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[국내논문] 건물내 전체 인원분포를 고려한 실내 보행자 최적 대피모형
An Optimal Model for Indoor Pedestrian Evacuation considering the Entire Distribution of Building Pedestrians 원문보기

한국지형공간정보학회지 = Journal of the korean society for geospatial information science, v.20 no.2, 2012년, pp.23 - 29  

곽수영 (서울시립대학교 공간정보공학과) ,  남현우 (서울시립대학교 공간정보공학과) ,  전철민 (서울시립대학교 공간정보공학과)

초록
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일반적인 실내 보행자 대피모형 및 대피시뮬레이터는 보행자 특성(예, 이동속도, 방향, 기동성, 성별, 나이, 몸무게, 신체사이즈 등)을 고려하여 개개인이 출구까지 대피할 때의 최단거리나 최소시간, 즉, 국지적(local)인 해를 구한다. 따라서 이러한 모델을 이용해서는 대상 공간 전체(예, 건물 전체)의 재실자들이 모두 대피한다고 할 때, 전체 대피시간을 줄이는 전역적인 최적해를 얻기 힘들다. 본 연구는 건물내의 전체 인원분포를 고려하여 건물 내 재실자들의 총 대피시간을 최소화할 수 있는 전역적인 실내 보행자 최적 대피모형을 제시하고자 한다. 총 대피시간을 줄이는 전역적인 최적해는 다항식으로 찾기 힘든 문제로, 본 연구에서는 메타 휴리스틱기법 중 유전자 알고리즘을 이용하였다. 다양한 분포 상황을 염색체로 표현하고 해를 반복적 필터링하여 최적에 가까운 대피경로 및 대피시간을 산출하였다. 설계된 알고리즘을 표현하고 실험하기 위해서 CA(cellular automata) 기반의 대피 시뮬레이터를 이용하였으며, 다양한 실내 인원분포에 적용하여 그 결과를 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Existing pedestrian and evacuation models generally seek to find locally optimal solutions for the shortest or the least time paths to exits from individual locations considering pedestrian's characteristics (eg. speed, direction, sex, age, weight and size). These models are not designed to produce ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 때, 어떤 방의 재실자가 어떤 출구로 대피하느냐에 따라서 총 대피시간에 영향을 주게 된다. 따라서 본 연구는 이러한 공간들과 대피 출구들 간의 다양한 조합들 중에서 최적의 조합을 찾아내고, 탐색된 조합에 따른 대피경로 및 대피시간을 산출하고자 한다. 이를 적용하기 위해 대피상황을 하나의 해로 표현하고, 적합도 평가와 설계전략을 통해 좋은 해를 탐색하는 유전자 알고리즘을 이용한다.
  • 본 연구는 건물 내 다수의 출구가 존재할 때, 실내 인원분포를 고려하여 총 대피시간을 최소화하는 대피시간 및 경로를 찾는 것이 목적이다. 이를 해결하기 위해서 연역적인 해석방법으로 접근하려는 연구들이 일부 진행되었다.
  • 본 연구는 재실자들의 인원분포에 따른 다양한 대피상황에서 유동적이고 전역적인 최적 대피경로를 산출 하기 위한 것이다. 최적 대피경로 산출은 하나의 다항식으로 찾기 힘든 문제로, 본 연구에서는 메타 휴리스틱기법 중 유전자 알고리즘을 이용하여 다양한 대피양상을 염색체로 표현하여 이를 반복적으로 필터링하여 최적에 가까운 해를 얻을 수 있게 하였다.
  • 본 연구에서는 CA기반 대피시뮬레이터에 유전자 알고리즘을 적용하여 최적에 가까운 대피시간 및 경로를 산출하기 위해 시뮬레이터를 구현한다. 시뮬레이터 인터페이스 화면은 Figure 4와 같다.
  • 본 연구에서는 실내 대피상황에서 총 대피시간을 최소화하여 모든 재실자들이 빠르게 대피할 수 있는 대피 경로를 산출하는 실내 보행자 대피모형을 제시하고자 한다. 다수의 방과 다수의 출구로 이루어진 건물이 있을 때, 재실자들은 일반적으로 실내 공간내에 불균등하게 분포하게 된다.
  • 본 연구에서는 최적화 기법 중 메타 휴리스틱기법에 속하는 유전자 알고리즘을 이용하여 최적화문제를 해결하고자 한다. 유전자 알고리즘은 풀고자 하는 문제를 자연의 진화과정과 유전법칙을 모방하여 염색체로 표현하고, 해공간을 탐색하여 우수해를 찾아내고 선택, 교배, 돌연변이, 진화 등 연산에 따라 세대를 거듭하여 가장 우수한 해를 찾아내는 기법이다.

