KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.44
no.2
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pp.173-182
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2024
In recent, there has been a trend toward primarily utilizing data-driven models employing artificial intelligence technologies, such as machine learning, for flood prediction. These data-driven models offer the advantage of utilizing pre-training results, significantly reducing the required simulation time. However, it remains that a considerable amount of flood data is necessary for the pre-training in data-driven models, while the available observed data for application is often insufficient. As an alternative, validated simulation results from physically-based models are being employed as pre-training data alongside observed data. In this context, we developed a flood mapping accelerator to generate flood maps for pre-training. The proposed accelerator automates the entire process of flood mapping, i.e., estimating flood discharge using HEC-1, calculating water surface levels using HEC-RAS, simulating channel overflow and generating flood maps using RAS Mapper. With the accelerator, users can easily prepare a database for pre-training of data-driven models from hundreds to tens of thousands of rainfall scenarios. It includes various convenient menus containing a Graphic User Interface(GUI), and its practical applicability has been validated across 26 test-beds.
Mobile ad hoc networks(MANET) have recently attrarted a lot of attention in the research community as well as in industry. Although the previous research mainly focused on the various problems of MANET in data link and network layers, we consider, in this paper, how to efficiently support applications such as service discovery on top of MANET. Peer-to-Peer(P2P) overlay network can be adopted to service discovery mechanism because P2P and MANET share certain similarities, primarily the fact that both arc instances of self-organizing decentralized systems. Especially, distributed hash table(DHT) systems used for r2r overlay network can be effective in reducing the communication overhead in service discovery. However, since overlay network is independent of physical network topology and existing topology-aware mechanisms are based on the wired network, they are inefficient in MANET. We propose a proximity-based overlay network routing to overcome the inefficiency of routing in overlay network. In the proximity-based overlay network routing, each node collects information of physically close nodes by using one hop broadcast and routes messages to the logically closest node to destination. In a detailed ns-2 simulation study, we show that the proximity-based overlay network routing reduces the number of physical hops comparable to the flooding-based mechanism with low communication overhead. We also find that the proposed scheme works well in the mobile environment.
Accelerated soil erosion due to extreme climate change, such as increased rainfall intensity, and human-induced environmental changes, is a widely recognized problem. Existing soil erosion models are generally based on the gross erosion concept to compute annual upland soil loss in tons per acre per year. However, such models are not suitable for event-based simulations of erosion and deposition in time and space. Recent advances in computer geographic information system (GIS) technologies have allowed hydrologists to develop physically based models, and the trend in erosion prediction is towards process-based models, instead of conceptually lumped models. This study aims to propose an effective and robust distributed rainfall-sediment yield-runoff model consisting of basic element modules: a rainfall-runoff module based on the kinematic wave method for subsurface and surface flow, and a runoff-sediment yield-runoff model based on the unit stream power method. The model was tested on the Cheoncheon catchment, upstream of the Yongdam dam using hydrological data for three extreme flood events due to typhoons. The model provided acceptable simulation results with respect to both discharge and sediment discharge even though the simulated sedigraphs were underestimated, compared to observations. The spatial distribution of erosion and deposition demonstrated that eroded sediment loads were deposited in the cells along the channel network, which have a short overland flow length and a gentle local slope while the erosion rate increased as rainfall became larger. Additionally, spatially heterogeneous rainfall intensity, dependant on Thiessen polygons, led to spatially-distinct erosion and deposition patterns.
To analyze hydrologic processes in a watershed requires both various geographical data and hydrological time series data. Recently, not only geographical data such as DEM(Digital Elevation Model) and hydrologic thematic map but also hydrological time series from numerical weather prediction and rainfall radar have been provided as grid data, and there are studies on hydrologic analysis using these grid data. In this study, GRM(Grid based Rainfall-runoff Model) which is physically-based distributed rainfall-runoff model has been developed to simulate short term rainfall-runoff process effectively using these grid data. Kinematic wave equation is used to simulate overland flow and channel flow, and Green-Ampt model is used to simulate infiltration process. Governing equation is discretized by finite volume method. TDMA(TriDiagonal Matrix Algorithm) is applied to solve systems of linear equations, and Newton-Raphson iteration method is applied to solve non-linear term. Developed model was applied to simplified hypothetical watersheds to examine model reasonability with the results from $Vflo^{TM}$. It was applied to Wicheon watershed for verification, and the applicability to real site was examined, and simulation results showed good agreement with measured hydrographs.
