다층자료 분석에서 벌점회귀모형의 변수 선택 및 예측 성능에 관한 몬테카를로 모의실험

구미령 한국교원대학교 대학원 2021 국내석사

학생은 학급, 학교에 소속되어 있다. 따라서 학생에 대한 자료는 학생-학급-학교로 이어지는 위계적 구조를 가지는 다층자료이다. 다층자료를 분석하기 위하여 다층모형(multilevel model)을 주로 이용해왔다. 다층모형을 이용하면 자료의 위계를 고려하여 분석할 수 있기 때문이다. 최근 여러 기관에서 수백 개의 변수가 포함되어 있는 교육 대용량/패널자료를 제공하고 있는데, 다층모형을 이용할 경우 투입할 수 있는 변수의 수가 제한적이다. 따라서 하나의 구인을 측정하기 위한 변수들을 평균을 내거나 선행연구에 기반하여 연구를 수행할 수밖에 없었다. 한편, 기계학습 기법인 벌점회귀모형을 사용하면 수백 개의 변수를 하나의 모형으로 투입하여 분석할 수 있고, 회귀계수 추정과 동시에 자동으로 변수 선택까지 가능하다. 그러나 기존의 벌점회귀모형의 경우 교육 분야의 특성이라고 할 수 있는 자료의 위계를 고려하지 않았다. 본 연구의 목적은 다층자료를 분석할 때 변수 선택 및 예측 성능 면에서 적절한 벌점회귀모형을 탐색하는 것이다. 본 연구에서 사용된 벌점회귀모형은 glmmLasso, LASSO, elastic net이다. 세 가지 분석 방법 모두 L1-노음(norm)을 기반으로 하고 있는데, glmmLasso는 자료의 위계를 고려할 수 있지만, LASSO와 elastic net은 자료의 위계를 고려하지 않는 방법이다. 본 연구에서는 다층자료를 분석할 때 glmmLasso, LASSO, elastic net의 변수 선택 및 예측 성능을 비교하고자 하였다. 이를 위하여 다음과 같은 연구 문제를 설정하였다. 반응변수가 연속형인 다층자료를 분석할 때 어떤 벌점회귀모형이 변수 선택 및 예측 성능 면에서 가장 좋은 수행을 보이는가?, 집단내 상관계수(intraclass correlation coefficient, ICC)의 크기가 달라짐에 따라 벌점회귀모형의 변수 선택 및 예측 성능 결과에 차이를 보이는가?, 반응변수가 이분형인 다층자료를 분석할 때 어떤 벌점회귀모형이 변수 선택 및 예측 성능 면에서 가장 좋은 수행을 보이는가?, 불균형 비율(imbalance ratio, IR)이 달라짐에 따라 벌점회귀모형의 변수 선택 및 예측 성능 결과에 차이를 보이는가? 이상의 연구 문제를 해결하기 위하여 모의실험을 수행하였다. 먼저, 교육 대용량/패널자료를 모방하여 모의실험을 위한 자료를 생성하였다. 모의실험Ⅰ에서는 TALIS(Teaching and Learning International Survey) 2018 자료를 모방하여 반응변수가 연속형인 자료를 생성하였다. 이때, 집단내 상관계수(ICC) 크기를 달리하였다. 모의실험Ⅱ에서는 한국 아동·청소년 패널조사(Korean Children and Youth Panel Survey, KCYPS) 2018 자료를 모방하여 반응변수가 이분형인 자료를 생성하였다. 이때, 불균형 비율(IR)을 달리하였다. 생성된 다층자료를 glmmLasso, LASSO, elastic net을 통하여 분석하고 변수 선택 및 예측 성능을 비교하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다. 첫째, 위계를 고려할 수 있는 벌점회귀모형인 glmmLasso의 예측 성능이 LASSO와 elastic net보다 우수한 것으로 나타났다. 특히, ICC 크기와 IR이 커짐에 따라 glmmLasso의 예측 성능이 다른 방법을 압도하였다. 둘째, 1수준 및 2수준 변수가 모두 포함된 다층자료를 분석할 때 glmmLasso는 2수준 변수 선택을 잘하는 것으로 나타났다. 이는 연구의 관심이 2수준 변수를 탐색하는 데 있다면 분석 방법으로 glmmLasso를 적극적으로 고려할 수 있음을 시사한다. 다만, 투입된 변수의 수가 500으로 큰 경우 2수준 변수 선택을 잘하는 대신 1수준 잡음변수를 많이 선택하는 경향을 보여 1수준 변수의 결과 해석에 유의하여야 한다. 셋째, 1수준 변수만 포함된 자료를 분석할 때, glmmLasso의 변수 선택을 잘하는 것으로 나타났다. 또한 glmmLasso를 이용하면 무선효과의 표준편차를 추정할 수 있어 더 많은 정보를 얻을 수 있다. 모의실험 결과를 바탕으로 glmmLasso를 이용하여 실제 자료를 분석하였다. TALIS 2018 자료를 통하여 교사협력을 예측할 수 있는 학교 변수 2개, 교사 변수 42개를 탐색하였다. 또한 KCYPS 2018 자료를 이용하여 현실 비행경험과 사이버 비행경험을 예측할 수 있는 학생 변수를 각각 7개, 13개 탐색하였다. 본 연구는 변수가 매우 많은 다층자료를 분석할 때 자료의 위계를 고려할 수 있는 벌점회귀모형인 glmmLasso의 필요성을 발견하였고, 교육 자료 분석에서의 glmmLasso의 활용 가능성을 높였다는 데에서 의의가 있다.