가설 설정

  • 향후 실시간 인원감지센서와 연동하는 기술로 발전한다면, 실시간 인원분포에 따른 최적에 가까운 대피경로 산출에 활용 가능할 것이다. 또한, 본 연구에서는 인원분포에 따라 대피경로를 탐색하는 기본적인 알고리즘을 제안하는데 한 방의 재실자는 하나의 출구로 이동하도록 가정하였다. 이는 중앙관제형 가변유도등, 유도음과 같은 시스템과 연동하여 각 방 별로 서로 다른 대피경로안내가 가능할 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유전자 알고리즘이란? 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm : GA)은 Holland (1975)에 의해 개발된 병렬적이고 전역적인 알고리즘으로 다윈이 주장한 자연 진화 법칙인 적자생존과 자연도태의 원리를 토대로 해 공간에 대한 확률적 탐색을 통해 복잡한 문제의 근사 최적해를 비교적 합리적인 시간에 제공하는 메타 휴리스틱 기법이다(나호영과 이상헌, 2008). 염색체(chromosome)는 Figure 2와 같이 복수 개의 유전자(gene)로 구성되며 개체라고도 한다.
선택연산이란? 선택연산은 각 세대에서 각각의 개체가 가지는 적합도에 따라 그 개체를 선택하여 복제하는 것이다. 본 연구는 염색체들 중에서 대피시간이 빠른 염색체 즉, 상위 1등은 보존되어야 하므로 엘리트 보존 선택법을 이용하여 세대가 반복되어도 가장 빠른 대피시간을 갖는 염색체가 보존되도록 하였다.
유전자 알고리즘 연산과정은? ① 설계상수를 결정 ② 대상문제를 개체로 표현 ③ 개체군의 크기(M)만큼 초기집단을 생성 ④ 초기집단 개체들을 적합도 값으로 평가 적합도 값에 비례하여 다음 세대에서 선택될 확률을 부여 ⑥ 교배확률에 의해 선택된 부모의 유전정보를 교환하여 새로운 정보를 갖는 자식 개체를 생성 ⑦ 돌연변이 확률로 선택된 개체의 각 유전자 단위로 유전자를 변형 ⑧ 새롭게 생성된 개체군을 재평가 ⑨ 새롭게 생성된 자식세대가 수렴조건을 만족하면 종료, 그렇지 않으면, ③단계 과정부터 반복하여 초기에 설정한 수렴범위를 만족할 때까지 계산을 수행
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참고문헌 (20)

  1. 곽수영, 2011, 유전자 알고리즘을 이용한 실내 보행자 최적 대피모형, 석사학위논문. 

  2. 김여근, 윤복식, 이상복, 1997, 메타 휴리스틱, 영지문화사. 

  3. 김운형, 김종훈, Michael Spearpoint, 2004, "Simulex 모델의 피난개시시간 분석", 한국화재소방학회 추계학술논문발표회 논문집, pp.252-257. 

  4. 김치겸, 이성원, 허남건, 남성원, 2009, "화재 발생 지하철 역사에서의 여객 대피 해석에 관한 연구", 대한설비공학회 하계학술대회 논문집, pp.142-147. 

  5. 나호영, 이상헌, 2008, "유전자 알고리즘을 이용한 도시 공간형태별 입지선정 모델", 한국시뮬레이션학회지, 제17권, 제3호, pp.1-109. 

  6. 박인혜, 이지영, 2009, "시공간 데이터베이스를 활용한 실내공간 최적경로 탐색", 한국지형공간정보학회 학술대회, pp.211-212. 

  7. 서동구, 황은경, 황금숙, 조정훈, 권영진, 2008, "EXODUS, SIMULEX를 활용한 피난모델 분석에 관한 연구", 한국화재소방학회 춘계학술논문발표회 논문집, pp.33-36. 

  8. 신동철, 박형주, 2008, "출구유출성능 기반의 통과 피난자 적정분배기법을 적용한 최적피난모델링기법의개발", 대한건축학회지, 제24권, 제12호, pp.345-352. 

  9. 윤성환, 이정재, 이민정, 2009,"buildingEXODUS를 활용한 행위기반 피난시뮬레이터의 신체 및 심리적 변수에 대한 민감도 분석", 대한건축학회지, 제25권, 제9호, pp.347-355. 

  10. 이현진, 2011, "공간구조와 이동부하를 고려한 실내 대피 경로 알고리즘", 서울시립대학교 석사학위논문. 

  11. 조영임, 2009, 인공지능시스템, 홍릉과학출판사, pp. 177-235. 

  12. 조용주, 김혜영, 전철민,, 2009, "실내위치기반서비스를 위한 공간데이터베이스 활용기법", 한국지형공간정보학회지, 제17권, 제1호, pp.157-166. 

  13. Blue, V. J. and Adler, J. L., 1999, "Using cellular automata microsimulation to model pedestrian movements", In A. Ceber (Ed.), Proceedings of the 14th International Symposium on Transportation and Traffic Theory, Jerusalem, Israel, pp. 235-254. 

  14. Burstedde, C., Klauck, K., Schadschneider, A., and Zittartz, J., 2001, "Simulation of pedestrian dynamics using a two-dimensional cellular automaton", Physica A, Vol. 295, No. 3-4, pp.507-525. 

  15. De Jong, K. A., 1975, "Analysis of the behavior of a class of genetic adaptive systems", University of Michigan, Doctoral dissertation Technical Report - No.185. 

  16. Grefenstette, J. J., 1986, "Optimization of control parameters for genetic algorithms", IEEE Trans. Systems, Man, and Cybernetics, SMC, Vol. 16, No. 1, pp.122-128. 

  17. Goldberg, D. E., 1989, Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning, Addison-Wesley. 

  18. Holland, J.H., 1975, Adaptation in natural and artificial systems, University of Michigan Press. 

  19. Kirchner, A., and Schadschneider, A., 2002, "Simulation of evacuation processes using a bionics-inspired cellular automaton model for pedestrian dynamics", Physica A, Vol. 312, pp. 260-276. 

  20. Klupfel, H., Konig, T., Wahle, J., and Schreckenberg, M., 2002, Microscopic simulation of evacuation processes on passenger ships, In Proceedings of Fourth International Conference on Cellular Automata for Research and Industry, Karlsruhe, Germany. 

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