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ARIMA모델에 기반한 화재발생 빈도 예측모델의 설계
Forecasting Model Design of Fire Occurrences with ARIMA Models 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.19 no.2, 2015년, pp.20 - 28  

안상훈 (명지대학교 화학공학과) ,  강훈 (명지대학교 화학공학과) ,  조재훈 (명지대학교 화학공학과) ,  김태옥 (명지대학교 화학공학과) ,  신동일 (명지대학교 화학공학과)

초록
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화재를 예방하기 위해서는 그에 필요한 정책과 평가가 필요하며, 화재 발생에 대한 적절한 모니터링 기법이 있어야 한다. 이를 위해 품질관리의 기법중의 하나인 관리도를 화재 모니터링에 적용하는 연구가 진행된 바 있다. 그 결과, 통계적으로 겨울에는 많은 화재가 발생한다는 것이 증명되었고, 매년마다 어떤 주기를 띠고 변화한다는 것이 발견되었다. 그럼에도 불구하고, 여름철과 겨울철에 동일한 기준(관리한계선)을 적용할 경우 상대적으로 발생건수가 과다한 겨울에는 과도한 예방활동이 진행되고, 여름에는 잠재이상이 있는 경우에도 발생건수 감소에 따른 착시현상으로 인해 활동이 부족해질 가능성이 있다. 이때, 각 계절별로 다른 관리 한계선을 적용시킨다면 합리적인 예측과 보다 효과적인 이상 패턴의 모니터링이 가능해질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 발생건수를 대상으로 시간에 따라 변하는 시계열 모델을 사용하여 화재발생 빈도 예측 모델계수의 체계적인 설정과정을 ARIMA 모델을 기반으로 제안하였다. 이를 바탕으로 화재발생 패턴의 개선된 분석과 이에 기반한 보다 체계적인 예방활동을 진행할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A suitable monitoring method is necessary for successful policy implementation and its evaluation, required for effective prevention of abnormal fire occurrences. To do this, there were studies for applying control charts of quality management to fire occurrence monitoring. As a result, it was prove...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 현실적으로 화재 발생빈도를 모니터링하기 위해 화재 예측시간에 따른 변화를 반영하는 시계열 모델을 적용하는 방법을 제안하였다.
  • 본 연구에서는 ARIMA 모델에 기반한 화재 발생 빈도 예측모델을 제안하고, 2007년~2011년의 화재 데이터로부터 2012년 화재 발생건수를 예측하는 모델의 검증과정을 통해 제안방법의 타당성을 입증하였다. 그 결과, 모델의 적절한 차수를 결정하는 것이 타당한 모델을 만드는 데 중요하며, 차수의 선정기준 중에서 결과론적인 정확도, AICc값, Ljung-Box test의 p value 및 잔차의 ACF값의 자기상관성에 대하여 전반적으로 합리적인 선택이 있어야 함을 알 수 있었다.
  • 7에서와 같이 6월에는 관리상한선을 초과하였고, 9월에는 관리하한선을 초과하여 여름의 화재발생이 예상에서 벗어났다고 판단할 수 있었다. 추가로, 위에서 제안된 모델보다 타당한 모델이 있는지 검토하였다. 모델의 타당성을 비교하는 방법으로는, 2012년의 데이터를 검증(test) set으로 사용하여 ARIMA(p,d,q)(P,D,Q)12모델의 차수를 조정하는 방법도 있고, 더욱 낮은 AICc(Akaike information criterion with a correction for finite sample sizes)값을 가지는 모델을 채택하는 방법도 있다[11]