CMOS 영상센서 기반 디지털 X-선 영상시스템의 구현 및 영상특성 평가에 관한 연구

정만희 연세대학교 대학원 2004 국내석사

In this study, we developed a Monte Carlo image simulation code written with visual C++ programming language to evaluate image qualities of the designed digital radiography system based on CMOS image sensor and Gd2O2S(Tb) scintillator. Under test conditions of 60 kVp tube voltage, 1 mA tube current, 1 second exposure time, and Gd2O2S(Tb) scintillator (Min-R, thickness: 43.2 μm, KODAK, USA), we obtained X-ray images both from the simulation code and from experiments, and evaluated their image qualities through the SNR (signal-to-noise ratio), MTF (modulation- transfer function), NPS (noise-power spectrum), and DQE (detective quantum efficiency). For the given test conditions, the simulated X-ray images showed a good response with X-ray exposure and about 9.5 lpmm measured at 10% MTF, and NPS and DQE decreased gradually with spatial frequency. In addition, NPS decreased with X-ray exposure, but DQE increased; DQE(0) value was calculated as about 0.80, 0.85, 0.90 for X-ray exposures of 1.0, 3.0, and 5.0 mR, respectively. For experimental images, the SNR increased with X-ray exposure and was saturated over 70 mR. The spatial frequency was measured as about 6.0 lpmm at 10% MTF, and the DQE(0) value about 0.28, 0.59, 0.70 for X-ray exposures of 10, 26, and 47 mR, respectively. The image simulation code developed in the study can be applied for a variety of digital X-ray imaging systems, and will be used for the design optimization of an X-ray imaging system by estimating its performance on various design parameters. 본 연구에서는 디지털 X-선 영상시스템의 최적화 설계 및 영상특성을 사전에 평가하기 위하여 몬테카를로 방법을 이용한 영상모의실험용 코드를 비쥬얼 C++ 프로그래밍 언어를 사용하여 개발하였으며, 또한 CMOS 영상센서(픽셀크기: 48x48 mm2, Radicon사)와 Gd2O2S(Tb) 섬광체(두께: 43.2μm, KODAK(Min-R)) 기반의 디지털 X-선 영상시스템을 구현하였다. 관전압 60kVp, 관전류 1mA, 조사시간 1초의 촬영조건에서 모의실험영상과 실험영상을 획득한 후 영상평가의 객관적 지표인 SNR(signal-to-noise ratio), MTF(modulation transfer function), NPS(noise power spectrum), DQE(detective quantum efficiency)를 계산하여 그 화질을 비교 평가하였다. 모의실험을 통하여 획득된 X-선 영상의 특성은 낮은 조사선량에서 높은 신호대잡음비를 보였으며 10% MTF에서 약 9.5 lpmm로 측정되었다. NPS와 DQE 특성은 공간주파수가 증가할수록 점진적으로 감소하였으며, 또한 X-선 조사선량이 증가할수록 NPS는 감소한 반면 DQE는 증가하였다. 이 때 DQE(0) 값은 1.0, 3.0, 5.0mR 조사선량에서 각각 약 0.8, 0.85, 0.9으로 계산되었다. 구현된 디지털 X-선 영상시스템은 X-선 조사선량에 대해 선형적인 응답을 나타내었으며, 이 때 획득된 영상의 특성은 X-선 조사선량이 증가할수록 신호대잡음비가 증가하다가 70mR에서 포화되었으며, 10% MTF에서 약 6.0 lpmm로 측정되었다. 또한 NPS와 DQE 특성은 공간주파수와 X-선 조사선량에 대해 모의실험 결과와 비슷한 결과를 나타내었으며, 이 때 DQE(0) 값은 10mR, 26mR, 47mR의 실험조건에서 각각 약 0.28 0.59, 0.70로 측정되었다. 본 연구에서 제작된 몬테카를로 모의실험 코드를 이용하여 다양한 디지털 X-선 영상시스템에 대해 여러 설계변수들에 대한 성능을 예측함으로써 영상시스템의 최적설계에 활용될 수 있으며, 저가의 CMOS 영상센서 기반의 디지털 X-선 영상시스템을 구현하고 획득된 영상의 특성 평가를 통하여 시스템의 물리적 특성 및 영상 특성을 파악할 수 있었다.

