3.1 Selection of Clustering Algorithm
부분방전 펄스 자동 군집에 적합한 알고리즘 선정을 위해 총 3개의 모델(Agglomerative Ward, Mean Shift, DBSCAN)을 후보
알고리즘으로 선정하고 군집 결과와 연산시간을 비교하였다. Agglomerative Ward (AW)는 개별 데이터를 독립적 군집으로 설정한 후 군집
간 결합에 따른 분산 증가량을 기준으로 순차적으로 병합하는 계층적 군집 방법이다. Mean Shift는 특징 공간의 데이터 밀도 분포를 기반으로 각
데이터 포인트를 고밀도 영역으로 이동시켜 군집 중심을 탐색하는 방법이며, DBSCAN은 특정 반경 $\epsilon$ 내에 존재하는 데이터 수가 최소
기준인 MinPts 이상인 영역을 연결하여 군집을 형성하는 밀도 기반 군집 방법이다. 각 알고리즘의 현장 적용 가능성을 평가하기 위해 군집 결과의
실제 신호 분포와의 일치성 및 입력 펄스 수에 따른 연산시간을 표 4에 비교하였다. AW는 입력 데이터 증가에 따라 연산시간이 급격하게 증가하였으며, 10,000개 펄스 처리에 약 1.97초가 소요되고 70,000개에서는
약 152.8초 까지 증가하였다. 이에 따라 대량의 펄스를 연속적으로 처리해야 하는 모니터링 시스템 적용에는 적합하지 않은 것으로 판단하였다. Mean
Shift는 상대적으로 빠른 연산 성능을 나타냈으나, 실제 신호 분포와 비교한 결과 서로 다른 신호원의 경계 영역에서 일부 군집이 병합되는 현상이
확인되었다. 반면 DBSCAN은 비정형적으로 분포된 펄스 군집을 비교적 명확하게 분리하였으며, 사전에 군집 수를 지정할 필요가 없다는 점을 고려하여
1차 군집 알고리즘으로 최종 선정하였다.
표 4 샘플 수에 따른 군집 알고리즘별 처리시간 비교
Table 4 Comparison of Clustering Algorithm Processing Time for Different Numbers of
Samples
|
샘플개수
|
AW
|
Mean Shift
|
DBSCAN
|
|
10,000
|
1.97
|
0.07
|
0.18
|
|
20,000
|
8.746
|
0.12
|
0.63
|
|
30,000
|
21.67
|
0.17
|
1.29
|
|
40,000
|
45.70
|
0.21
|
2.09
|
|
50,000
|
72.76
|
0.25
|
3.20
|
|
60,000
|
112.28
|
0.31
|
4.66
|
|
70,000
|
152.79
|
0.36
|
6.21
|
|
80,000
|
200 >
|
0.41
|
7.61
|
|
90,000
|
200 >
|
0.46
|
9.75
|
|
100,000
|
200 >
|
0.51
|
11.53
|
3.2 Optimization of DBSCAN Parameters
DBSCAN의 군집 성능은 이웃 데이터 탐색 반경을 결정하는 $\epsilon$과 해당 반경 내 최소 데이터 수를 결정하는 MinPts에 영향을 받는다.
본 연구에서는 부분방전 펄스 특징공간에 적합한 군집 조건을 도출하기 위해 $\epsilon$을 0.01, 0.015, 0.02, 0.025, 0.03
그리고 MinPts를 10, 20, 30 및 40으로 변화시키면서 군집 결과를 비교하였다. 군집 성능은 서로 다른 신호원 간 혼동 없이 독립적 군집
형성이 되는지에 대한 여부를 기준으로 평가하였다. 그림 3은 1차 검증 결과를 나타내며, $\epsilon=0.015\sim0.02$ 및 $\text{MinPts}=30\sim40$의 범위에서 실제 신호
분포와 유사한 군집 결과를 나타내었다. 해당 군집으로부터 재구성된 PRPD에서도 각 신호원의 패턴을 명확하게 확인할 수 있었다. 특정 입력 데이터에
의존한 파라미터 선정을 방지하기 위해 결함 구성 및 펄스 분포가 서로 다른 데이터에 대해 총 6차 군집 성능 검증을 수행하였으며, 최종 검증 결과
최적 $\epsilon$과 MinPts 조건은 $\epsilon=0.02$, $\text{MinPts}=40$에서 신호원 간 군집 분리와 PRPD
재구성이 가장 안정적으로 나타나는 것을 확인하였다. 이에 따라 본 연구에서는 $\epsilon=0.02$, $\text{MinPts}=40$을 DBSCAN의
최종 군집 파라미터로 선정하였다.
