하수처리장 유출수의 수질 예측은 수질 사고의 사전 대응 및 처리장의 안정적인 운영을 위해 필수적인 요소이다. 최근 머신러닝을 활용한 예측 모델링에서 예측 성능 향상과 과적합 방지를 위해 다양한 교차 검증법과 하이퍼파라미터 최적화 기법이 활용되고 있으나, 하수처리장 데이터는 시간적 의존성과 급격한 변동성이 내재되어 있어 과적합에 취약하고 안정적인 모델 구축에 어려움이 따른다. 본 연구에서는 이러한 데이터 특성을 효과적으로 반영할 수 있는 최적의 모델링 파이프라인을 구축하고자 하였으며, XGBoost 모델을 기반으로 유출수 내 총질소 농도를 예측하였다. 예측 성능 평가 지표로는 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE), 결정계수(coefficient of determination, R2), RMSE 오차 개선율(the rate of improvement on RMSE, RIRRMSE) 그리고 계산 시간을 사용하였다. 기본적인 Hold-out 방식의 성능을 기준으로 K-fold, 시계열 교차 검증(Time Series Cross Validation, TSCV), 블록 시계열 교차 검증(Blocked Time Series Cross Validation, BTSCV) 기법의 예측 성능을 분석한 결과, BTSCV는 인접한 데이터만을 고려하는 방식으로 시간적 의존성과 급변 특성을 효과적으로 반영하여 가장 높은 RIR(36.37%)을 기록하였다. 또한, 하이퍼파라미터 최적화(그리드 서치와 베이지안 최적화) 기법과의 다양한 교차 검증법의 조합을 통해 모델 성능과 과적합 방지 효과를 분석한 결과, BTSCV와 베이지안 최적화의 결합은 짧은 계산 시간(364.64초)과 함께 가장 높은 RIR(64.93%)을 보였으며, 훈련 및 평가 데이터 간 성능 차이도 최소화되어 일반화된 예측 모델로서의 효과성이 입증되었다. 따라서 본 연구는 하수처리장 시계열 데이터의 특성에 적합한 BTSCV와 베이지안 최적화 기법을 결합한 모델링 파이프라인 전략을 제안하며, 향후 실시간 수질 모니터링 및 하수처리장 운영 효율성 제고에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

This study explored the usefulness and implications of the Bayesian hyperparameter optimization in developing species distribution models (SDMs). A variety of machine learning (ML) algorithms, namely, support vector machine (SVM), random forest (RF), boosted regression tree (BRT), XGBoost (XGB), and Multilayer perceptron (MLP) were used for predicting the occurrence of four benthic macroinvertebrate species. The Bayesian optimization method successfully tuned model hyperparameters, with all ML models resulting an area under the curve (AUC) > 0.7. Also, hyperparameter search ranges that generally clustered around the optimal values suggest the efficiency of the Bayesian optimization in finding optimal sets of hyperparameters. Tree based ensemble algorithms (BRT, RF, and XGB) tended to show higher performances than SVM and MLP. Important hyperparameters and optimal values differed by species and ML model, indicating the necessity of hyperparameter tuning for improving individual model performances. The optimization results demonstrate that for all macroinvertebrate species SVM and RF required fewer numbers of trials until obtaining optimal hyperparameter sets, leading to reduced computational cost compared to other ML algorithms. The results of this study suggest that the Bayesian optimization is an efficient method for hyperparameter optimization of machine learning algorithms.

SWMM(Storm Water Management Model)은 모형 내 다양한 매개변수를 이용하여 지표 투수율 및 하수관거 영향 등 도시 유역의 유출 특성을 비교적 정확하게 모의하지만, 모형의 입력자료 부족과 매개변수의 불확실성으로 인한 신뢰성 문제가 대두되고 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해 본 연구에서는 SWMM 모형에 Bayesian 기법을 연계한 최적화 기법을 개발하고, 이를 활용하여 매개변수의 불확실성을 정량적으로 해석하고자 한다. 이를 위해 먼저 유출 특성에 민감한 매개변수를 민감도 분석을 통해 선정하고, SCE-UA(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona), MCMC(Markov Chain Monte Carlo), DDS(Dynamically Dimensioned Search) 등 매개변수 최적화 기법을 적용하여 매개변수의 초기값을 설정한다. 매개변수의 다양한 물리적 범위를 고려하기 위한 방법으로 절단 정규분호(truncated Gaussian distribution)을 사전분포(prior)로 선정하여 매개변수의 사후분포(posterior)를 추정하게 된다. 최종적으로 각 매개변수간 사후분포를 이용하여 모의된 유출량의 불확실성을 정량적으로 분석하였다.