공무원연금제도에 대한 확률적 고찰

김주유 서울시립대학교 대학원 2009 국내석사

수명연장으로 인해 기대여명이 증가함에 따라 근로자의 노후소득에 대한 대책으로 공적사적연금에 대한 관심이 증대되고 있으며, 저출산과 인구고령화 문제가 심화됨에 따라 노후보장체계로서 연금제도는 정책당국의 주요 현안이 되고 있다. 본 논문에서는 현재 공무원연금제도를 단순화하고, 생존분포를 반영한 모형을 이용하여 공무원 연금제도의 재무건전성을 살펴보았다. 연구방법으로는 개인가입자별 총기여금과 총수령액의 기댓값을 비교하는 방법과 모형화한 공무원연금을 몬테카를로 시행을 통해 파산확률 및 국가준비금 등을 구해보는 방법을 이용하였다. 기댓값을 이용한 개인가입자별 분석에서는 근무기간에 따른 연금수급자 간의 형평성에 문제가 있음을 확인할 수 있었고, 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 연구에서는 30년 후의 파산확률을 확인해 볼 수 있었으며, 10000명을 기준으로 30년 후 기금의 파산확률을 5%이내로 줄이기 위한 준비금이나, 30년 동안 들어가게 될 정부보전금을 구해볼 수 있었다. This thesis examines the financial soundness of the government employee pension system (GEPS). We use a model that simplifies the existing GEPS considering survival probability distribution of life of employees. Two approaches were selected for research. One is the expected net value of pension for an individual employee and the other is the default probability of the system from Monte-carlo simulation. The outcome reveals the following three possibilities. First, the individual expected net value presents unfairness between the retiree’s premium and the benefit he/she receives. In other words, when government employees qualify to receive the retirement pension, they do not receive, on average, enough benefits compared to what they have paid as premiums. Second, the Monte-carlo simulation suggests that the default is highly likely to happen in less than 30 years. Third, the governmental reserve and subsidy for GEPS should be required to a certain degree in order to alleviate the probability of default less than 5 percent for the next 30 years.