그림 3 DBSCAN 파라미터 최적화를 위한 $\epsilon$ 및 MinPts 조건별 군집 결과
Fig. 3 Clustering results for DBSCAN parameter optimization under different and MinPts
conditions
3.3 Clustering Performance under Non-Uniform Pulse Density
실제 온라인 부분방전 모니터링 환경에서는 PD 발생원 및 외부 Noise의 발생빈도가 일정하지 않으며, 특히 PD 발생빈도는 결함 종류와 열화 상태에
따라 변화할 수 있다. 기존 연구에서는 PD 발생 초기 단계에서 상대적으로 낮은 방전 반복률이 나타나고, 열화 진전에 따라 펄스 발생 빈도와 밀도가
변화할 수 있음이 보고되고 있다 [12], [13]. 따라서 일정 시간 동안 취득된 펄스를 2차원 특징 공간에 표현할 경우, 복수의 PD 발생원과 외부 Noise에 의해 신호원별 펄스 수와 데이터
밀도가 서로 다른 불균일 군집 분포가 형성될 수 있다. 이러한 조건에서는 단일 밀도 조건을 적용하는 DBSCAN의 경우 상대적으로 낮은 밀도의 유효
신호가 군집에서 제외될 가능성이 있다.
본 연구에서는 3.2에서 선정한 DBSCAN의 최적 파라미터가 불균일한 펄스 밀도 조건에서도 군집 성능을 유지하는지 확인하기 위해 Noise, Internal
및 Corona 신호의 펄스 수를 단계적으로 감소시키면서 DBSCAN과 HDBSCAN의 군집 결과를 비교하였다. HDBSCAN은 DBSCAN의 밀도
기반 군집 개념을 계층적 군집 구조로 확장한 알고리즘으로 DBSCAN이 $\epsilon$과 MinPts에 의해 결정되는 단일 밀도 조건을 전체 데이터에
적용하는 방법과 달리 HDBSCAN은 고정된 $\epsilon$을 사전에 설정하지 않고 다양한 밀도 수준에서 형성되는 군집을 탐색할 수 있다. 따라서
특징 공간 내 신호원별 펄스 수와 밀도가 상이한 경우 DBSCAN에서 Noise Point로 제외될 수 있는 상대적으로 낮은 밀도의 유효 신호를 추가적으로
군집할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 특성을 이용하여 DBSCAN의 저밀도 군집 누락 가능성을 HDBSCAN을 통해 보완하고자 하였다.
그림 4는 각 조건에서 형성된 군집과 해당 군집에 해당하는 PRPD를 재구성한 결과를 나타낸다. 여기서 Class는 군집 알고리즘에 의해 자동으로 형성된
군집을 의미하며, Num_samples는 각 군집에 포함된 펄스의 수를 나타낸다. DBSCAN에는 3.2에서 선정한 최적 파라미터 조건을 적용하였으며,
HDBSCAN은 MinPts를 10, 20, 30으로 변화시켜 비교한 결과 $\text{MinPts}=20$에서 저밀도 신호의 검출과 신호원 간 분리가
가장 안정적으로 나타나 최종 조건으로 선정하였다.
펄스 수가 충분한 조건에서는 DBSCAN과 HDBSCAN 모두 주요 신호에 대한 군집 형성이 가능했으나, 신호원별 펄스 수가 감소함에 따라 두 알고리즘의
군집 결과에 차이가 나타났다. 특히 Noise 100개, Internal 200개 및 Corona 200개로 구성된 저밀도 조건에서 DBSCAN은
세 신호에 대한 유효 군집을 형성하지 못하였다. 반면 동일 입력 데이터에서 HDBSCAN을 적용한 결과 세 신호에 대응하는 군집이 모두 검출되었으며,
각 군집에 포함된 펄스 수는 각각 92개, 105개, 177개로 나타났다. 또한 검출된 각 군집 펄스를 이용해 PRPD를 재구성한 결과, 각 신호원에
대응하는 PRPD 패턴이 명확하게 형성되는 것을 확인하였다.