가설 설정

  • 3은 화재발생 예측모델을 결정하기 위하여 2007년~2011년의 5년간 각 월의 화재 발생빈도를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 2012년의 월별 화재발생 건수를 예측하고자 하기 때문에 월의 시간단위는 12개월을 기준으로 추세를 가지고 순환하는 시계열이므로, 12개월의 Seasonal ARIMA model, ARIMA (p,d,q)(P,D,Q)12로 가정하고, 각 상수들을 결정하였다. 이때, 이들 상수들은 시계열의 자기상관함수의 그래프를 해석하여 결정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미국과 우리나라에서 화재 발생과 피해를 감소시키기 위해 어떤 통계적 정책을 시행하고 있는가? 화재 발생과 피해를 감소시키기 위해서는 주로 통계적인 자료를 바탕으로 정책을 수립하거나 규제를 시행하는 방안이 있는데, 이를 위해 세계 각 국가에서는 발생한 각 화재의 기록들을 축적하여 이를 통계분석하고 있다. 특히, 미국에서는 1972년부터 National Fire Incident Reporting System[1]을 만들어 매년 약 백만 건에 대한 화재 통계보고서를 발표하고 있으며, 우리나라도 연간 약 4만 건의 화재사고를 국가화재정보시스템(NFDS)에 등록하고 있다.
시계열이란? 시계열은 시간에 따라 기록되는 통계변량으로, 시간별 도로의 통행량이나, 연간 무역액수 등 경제적 또는 공학적인 분야에서 흔히 사용되는 개념이다. 다른 통계변량과 다르게 시계열이 가지는 가장 큰 특징은 다른 시점에서 변량과 상관관계를 가지는 자기상관성(autocorrelation)이다.
기존 control chart는 어떤 문제점이 있는가? 즉, 화재 발생이 상대적으로 적은 여름철에는 이상을 감지하기 힘들고(false negative), 발생건수가 많은 겨울철에는 잘못된 이상을 감지하는 오류 (false positive)를 갖고 있다. 즉, Shewhart chart를 비롯한 기존 control chart들은 과거의 변량과 상관 성(자기상관성)을 가지는 변수를 모니터링 하는 경우 공정의 정상성(stationarity) 여부와 표준편차와 같은 통계적 변량의 비합리성과 같은 몇 가지 문제점이 있다. 이것은 화재 발생빈도가 항상 일정한 값을 유지해야 하는 데이터가 아니며, 자기상관성을 가지는 시계열 데이터이기 때문이다.
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참고문헌 (11)

  1. National Fire Incident Reporting System, Retrieved from http://www.dfs.dps.mo.gov/documents/nfirs-reference-guide.pdf 

  2. Justin, J. P., Spatial and Temporal Patterns of Forest Fire Activity in Canada, M.S. Thesis, University of Toronto, (2001) 

  3. Joo, K. D., A Study on a Real-time Detection and Monitoring System for Abnormal Fire Occurrences Based on Big Data Mining, M.S. Thesis, Myongji University, (2012) 

  4. Apley, D. W. and Lee, H. C., "Robustness Comparison of Exponentially Weighted Moving-Average Charts on Autocorrelated Data and on Residuals," Journal of Quality Technology, 40(4), 428-447, (2008) 

  5. Song, D. W., Predicting the Risk of Fire Occurrence according to the Weather Information using Statistics and Data Mining Techniques, Ph.D Thesis, Seoul National University of Science and Technology, (2014) 

  6. Himmelblau, D. M., Fault Detection and Diagnosis in Chemical and Petrochemical Processes, Elsevier, pp.127-116, (1978) 

  7. Box, George E. P., Time Series Analysis, Wiley, (2008) 

  8. Hyndman, R. J., Forecasting Functions for Time Series and Linear Models, Retrieved from http://cran.r-project.org/web/packages/forecast/index.html, (2015) 

  9. Hyndman, R. J. and Khandakar, Y., "Automatic Time Series Forecasting: The forecast package for R", Journal of Statistical Software, 27(3), 1-22, (2008) 

  10. Witten, I. A. Data mining, Elsevier, pp.148, (2011) 

  11. Lim, W. C., "Reliability-Based Design Optimization Using Akaike Information Criterion for Discrete Information", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, 36(8), 921-927, (2012) 

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