Regional frequency analysis based on teh GEV mixture model

안현준 Graduate School, Yonsei University 2020 국내박사

The modeling of a hydrological frequency model is conducted using sample data from independent event. Hence, it is essential to review the generating mechanism of sample data in order to model a probability distribution model. Nevertheless, annual maximum rainfall data is continuously generated and an extreme distribution model is estimated regardless of the cause of the rainfall. In this study, the annual maximum rainfall data set was produced according to the cause of extreme rainfall events at 64 stations of the Korea Meteorological Administration (KMA) in South Korea. These causes were defined as typhoon and non-typhoon. The typhoon index was used to produce the annual maximum rainfall data generated by typhoon events. The index was generated by referring to the typhoon white book. The annual maximum rainfall generated during the period when there was no effect of the typhoon was defined as non-typhoon events, and the annual maximum rainfall data was produced based on this assumption. New regional frequency analysis (RFA) methods were adopted to overcome the lack of sample data and to consider the hydrological characteristics according to the causes of rainfall events. At-site frequency analysis (AFA) and RFA methods were also conducted to compare them with the new RFA method. For the RFA, the self-organizing map (SOM) algorithm that is one of the artificial neural network (ANN) techniques was used to identify homogeneous regions. Every region classified by the SOM was confirmed as a homogeneous region using the heterogeneity measure. The generalized extreme value distribution (GEV) model was assumed as an appropriate model for the annual maximum rainfall data. The probability plot correlation coefficient (PPCC) test and a bivariate goodness-of-fit (GOF) measure were applied to the sample data for the GOF test. Those tests confirmed that the GEV distribution is suitable for almost all stations and all regions. A new Monte Carlo simulation technique was suggested for simulation of the newly proposed RFA model. Simulation results show that the new RFA models achieve good performance in all regions and almost all return periods except the return period of 10 or/and 20 years. For the applicability review, the rainfall quantiles for the return periods of 100, 200, 300, and 500 years were estimated for 64 stations in South Korea. As a result, the right tail of models became thicker at stations in the region dominated the effects of typhoons, whereas the right tail of models became thinner at stations in the region less affected by typhoons. Further, through the spatial distribution of rainfall quantiles throughout South Korea, it was confirmed that the stable and robust order of spatial autocorrelation are the new RFA, RFA, and AFA. 수문학적 확률분포모형의 설계는 독립사상으로부터 생성된 표본을 활용하여 이루어진다. 그러므로 확률분포모형을 구축하기 위해서는 먼저 표본자료의 발생원인을 살펴보는 것이 필요하다. 그러나 일반적으로 연 최대강우 자료를 활용하여 극치분포모형을 구축할 때 강우의 발생원인에 관계없이 표본자료를 수집 및 이용하여 연 최대강우량을 생성하고 확률 수문량을 추정하고 있다. 본 연구에서는 남한에서의 강우 사상의 발생 원인을 태풍과 비 태풍으로 구분하고 표본 자료로써 연 최대강우량을 분리하여 생산하였다. 이를 위해서 기상청 64개 지점을 대상으로 태풍 백서를 참고하여 태풍 인덱스를 만들었다. 태풍 인덱스를 이용하여 태풍이 우리나라에 영향을 미친 기간에 생성된 강우량과 태풍의 영향이 없었던 기간에 생성된 강우량을 통해 각각의 연 최대강우량 자료를 생성하였다. 구축된 자료를 바탕으로 강우 사상의 발생원인에 따른 수문학적 특성을 고려하고 표본자료의 부족함을 극복하기 위하여 혼합분포형을 활용한 지역빈도해석 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제시한 새로운 지역빈도해석 방법과 비교하기 위하여 지점빈도해석과 지역빈도해석 역시 수행하였다. 새로운 지역빈도해석의 적용을 위해 인공신경망 기법 중 하나인 자기조직화지도 기법을 활용하여 동질지역 구분을 수행하였다. 이질성 척도 기법을 통해 구분된 모든 지역이 모두 동질 지역임을 확인하였다. 생성된 연 최대강우량 자료에 적합한 모형으로 GEV 분포 모형을 가정하고 확률도시 상관계수 검정 방법과 이변량 적합성 척도 검정 방법을 이용하여 생성된 자료에 대하여 GEV 분포 모형의 적합도를 평가하였다. 적합도 검정 결과 대부분의 지점과 모든 지역에서 GEV 분포형이 적합한 것을 확인하였다. 새롭게 제안하는 지역빈도해석 모형의 모의실험을 위해서 새로운 2단계 몬테카를로 모의실험 기법을 제안하였다. 모의실험 결과 모든 지역에서 재현 기간 10년 또는 20년을 제외하고 새롭게 제안된 지역빈도해석 모형의 성능이 좋은 것으로 나타났다. 우리나라의 적용성 검토를 위해서 64개 지점에 대해서 재현 기간 100년, 200년, 300년, 그리고 500년에 해당하는 확률 수문량을 추정하였다. 분석 결과 본 연구를 통해서 새롭게 제안된 지역빈도해석 모형은 태풍의 영향을 많이 받는 지역에서는 오른쪽 꼬리가 두꺼워지는 반면에 태풍의 영향을 적게 받는 지역에서는 오른쪽 꼬리가 얇아지는 것을 확인하였다. 또한 남한 전체를 대상으로 확률강우량의 공간분포를 통해서 공간적 자기 상관성 측면에서 기존의 방법들 보다 안정적인 것을 확인하였다.