그림 4 불균일 펄스 밀도 조건에서 DBSCAN과 HDBSCAN의 군집 및 PRPD 재구성 결과
Fig. 4 Clustering and PRPD reconstruction results of DBSCAN and HDBSCAN under non-uniform
pulse density
그림 4의 군집 결과에 대한 정성적 비교와 함께 불균일 펄스 밀도 조건에서 DBSCAN과 HDBSCAN의 군집 성능을 정량적으로 평가하기 위해 Pulse
Recovery Rate와 Source Detection Rate(SDR)를 산출하였다. Pulse Recovery Rate $R_i$는 각 신호원에
해당하는 전체 입력 펄스 중 해당 신호원에 대응하는 독립적인 군집으로 정상적으로 검출된 펄스의 비율로 정의하였으며, 다음과 같이 산출하였다.
여기서 $N_{i, ref}$는 신호원 i에 해당하는 입력 Reference pulse 수이며, $N_{i, cluster}$는 해당 신호원에 대응하여
형성된 독립 군집에 포함된 펄스 수를 의미한다. 또한 각 신호원이 독립적인 군집으로 검출되었는지를 평가하기 위해 SDR을 다음과 같이 정의하였다.
여기서 $N_{detected}$는 독립적인 군집으로 검출된 신호원의 수이며, $N_{source}$는 입력 데이터에 포함된 전체 신호원의 수를 의미한다.
Noise, Internal 및 Corona가 각각 400개의 펄스로 구성된 조건에서 DBSCAN은 Internal에 해당하는 201개의 펄스만을
유효 군집으로 검출하였으며, Noise와 Corona에 해당하는 독립 군집은 형성하지 못하였다. 이에 따라 DBSCAN의 전체 Pulse Recovery
Rate는 16.75%, SDR은 33.3%로 나타났다. 반면 HDBSCAN은 Noise, Internal 및 Corona에서 각각 390개, 337개
및 348개의 펄스를 독립적인 군집으로 검출하였으며, 각 신호원의 Pulse Recovery Rate는 각각 97.50%, 84.25% 및 87.00%로
나타났다. 전체 1,200개 입력 펄스 중 1,075개가 정상적으로 회수되어 전체 Pulse Recovery Rate는 89.58%였으며, 세 신호원이
모두 독립적인 군집으로 검출되어 SDR은 100%로 나타났다.
표 5 불균일 펄스 밀도 조건에서 DBSCAN과 HDBSCAN의 정량적 군집 성능 비교
Table 5 Quantitative Comparison of DBSCAN and HDBSCAN Clustering Performance under
Non-Uniform Pulse Density Conditions
Pulse condition (Noise/Internal/Corona)
|
Algorithm
|
Noise
|
Internal
|
Corona
|
Overall Recovery
|
SDR
|
|
400/400/400
|
DBSCAN
|
0
|
50.25
|
0
|
16.75
|
33.3
|
|
400/400/400
|
HDBSCAN
|
97.50
|
84.25
|
87.00
|
89.58
|
100
|
|
100/200/200
|
DBSCAN
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
100/200/200
|
HDBSCAN
|
92.00
|
52.50
|
88.50
|
74.80
|
100
|
펄스 밀도를 Noise 100개, Internal 200개 및 Corona 200개로 추가 감소시킨 조건에서는 DBSCAN이 세 신호원 모두에 대해
유효한 독립 군집을 형성하지 못하여 전체 Pulse Recovery Rate와 SDR이 모두 0%로 나타났다. 반면 HDBSCAN은 Noise, Internal
및 Corona에서 각각 92개, 105개, 177개의 펄스를 회수하여 각각 92.00%, 52.5% 및 88.50%의 Pulse Recovery
Rate를 나타냈으며, 전체 Pulse Recovery Rate는 74.80%, SDR은 100%로 나타났다. 이러한 정량평가 결과는 펄스 밀도가
감소하거나 신호원별 밀도가 불균일한 조건에서 HDBSCAN이 고정된 밀도 기준을 적용하는 DBSCAN의 저밀도 유효 신호 군집 누락을 보완할 수 있음을
보여준다.
