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LIBS 분광기를 이용한 폐소형가전 플라스틱 패턴 분류기의 설계
Design of Pattern Classifier for Electrical and Electronic Waste Plastic Devices Using LIBS Spectrometer 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.26 no.6, 2016년, pp.477 - 484  

박상범 (수원대학교 전기공학과) ,  배종수 (수원대학교 전기공학과) ,  오성권 (수원대학교 전기공학과) ,  김현기 (수원대학교 전기공학과)

초록
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선풍기, 오디오, 전기밥솥 등의 소형 산업가전제품들은 대부분 ABS, PP, PS 등의 재질로 이루어져 있다. 색깔이 있는 플라스틱은 근적외선(NIR) 분광기에 의해 분류가 가능하지만, 반면에 검은색 플라스틱은 빛을 흡수하는 특성으로 인해 분류하기가 어렵다. 그래서 본 연구에서는 LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy) 분광기를 통해 폐소형가전 플라스틱을 선별하는 RBFNNs(Radial Basis Function Neural Networks) 패턴 분류기를 소개한다. 전처리부분에는 차원축소 알고리즘 중 하나인 PCA(Principal Component Analysis)를 사용해 처리 속도를 향상시킬 뿐만 아니라 효과적인 데이터의 특성을 추출한다. 조건부에는 FCM(Fuzzy C-Means) 클러스터링을 사용한다. 결론부에는 다항식의 형태 중 하나인 1차 선형식을 연결가중치로서 사용한다. PSO와 5-fold cross validation은 성능의 신뢰도를 향상시키고, 분류율을 높이는데 사용된다. 제안된 분류기의 성능은 최적화한 것과 최적화하지 않은 것 두 가지의 관점에서 보여준다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Small industrial appliances such as fan, audio, electric rice cooker mostly consist of ABS, PP, PS materials. In colored plastics, it is possible to classify by near infrared(NIR) spectroscopy, while in black plastics, it is very difficult to classify black plastic because of the characteristic of b...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 폐소형가전 플라스틱을 재질별로 선별하기 위해 FCM 클러스터링 기반 RBFNNs 패턴 분류기를 설계하였다. 전처리부분에는 PCA를 사용하여 데이터의 차원 수를 축소시켜 처리속도를 향상시켜주었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PCA를 사용하는 것에는 어떤 단점이 있는가? 데이터의 차원이 축소되면 가지고 있던 정보가 손실되기 때문에 이를 최소로 하는 차원의 수로 축소시켜주어야 한다. PCA를 사용하면 데이터의 손실이 발생한다는 단점이 있지만, 차원 수가 많을 경우에 PCA를 사용하면 프로그램의 학습 속도 및 성능을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다[7]. 다음 아래의 단계는 PCA의 수행단계이다.
LIBS 분광기란 무엇인가? LIBS 분광기는 레이저를 시료에 조사하여 방전 현상과 비슷한 빛 에너지에 의해 생성되는 플라즈마를 이용해 시료를 분석하는 분광법이다[3]. 여기서 플라즈마는 초고온에서 (-)전하를 띤 전자와 (+)전하를 띤 양자가 이온으로 분리된 상태를 말한다.
LIBS 분광기는 어떻게 작동하는가? 위의 그림 2는 LIBS 분광기가 어떻게 작동하는지 원리를 나타낸 그림이다. 먼저 레이저를 시료에 조사시키면 시료의 표면에 플라즈마가 형성된다. 이때는 전자와 양자가 이온상태로 존재하게 되고 높은 에너지를 가진 상태인 여기상태(excited state)가 된다. 여기상태는 일반적으로 불안정한 상태이기 때문에 전자들은 안정된 상태인 기저상태(ground state)로 돌아가려고 한다. 그리고 기저상태로 돌아가면서 가지고 있던 에너지를 방출하게 되는데 이 때 빛으로서 에너지를 방출하게 된다. 방출된 빛은 분광기로부터 흡수되고 이를 분석하여 시료의 성분 및 스펙트럼으로 보여주게 된다. 아래의 그림 3은 LIBS 분광기를 통해 재질별로 얻은 스펙트럼을 나타냈다.
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참고문헌 (12)

  1. C. Velis, "Global recycling markets - plastic waste: A story for one player", Globalisation and Waste Management Task Force, ISWA, Vienna, 2014. 

  2. Resource Recirculation Technology Research Center, "Resource Recirculation Technology of Domestic and foreign and Trend of Research", UDOKWON Landfill site Management Corp., Incheon, South Korea, 2015. 

  3. X. Wang, H. Wang, C. Chen, and Z. Jia, "Ablation Properties and Elemental Analysis of Silicone Rubber Using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 44, No. 11, pp. 2766-2771, 2016. 

  4. A. F. M. Y. Haider, S. Sengupta, K. M. Abedin, "A quick method to determine the impurity content in gold ornaments by LIBS technique", International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology, Vol. 1, pp. 33-40, 2015 . 

  5. V. Sathiesh Kumar, Nilesh J, Vasa, R. Sarathi, D. Nakamura, T. Okada, "Understanding the dis charge activity across GFRP material due to salt deposit under transient voltages by adopting OES and LIBS technique", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 21, No. 5, pp. 2283-2292, 2014. 

  6. F. C. DeLucia, A. C. Samuels, R. S. Harmon, R. A. Walters, K. L. McNesby, A. LaPointe, R. J. Winkel, A. W. Miziolek, "Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS): a promising versatile chemical sensor technology for hazardous material detection", IEEE Sensors Journal, Vol. 5, No. 4, pp. 681-689, 2005. 

  7. B. Y. Kim, S. K. Oh, and J. Y. Kim, "Design of Digit Recognition System Realized with the Aid of Fuzzy RBFNNs and Incremental-PCA", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 26, No. 1, pp. 056-063, 2016. 

  8. C. J. Park, S. K. Oh, J. Y. Kim, "A Study On Three-dimensional Optimized Face Recognition Model : Comparative Studies and Analysis of Model Architectures", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 64, No. 6, pp. 900-911, 2015. 

  9. C. J. Park, S. H. Kim, S. K. Oh, J. Y. Kim, "Design of RBFNNs Pattern Classifier Realized with the Aid of Face Features Detection", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 26, No. 2, pp. 120-126, 2016. 

  10. J. S. Bae, S. K. Oh and H. K. Kim, "Design of Automatic Classification System of Black Plastics Based on Support Vector Machine Using Raman Spectroscopy", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 26, No. 5, pp. 416-422, 2016. 

  11. H. M. Kim, S. K. Oh and Y. H. Lee, "Design of Heavy Rain Advisory Decision Model Based on Optimized RBFNNs Using KLAPS Reanalysis Data", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 23, No. 5, pp. 473-478, 2013. 

  12. W. Y. Choi, S. K Oh, "Design of Meteorological Radar Pattern Classifier Using Clustering-based RBFNNs : Comparative Studies and Analysis", Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 24, No. 5, pp. 536-541, 2014. 

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