해양부유식 무붕산 소형모듈형 원자로 노심 설계 고도화

김도균 서울대학교 대학원 2021 국내석사

해양부유식 소형모듈형원자로(SMR : Small Modular Reactor)는 선박 추진용, 원격지 전력생산 및 공급, 해수 담수화 등의 목적으로 연구개발이 진행되고 있으며, 계통의 단순화와 운전성 향상을 위해 무붕산 운전 기술 적용을 고려하고 있다. 최근 한국전력기술(주)은 열출력 200MWt의 해양부유식 SMR인 Bandi-60을 개발 중이며, 본 연구에서는 이를 위한 무붕산 SMR 최적노심을 설계하였다. 선행연구에서 농축도 4.95 w/o의 UO 핵연료를 장전한 열출력 200MWt, 주기길이 5년의 예비노심을 설계하였으나, 실제 무붕산 운전 SMR 노심의 운전조건을 고려한 최적노심 개발의 필요성이 제기되었다. 이에, 본 연구는 개념 설계된 예비노심이 열수력 궤환 효과를 고려하였을 때 요구하는 상위요건을 만족하는지 확인하고 기준이 되는 최적노심 설계를 개발하는 것이 목적이며, 개발된 최적노심에 대하여 실제 무붕산 운전조건에서 제어봉 만을 사용하여 원자로 임계를 유지할 수 있는지 확인한 후 원자로 안전해석 및 계통설계에 필요한 노심특성 계산을 수행하였다. 본 연구에서 개발하여야 하는 최적노심의 기준은 주기길이 4~5년, 잉여반응도 5,000pcm 이하에 첨두출력계수를 최소화하고 저온정지조건에서 제어봉만으로도 충분한 정지여유도를 제공할 수 있는 반응도 제어설비를 갖추어야 한다. 따라서, 총 52개의 웨스팅하우스사 형의 17×17 핵연료집합체를 사용하며, 잉여반응도 제어를 위해 각 핵연료집합체에 24개의 Pyrex 가연성흡수봉을 사용하되 Pyrex의 B2O3 함유량을 달리하는 총 5종의 핵연료집합체로 노심을 구성하였다. 노심설계를 위하여 서울대학교에서 개발한 몬테칼로 입자수송해석 코드인 McCARD(Monte Carlo Code for Advanced Reactor Design)를 이용하였으며, McCARD 코드로 열수력 궤환 효과를 고려하여 설계요건을 만족하는 최적노심을 개발하였다. 개발된 노심이 주기초 저온영출력 조건에서의 제한치인 ‘유효증배계수 < 0.95’를 만족하며 미임계가 가능하도록 반응도 제어설비를 최적화하였고, 주기길이는 4.92±0.23년, 제논평형 이후 최대 잉여반응도는 2,366±12pcm, 최대첨두출력계수(Fq)는 2.29±0.10, 최대선출력밀도는 16.67±0.73kW/m로 설계요건을 모두 만족하였다. 또한, 실제 무붕산 운전 조건인 제어봉만을 사용하여 원자로 임계를 유지한 연소계산을 수행하여 약 4.79년까지 출력 운전이 가능한 것을 확인하였다. 전 운전주기 동안 최대첨두출력계수(Fq)는 3.09±0.23, 최대선출력밀도는 22.54±1.56kW/m로 제한치(41.38kW/m) 대비 충분한 여유도가 있음을 확인하였으며, 최적노심의 안전해석 및 계통설계에 필요한 노심의 동특성인자, 반응도계수, 온도분포 등 각종 핵특성인자를 계산하였다. 따라서, 반응도 제어설비가 임계운전 능력과 충분한 정지여유도를 제공하여 원자로의 운전성 및 안전성을 보장할 수 있음을 확인함으로써 해양부유식 무붕산 SMR 노심설계 고도화를 달성하였다. 아울러 몬테칼로 노심 설계코드에 열수력 궤환 효과를 고려한 전 주기동안의 제어봉 임계운전을 모의하는 노심설계 방법론을 무붕산 노심핵설계에 적용함으로써 향후 개발될 원자로의 노심설계에 활용될 수 있을 것으로 판단된다. There are many studies about marine floating small modular reactor (SMR) for ship propulsion, power supply to remote locations, and seawater desalination. The SMR design is considering applying the soluble boron-free operation, which can simplify the system and improve operability. Recently, KEPCO E&C is developing Bandi-60, the SMR with thermal power of 200 MW, and in this study, the optimal core of soluble boron-free SMR is designed for this purpose. As a result of the previous study, the core with thermal power of 200MW and a cycle length of 5 years was designed using UO2 fuel material with enrichment of 4.95 w/o loaded with a total of 52 fuel assemblies. However, it is required to design the SMR, considering the condition of a thermal-hydraulic feedback effect and the soluble boron free operation. The purpose of this study is to confirm whether the previous core satisfies the design requirements when considering a thermal-hydraulic feedback effect and to design the optimal core. The burn-up calculation of the optimum core is performed under critical-state conditions using a control rod in soluble boron-free conditions. The core characteristics are calculated by the results of the burn-up calculation under critical-state conditions. In this paper, core design requirements are selected to be 4 to 5 years of cycle length, excess reactivity of less than 5,000, and minimizing peaking factor. In addition, the purpose is to design a reactivity control system that can provide sufficient negative reactivity in cold zero power (CZP). The fuel assembly (FA) is based on the Westinghouse 17⨯17 FA, and 52 FAs are loaded in the core. The fuel material is UO2 with an enrichment of 4.95 w/o. Pyrex is used as burnable absorber (BA) for reactivity control. The core is composed of a combination of 5 types of FA with different concentrations of B2O3 in Pyrex. Monte Carlo Code for Advanced Reactor Design (McCARD), a Monte Carlo particle transport analysis code developed by Seoul National University, is used for the core design of SMR. The SMR meeting the design criteria is designed by McCARD burn-up calculation with T/H feedback. The core has enough control rod to maintain subcritical-state below the effective multiplication factor (keff.) of 0.95 at cold zero power in the beginning of the cycle (BOC). The estimated cycle length is 4.92 ± 0.23 years, the maximum excess reactivity after equilibrium Xenon is 2,366 ± 12 pcm, the maximum Fq is 2.29±0.10, and the maximum linear power density is 16.67±0.73 kW/m, which meets the design requirements. In addition, by performing the McCARD burn-up calculation maintaining the reactor criticality, this study shows that the SMR can operate up to about 4.79 years in soluble boron-free conditions. During the entire core lifetime, the maximum Fq is 3.09±0.23, and the maximum linear power density is 22.57±1.56 kW/m, which meets the design parameters with sufficient thermal stability. Various nuclear characteristic factors such as the core dynamic characteristics, the reactivity coefficients, and the temperature profiles required for safety analysis and system design of the core are calculated. This study shows that the core has a sufficient reactivity control system to ensure the shutdown margin and operate in soluble boron-free conditions. Therefore, it proposes the advanced core design of soluble boron-free SMR for marine applications.