Water cycle analysis in the Cheonggyecheon watershed(river length: 13.75 km, area: $50.96\;km^2$) was performed using WEP model, a physically based distributed rainfall-runoff model. As the application results of the model, the hydrological characteristics of the Cheonggyecheon watershed are significantly consistent with those of a typical urbanized watershed. The direct runoff from the watershed was larger and the evapotranspiration. was lower, and the response of runoff to rainfall was occurred very fast, as compared to forest watersheds. The river channel routing simulation results are similar to the change pattern and scale of the field data. The possible supply period of instream flow from Cheonggyecheoon watershed itself was estimated using WEP. According to the WEP simulation results for the annual water balance of the Cheonggyecheon watershed in 2002, the amount of direct runoff, infiltration and evapotranspiration were 830 mm, 388 mm and 397 mm respectively for an annual precipitation of 1,388 mm. The runoff to rivers was 1,288 mm. And the proportion of direct runoff, intermediate runoff and groundwater runoff were $67.6\%,\;12.7\%$ and $19.7\%$ respectively.
The Journal of Korean Institute of Next Generation Computing
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v.13
no.6
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pp.124-131
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2017
Recently, drone is extending its range of usability. For example, the delivery, agriculture, industry, and entertainment area take advantage of drone mobilities. To control real drones, it needs huge amount of drone control training steps. However, it is risky; falling down, missing, destroying. The virtual drone system can avoid such risks. We reason that what kinds of technologies are required for building the virtual drone system. First, it needs that the virtual drone authoring tool that can assemble drones with the physical restriction in the virtual environment. We suggest that the drone assembly method that can fulfill physical restrictions in the virtual environment. Next, we introduce the virtual drone simulator that can simulate the assembled drone moves physically right in the virtual environment. The simulator produces a high quality rendering results more than 60 frames per second. In addition, we develop the physics engine based on SILS(Software in the loop simulation) framework to perform more realistic drone movement. Last, we suggest the virtual drone controller that can interact with real drone controllers which are commonly used to control real drones. Our virtual drone system earns 7.64/10.0 user satisfaction points on human test: the test is done by one hundred persons.
Journal of Korean Society for Geospatial Information Science
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v.16
no.1
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pp.23-32
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2008
According to recent frequent local flash flood due to climate change, the very short-term rainfall forecast using remotely sensed rainfall like radar is necessary to establish. This research is to evaluate the feasibility of GIS-based distributed model coupled with radar rainfall, which can express temporal and spatial distribution, for multipurpose dam operation during flood season. $Vflo^{TM}$ model was used as physically based distributed hydrologic model. The study area was Yongdam dam basin ($930\;km^2$) and the 3 storm events of local convective rainfall in August 2005, and the typhoon.Ewiniar.and.Bilis.collected from Jindo radar was adopted for runoff simulation. Distributed rainfall consistent with hydrologic model grid resolution was generated by using K-RainVieux, pre-processor program for radar rainfall. The local bias correction for original radar rainfall shows reasonable results of which the percent error from the gauge observation is less than 2% and the bias value is $0.886{\sim}0.908$. The parameters for the $Vflo^{TM}$ were estimated from basic GIS data such as DEM, land cover and soil map. As a result of the 3 events of multiple peak hydrographs, the bias of total accumulated runoff and peak flow is less than 20%, which can provide a reasonable base for building operational real-time short-term rainfall-runoff forecast system.
