
The uncertainty in water quality model predictions is inevitably high due to natural stochasticity, model uncertainty, and parameter uncertainty. An integrated modeling system under uncertainty was described and demonstrated for use in watershed management and receiving-water quality prediction. A watershed model (HSPF), a receiving water quality model (WASP), and a wetland model (NPS-WET) were incorporated into an integrated modeling system (modified-BASINS) and applied to the Hwaseong Reservoir watershed. Reservoir water quality was predicted using the calibrated integrated modeling system, and the deterministic integrated modeling output was useful for estimating mean water quality given future watershed conditions and assessing the spatial distribution of pollutant loads. A Monte Carlo simulation was used to investigate the effect of various uncertainties on output prediction. Without pollution control measures in the watershed, the concentrations of total nitrogen (T-N) and total phosphorous (T-P) in the Hwaseong Reservoir, considering uncertainty, would be less than about 4.8 and 0.26 mg 4.8 and 0.26 mg $L^{-1}$, respectively, with 95% confidence. The effects of two watershed management practices, a wastewater treatment plant (WWTP) and a constructed wetland (WETLAND), were evaluated. The combined scenario (WWTP + WETLAND) was the most effective at improving reservoir water quality, bringing concentrations of T-N and T-P in the Hwaseong Reservoir to less than 3.54 and 0.15 mg ${L^{-1}$, 26.7 and 42.9% improvements, respectively, with 95% confidence. Overall, the Monte Carlo simulation in the integrated modeling system was practical for estimating uncertainty and reliable in water quality prediction. The approach described here may allow decisions to be made based on probability and level of risk, and its application is recommended.
The prediction of algal bloom is an important field of study in algal bloom management, and chlorophyll-a concentration(Chl-a) is commonly used to represent the status of algal bloom. In, recent years advanced machine learning algorithms are increasingly used for the prediction of algal bloom. In this study, XGBoost(XGB), an ensemble machine learning algorithm, was used to develop a model to predict Chl-a in a reservoir. The daily observation of water quality data and climate data was used for the training and testing of the model. In the first step of the study, the input variables were clustered into two groups(low and high value groups) based on the observed value of water temperature(TEMP), total organic carbon concentration(TOC), total nitrogen concentration(TN) and total phosphorus concentration(TP). For each of the four water quality items, two XGB models were developed using only the data in each clustered group(Model 1). The results were compared to the prediction of an XGB model developed by using the entire data before clustering(Model 2). The model performance was evaluated using three indices including root mean squared error-observation standard deviation ratio(RSR). The model performance was improved using Model 1 for TEMP, TN, TP as the RSR of each model was 0.503, 0.477 and 0.493, respectively, while the RSR of Model 2 was 0.521. On the other hand, Model 2 shows better performance than Model 1 for TOC, where the RSR was 0.532. Explainable artificial intelligence(XAI) is an ongoing field of research in machine learning study. Shapley value analysis, a novel XAI algorithm, was also used for the quantitative interpretation of the XGB model performance developed in this study.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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제45권7호
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pp.83-93
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2003
This research compared the observed and model predicted results that include; runoff, sediment yield, and nutrient losses from a 2.71 ha cattle grazing pasture field in North Alabama. Application of water quality computer simulation models can inexpensively and quickly assess the impact of pasture management practices on water quality. AGNPS single storm based model was applied to the three pasture species; Bermudagrass, fescue, and Ryegrass. While comparing model predicted results with observed data, it showed that model can reasonably predict the runoff, sediment yield and nutrient losses from the watershed. Over-prediction and under-prediction by the model occurred during very high and low rainfall events, respectively. The study concluded that AGNPS model can be reasonably applied to assess the impacts of pasture management practices and chicken litter application on water quality.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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제44권5호
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pp.96-105
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2002
As an useful water purification system for non-point source pollution in rural watersheds, interests in constructed wetlands are growing at home and abroad. It is well known that constructed wetlands are easily installed, no special managemental needs, and more flexible at fluctuating influent loads. They have a capacity for purification against nutrient materials such as phosphorus and nitrogen causing eutrophication of lentic water bodies. The Constructed Wetland Design Model (CWDM), developed through this study is consisted mainly of Database System, Runoff-discharge Prediction Submodel, Water Quality Prediction Submodel, and Area Assessment Submodel. The Database System includes data of watershed, discharge, water quality, pollution source, and design factors for the constructed wetland. It supplies data when predicting water quality and calculating the required areas of constructed wetlands. For the assessment of design flow, the GWLF (Generalized Watershed Loading Function) is used, and for water quality prediction in streams estimating influent pollutant load, Water Quality Prediction Submodel, that is a submodel of DSS-WQMRA model developed by previous works is amended. The calculation of the required areas of constructed wetlands is achieved using effluent target concentrations and area calculation equations that developed from the monitoring results in the United States. The CWDM is applied to Bokha watershed to appraise its application by assessing design flow and predicting water quality. Its application is performed through two calculations: one is to achieve each target effluent concentrations of BOD, SS, T-N and T-P, the other is to achieve overall target effluent concentrations. To prove the validity of the model, a comparison of unit removal rates between the calculated one from this study and the monitoring result from existing wetlands in Korea, Japan and United States was made. As a result, the CWDM could be very useful design tool for the constructed wetland in rural watersheds and for the non-point source pollution management.
Various quality models using quality factor, quality criteria and metrics have been proposed in order to evaluate quality of software products. However, a customized quality model which is specific to the characteristics of software component is required. In this paper, we propose external quality prediction techniques enable us to predict what external quality the final software product will have by using metrics as with internal attributes of software in development. We also propose a model not only for measuring quality by using metrics but also for applying internal attributes of ISO 9126 into artifacts of software component development.
Journal of Korean Institute of Industrial Engineers
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제40권3호
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pp.257-266
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2014
The semiconductor manufacturing industry is managed by a number of parameters from the FAB which is the initial step of production to package test which is the final step of production. Various methods for prediction for the quality and yield are required to reduce the production costs caused by a complicated manufacturing process. In order to increase the accuracy of quality prediction, we have to extract the significant features from the large amount of data. In this study, we propose the method for extracting feature from the cell level data of probe test process using OPTICS which is one of the density-based clustering to improve the prediction accuracy of the quality of the assembled chips that will be placed in a package test. Two features extracted by using OPTICS are used as input variables of quality prediction model because of having position information of the cell defect. The package test progress for chips classified to the correct quality grade by performing the improved prediction method is expected to bring the effect of reducing production costs.
A watershed model was constructed using Hydrological Simulation Program Fortran to quantitatively predict the stream flows at major tributaries of Nakdong River basin, Korea. The entire basin was divided into 32 segments to effectively account for spatial variations in meteorological data and land segment parameter values of each tributary. The model was calibrated at ten tributaries including main stream of the river for a three-year period (2008 to 2010). The deviation values (Dv) of runoff volumes for operational stream flow forecasting for a six month period (2012.1.2 to 2012.6.29) at the ten tributaries ranged from -38.1 to 23.6%, which is on average 7.8% higher than those of runoff volumes for model calibration (-12.5 to 8.2%). The increased prediction errors were mainly from the uncertainties of numerical weather prediction modeling; nevertheless the stream flow forecasting results presented in this study were in a good agreement with the measured data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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