Calculation of expected sliding distance of concrete caisson of vertical breakwater considering variability in wave direction : 파향의 변동성을 고려한 직립방파제 콘크리트 케이슨의 기대활동량 산정

홍수영 서울대학교 대학원 2003 국내박사

폐기물 바이오매스의 특성 확인 및 고체연료 품질 최적화 기법 연구

박재성 인천대학교 대학원 2020 국내박사

온실가스 감축을 위한 저탄소 에너지원인 태양광, 풍력, 조력, 파력 등 신재생에너지에 비해 비용편익이 큰 폐기물 및 바이오매스 에너지에 대한 관심이 커지고 있다. 수도권 매립지 연장문제 등 사회 갈등 해소를 위해서, 매립 처분되는 폐기물 감축을 위해 적법하고, 안전한 폐기물 바이오매스의 고체연료 품질 최적화 기술의 개발 보급이 시급한 실정이다. 본 연구는 제도적으로 적법하고, 환경적으로 안전한 폐기물 바이오매스를 확인하고, 이들의 최적 배합조건을 예측함으로써 양질의 바이오매스 고체연료를 설계할 수 있는 기법을 제시하는데 목적이 있다. 폐기물 바이오매스 특성은 생화학적 안정성과 환경 안전성에 의하여 확인할 수 있었다. 생화학적 안정성은 바이오매스 함량과 생분해도 지표를 이용한 연료의 고유한 생화학적 분해성에 의하여 파악할 수 있었다. 생화학적 안정성은 원단위 지표로 활용하여, 악취발생 및 안정적인 보관 가능성 등을 평가할 수 있었다. 환경 안전성은 생태독성 시험에 의한 법적 기준 항목 이외의 환경 독성 영향 평가에 의하여 파악할 수 있었다. 수용체 중심의 생태 독성시험은 독성 민감종을 유연하게 선택 적용 할 수 있고, 원료선택, 제조, 유통, 사용 전과정에서, 환경 안전성을 신속하게 사전 파악하는데 유용함을 알 수 있었다. 폐기물 바이오매스 고체연료 품질 최적화를 위하여 적용된 몬테카를로 확률론적 모의실험 기법은 확률밀도함수를 이용한 원료의 혼합 제조 결과를 분포 형태로 예측하여 법적 품질기준 만족 여부를 파악하고 연료 설계에 반영 할 수 있었다. 또한 민감도 분석을 통해서 품질에 영향을 미치는 주요 바이오매스 원료를 파악하고 특정 항목의 품질을 조정할 수 있는 정보의 제공이 가능함을 알 수 있었다. 본 연구의 결과는 효율적인 폐기물 바이오매스 에너지 회수와 매립 저감 기술 및 기법 개발의 기초자료로 활용 될 수 있을 것이다. 향후 다양한 폐기물 바이오매스의 혼화에 따른 생화학적 반응을 고려한 품질 최적화 기법의 추가적 연구가 필요하다. Interest is growing for waste to energy, which has a greater cost-benefit compared to renewable energy such as solar, wind, tidal power, and wave power, which are low-carbon energy sources for greenhouse gas reduction. In order to resolve social conflicts such as the extension problem of the metropolitan area, it is urgent to develop and distribute legal and safe waste biomass solid fuel quality optimization technology to reduce waste disposed to landfill site. The purpose of this study is to present a methodology for designing high-quality waste biomass solid refuse fuels by identifying institutionally legal and environmentally safe waste biomass and predicting the optimal mixing conditions of various waste biomass as raw materials. The waste biomass characteristics were confirmed by biochemical stability and environmental safety. The biochemical stability could be determined by the biochemical degradability inherent in the fuel using biomass content and biodegradability index. Biochemical stability could be used as a raw unit indicator to evaluate the occurrence of odor and stable storage. Environmental safety could be identified by the evaluation of environmental toxicity effects other than the legal criteria by the ecological toxicity test. It was found that the receptor-centered ecological toxicity test can be used to flexibly select and apply toxic sensitive species, and is useful for quickly identifying environmental safety in the life cycle of raw material selection, manufacturing, distribution, and use. The Monte Carlo stochastic simulation technique applied for the optimization of waste biomass solid fuel quality was able to predict the mixed manufacturing results of waste biomass raw materials using the probability density function in the form of distributions, to determine whether the legal quality standards were satisfied, and to reflect them in the fuel design. In addition, through sensitivity analysis, it was found that it is possible to identify the main biomass raw materials affecting quality and to provide information to adjust the quality of specific items. The results of this study could be used as supportive data for the development of technologies and methodologies for efficient waste biomass energy recovery and landfill reduction. In the future, further studies of optimization techniques considering biochemical reactions due to the mixing of various waste biomass are needed.