In this study, a polyhedral domain decomposition method for Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) analysis is introduced. SPH which is one of meshless methods is a numerical analysis method for fluid flow simulation. It can be useful for analyzing fluidic soil or fluid-structure interaction problems. SPH is a particle-based method, where increased particle count generally improves accuracy but diminishes numerical efficiency. To enhance numerical efficiency, parallel processing algorithms are commonly employed with the Cartesian coordinate-based domain decomposition method. However, for parallel analysis of complex geometric shapes or fluidic problems under dynamic boundary conditions, the Cartesian coordinate-based domain decomposition method may not be suitable. The introduced polyhedral domain decomposition technique offers advantages in enhancing parallel efficiency in such problems. It allows partitioning into various forms of 3D polyhedral elements to better fit the problem. Physical properties of SPH particles are calculated using information from neighboring particles within the smoothing length. Methods for sharing particle information physically separable at partitioning and sharing information at cross-points where parallel efficiency might diminish are presented. Through numerical analysis examples, the proposed method's parallel efficiency approached 95% for up to 12 cores. However, as the number of cores is increased, parallel efficiency is decreased due to increased information sharing among cores.
Kim, Tae-Woon;Rhee, Bo-Wook;Song, Jin-Ho;Kim, Sung-Il;Ha, Kwang-Soon
Journal of Radiation Protection and Research
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v.42
no.2
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pp.114-129
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2017
Background: The purpose of this paper is to confirm the event timings and the magnitude of fission product aerosol release from the Fukushima accident. Over a few hundreds of technical papers have been published on the environmental impact of Fukushima Daiichi accident since the accident occurred on March 11, 2011. However, most of the research used reverse or inverse method based on the monitoring of activities in the remote places and only few papers attempted to estimate the release of fission products from individual reactor core or from individual spent fuel pool. Severe accident analysis code can be used to estimate the radioactive release from which reactor core and from which radionuclide the peaks in monitoring points can be generated. Materials and Methods: The basic material used for this study are the initial core inventory obtained from the report JAEA-Data/Code 2012-018 and the given accident scenarios provided by Japanese Government or Tokyo Electric Power Company (TEPCO) in official reports. In this research a forward method using severe accident progression code is used as it might be useful for justifying the results of reverse or inverse method or vice versa. Results and Discussion: The release timing and amounts to the environment are estimated for volatile radioactive fission products such as noble gases, cesium, iodine, and tellurium up to 184 hours (about 7.7 days) after earthquake occurs. The in-plant fission product behaviors and release characteristics to environment are estimated using the severe accident progression analysis code, MELCOR, for Fukushima Daiichi accident. These results are compared with other research results which are summarized in UNSCEAR 2013 Report and other technical papers. Also it may provide the physically based arguments for justifying or suspecting the rationale for the scenarios provided in open literature. Conclusion: The estimated results by MELCOR code simulation of this study indicate that the release amount of volatile fission products to environment from Units 1, 2, and 3 cores is well within the range estimated by the reverse or inverse method, which are summarized in UNSCEAR 2013 report. But this does not necessarily mean that these two approaches are consistent.
Nitrogen components in liquid manure can reduce safety and quality of environment harmfully. To minimize the environmental risks of manure, understanding fate of manure in environment is necessary. This study aimed at investigating applicability of a simplified Level III fugacity model for simulating $NH_3-N$ component to analyze environmental fate and transport of $NH_3-N$ in liquid manure and to provide basis for improving management of N in the liquid manure system and for minimizing the environmental impacts of N. The model simulation conducted for four environmental compartments (air, water, soil, and rice plants) during rice-cropping to trace $NH_3-N$ component and provided applicability of the Level III fugacity model in studying the environmental fate of $NH_3-N$ in manure. Most of $NH_3-N$ was found in water body and in rice plants depending upon the physicochemical properties and proper removal processes. For more precise model results, the model is needed to modify with the detailed removal processes in each compartment and to collect proper and accurate information for input parameters. Further study should be about simulations of various N-typed fertilizers to compare with the liquid manure based on a modified and relatively simplified Level III fugacity model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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