이상의 정성적 및 정량적 분석 결과로부터, 두 알고리즘을 동시에 적용할 경우 DBSCAN의 고밀도 군집 결과를 유지하면서 HDBSCAN을 통해 저밀도
영역의 군집 누락을 보완할 수 있음을 확인하였다. 이러한 상호보완적 특성을 기반으로 본 연구에서는 DBSCAN과 HDBSCAN을 병렬 적용한 이중
밀도 군집 방법을 구성하였다.
3.4 Parallel Dual-Density Clustering Using DBSCAN and HDBSCAN
본 연구에서는 불균일 펄스 밀도 조건에서 유효 신호의 군집 누락을 최소화하기 위해 DBSCAN과 HDBSCAN을 병렬로 적용하는 이중 밀도 군집 방법을
구성하였다. 개별 펄스로부터 추출된 두 특징 파라미터를 $f_1$과 $f_2$라 할 때, N개의 펄스로 구성된 특징공간 X는 다음과 같이 정의된다.
동일한 입력 특징공간 X에 대하여 3.2와 3.3에서 선정한 군집 조건을 각각 적용하여 DBSCAN과 HDBSCAN의 군집 결과를 다음과 같이 산출하였다.
여기서 $C_D$와 $C_H$는 각각 DBSCAN과 HDBSCAN으로부터 형성된 군집 집합을 의미한다. 3.3절의 정량평가 결과에서 확인한 바와 같이
DBSCAN 단독 적용 시에는 충분한 펄스 밀도를 갖는 신호에 대해 안정적인 군집 형성이 가능하였으나, 펄스 밀도가 감소하거나 신호원별 밀도가 불균일한
조건에서는 일부 유효 신호가 Noise point로 제외되는 한계가 나타났다. 반면 HDBSCAN 단독 적용 시에는 저밀도 조건에서 DBSCAN에
의해 누락된 신호원을 추가적으로 검출할 수 있었으나, 본 연구에서는 특정 하나의 군집 알고리즘에 의존하지 않고 서로 다른 밀도 조건에서 형성되는 유효
군집을 모두 후단 진단 과정에 활용하기 위해 두 알고리즘을 병렬로 구성하였다. 제안한 병렬 방법은 DBSCAN과 HDBSCAN의 군집 결과를 하나의
군집 결과로 병합하는 Ensemble Clustering 방법이 아니라, 동일한 입력 특징공간에 두 알고리즘을 독립적으로 적용하고 각 알고리즘에서
검출된 유효 군집을 모두 후단의 PRPD 재구성 과정으로 전달하는 구조이다. 따라서 병렬 구조의 목적은 두 알고리즘의 군집 결과를 단순 합산하여 단일
군집 성능을 향상시키는 것이 아니라, DBSCAN 또는 HDBSCAN 중 특정 단일 알고리즘에 의존할 경우 발생할 수 있는 유효 신호의 군집 누락
가능성을 최소화하는 데 있다. 이에 따라 두 군집에서 검출된 군집은 중복 여부에 관계없이 모두 PRPD 재구성 과정으로 전달하였다. 이는 군집 간
중복을 제거하는 것보다 부분방전 발생 초기와 같이 펄스 밀도가 낮은 유효 신호의 누락을 최소화하는 것을 우선적으로 고려한 것으로, 부분방전 발생 초기와
같이 펄스 발생빈도가 낮은 신호의 검출 가능성을 확보하기 위함이다. 각 군집으로부터 재구성된 PRPD는 Conv2D 판정 및 Pearson 유사성
분석을 통해 최종 진단에 활용하였다. 결과적으로 제안된 병렬 구조는 충분한 펄스 밀도 조건에서 형성되는 DBSCAN의 군집과 상대적으로 낮은 밀도
영역에서 HDBSCAN에 의해 추가적으로 검출되는 군집을 모두 후단 진단에 활용함으로써, 불균일 펄스 밀도 조건에서 단일 군집 알고리즘 적용 시 발생할
수 있는 유효 PD 신호의 누락을 보완하도록 구성하였다.