몬테카를로 모사계산법을 이용한 microbeam radiation therapy용 beam collimator 효율성 평가

김동현 서울대학교 대학원 2009 국내석사

몬테카를로 기법을 이용한 NRF 보안 검색 가능성 연구

박병건 서울대학교 대학원 2009 국내석사

상수도시스템의 단수리스크 최적 관리계획모델 연구

김태현 서울시립대학교 2018 국내석사

In step with rapid economic development, the water supply system of Korea has achieved a remarkable quantitative development in water supply. The water supply ratio, which was below 20% in the 1960s, increased to 98.8 % by the end of 2015. However, it has now become necessary to pursue qualitative development to satisfy the recent growing demand of people for a higher level of water supply service. There were cases where long-term limited water supply was inevitable because of frequent droughts. Moreover, the scale of damage from water suspension caused by pipeline failure accident is showing an increasing trend, while the frequency of such accidents is also increasing. The occurrence of various water suspension accidents not only has inflicted enormous economic losses to both consumers and water suppliers, but also is raising distrust in water supply service. Despite such a situation, most of the current water suppliers are setting up mid-to-long term water supply plans without considering possible water suspension accidents in water supply system. Accordingly, this research analyzed the causes of various water suspension accidents that can occur in water supply system, and then suggested a methodology that enables the assessment of the cause of individual accident from an integrated viewpoint by utilizing a dynamic fault tree. In addition, for water suppliers who pursue plans for reducing water suspension risk, an optimization model was developed that enables them to set up an optimal management plan that considers both the costs incurred by the plan and the efficacy of the plan. As the first step, an investigation was made concerning the components of water supply system and the causes of water suspension accidents in the target area. The causes of water suspension accidents involved in this research include draught occurrence, pipeline failure, pumping station breakdown and diversion tunnel collapse. Structuralization was carried out for each water supply area, applying a total of 49 causes of water suspension accidents and 12 emergency response capabilities to the dynamic fault tree. Then, for the prediction of dam’s inflow according to drought occurrence, a dam’s inflow prediction model was established using rainfall and evaporation as independent variables. The feasibility test result of the model was shown to be statistically significant, and the correlation coefficient calculated based on measured values and the model was 0.897. In addition, for the analysis of drought, probability precipitation was estimated by precipitation frequency analysis. The optimal probability distribution of the target area was obtained based on the Gumbel’s distribution method. The dam’s inflow prediction model and probability precipitation established in this way were used for drought simulation of dam. The result of the simulation, to which the Control Standards for Water Supply was applied, predicted the occurrence of a 2-month water suspension under the condition of the total annual rainfall of 720 mm which is a 100-year frequency drought. A logistic regression model was also established for the prediction of water suspension according to water supply pipeline burst. The independent variables of this model, selected by the forward selection method, were pipe age, pipe type, pipe diameter and geographical characteristics. The result of estimating the failure rates of water supply pipeline in the target area showed an average of 0.071 N/yr, with the maximum of 0.433 N/yr and the minimum of 0.001 N/yr. A slight variance among the rates is considered due to the physical and environmental factors of individual pipes. Water suspension risk was then assessed for each water supply area by applying previously estimated failure rate, recovery rate and emergency response capability to the dynamic fault tree. As a result of water suspension risk assessment, different water suspension risk values for each water supply area were derived. and the ranking of water suspension risk for each water supply area could be suggested. Therefore, it is judged that the methodology that can reasonably judge the investment priority or improvement priority is proposed. A genetic algorithm-based optimal water suspension risk management model was utilized to establish optimal management plans by individual scenarios. The result showed that the optimal water suspension risk management plans, in terms of cost-effectiveness, were obtained based on Scenario A-4 (Target water suspension risk for all water supply areas: 48 hr/yr) and Scenario B-4 (Water supplier’s maximum investment: 40 billion won). These scenarios gave the potential reduction, in quantitative water suspension risk per unit cost, of 980 m3/yr/billion won. Finally, the water supply service level demanded by consumers is anticipated to steadily get higher, while water suppliers are responsible for the stable supply of water to all such consumers without suspension. Therefore, although more investment is required, the adoption of the scenario A was concluded to be more desirable as it emphasizes equity in water supply service. The proposed methodology of this research for deducing optimal water suspension risk management plan could be utilized as a good tool for setting up mid-to-long term plans for stable water supply, such as the Master Plan for Water Supply System. 우리나라의 상수도시스템은 고도의 경제 성장과 더불어 1960년대 20 % 수준에 밑돌던 상수도 보급률이 2015년에는 98.8 %까지 증가하여 상수도의 양적인 발전이 이뤄졌다. 그러나 최근에는 국민이 요구하는 상수도의 서비스 수준이 지속적으로 증가하여 질적인 발전이 필요한 시점이다. 하지만 국내에는 가뭄이 빈번하게 발생하여 장기간의 제한급수를 시행한 사례가 있다. 아울러 관로파손 사고에 따른 단수피해가 갈수록 대형화 되고 있는 추세이며 사고 빈도 또한 증가하고 있다. 이와 같이 상수도시스템에서 발생하는 다양한 단수 사고는 소비자와 수도사업자의 막대한 경제적 손실을 야기할 뿐만 아니라 상수도 서비스에 대한 불신을 증가시키고 있다. 그럼에도 불구하고 현재 대다수의 수도사업자들은 상수도시스템에서 발생할 수 있는 단수 사고를 고려하지 않고 중·장기 수도계획을 수립하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 상수도시스템에서 발생할 수 있는 다양한 단수 사고 원인에 대해 분석하고 각각의 단수 사고 원인을 동적결함수를 활용하여 통합적으로 평가할 수 있는 방법론을 제안하였다. 또한, 수도사업자가 단수리스크를 저감하기 위한 계획을 수립할 때, 소요되는 비용과 발생하는 효과를 동시에 고려하여 최적의 관리계획을 수립할 수 있는 모델을 개발하였다. 우선, 연구대상지역의 상수도시스템의 구성요소와 단수 사고 원인을 파악하였다. 연구대상지역에서는 가뭄의 발생, 관로의 파손, 가압장의 중단, 도수터널의 붕괴 등을 단수 사고 원인으로 고려하여 동적결함수 구조화를 실시한 결과. 49개의 단수 사고 원인과 12개의 상수도시스템의 비상대응능력을 기본사건으로 구성하여 배수구역별 단수리스크 평가에 적용할 수 있었다. 다음으로, 가뭄 현상의 발생에 따른 댐의 유입량을 예측하기 위해 강우량과 증발량을 독립변수로 하여 댐 유입량 예측 모델을 개발하였다. 개발된 댐 유입량 예측 모델의 적합성 검정을 실시한 결과 통계적으로 유의한 것으로 나타났으며 실측값과 모델을 통해 산정된 예측값의 상관계수는 0.897로 나타났다. 아울러, 가뭄에 대한 해석을 위해 강우빈도해석을 통한 확률강우량을 산정하였으며 연구대상지역의 최적 확률 분포는 Gumbel 분포로 선정되었다. 앞서 구축한 댐 유입량 예측 모델과 확률강우량을 활용하여 댐 가뭄 모의 운영을 실시하였다. 용수공급 조정기준을 모의 운영에 적용한 결과, 100년 빈도의 가뭄인 연간 총 720 mm의 강우가 발생할 경우 단수가 발생할 것으로 모의되었다. 또한, 상수도 관로의 파손에 따른 공급중단을 예측하고자 로지스틱 회귀모형을 구축하였다, 모형의 독립변수는 전진선택법에 의해 관 연령, 관종, 관경, 지형특성이 선택되었으며 로지스틱 회귀모형을 통해 연구대상지역의 상수도 관로의 파손율을 산정한 결과, 평균 0.071 건/yr, 최대 0.433 건/yr, 최소, 0.001 건/yr으로 나타나 모델이 관로 특성을 잘 반영하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 앞선 과정을 통해 산정한 실패율, 복구율과 비상대응능력을 동적결함수에 적용하여 배수구역별로 단수리스크를 평가하였다. 단수리스크 평가 결과, 배수구역별로 상이한 단수리스크 값이 도출되어 배수구역별 단수리스크 순위를 제시할 수 있었다. 따라서, 투자우선순위 또는 개량우선순위를 합리적으로 판단할 수 있는 방법론을 제안하였다고 판단된다. 개발한 유전알고리즘 기반의 모델을 통해 시나리오별 최적의 관리계획을 수립한 결과, 시나리오 A-4(모든 배수구역의 목표 단수리스크 : 48 hr/yr)와 시나리오 B-4(수도사업자 투자비용 상한액 : 400억 원)가 단위 비용대비 단수리스크 저감 효과가 98 m3/yr/억 원으로 나타났으며 경제성만을 고려했을 경우, 최적의 단수리스크 관리계획으로 판단하였다. 마지막으로, 장래의 소비자의 상수도에 대한 서비스 요구수준이 지속적으로 상승할 것을 고려하였을 때, 투자비용에 대한 효율성을 고려한 시나리오 B와 같은 단수리스크 관리계획 보다는 상수도 서비스 형평성을 고려한 시나리오 A와 같은 관리계획을 수립하는 것이 바람직하다고 판단하였다. 본 연구에서 제안한 최적의 단수리스크 관리계획을 도출하기 위한 방법론은 안정적인 수돗물 공급을 위한 수도정비기본계획과 같은 중·장기적인 계획을 수립하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.