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순환신경망을 이용한 뜰개의 관측 데이터 보정
Correction of Drifter Data Using Recurrent Neural Networks 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.3, 2018년, pp.15 - 21  

김경도 (광운대학교 컴퓨터과학과) ,  김용혁 (광운대학교 컴퓨터과학과)

초록
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해양 뜰개는 해수면을 떠다니며 해양 기상 등을 관측하는 장비로, 뜰개를 통해 관측한 데이터는 해양 기상 예측, 유류유출 예측 등의 상황에서 활용된다. 관측 데이터는 관측 시에 오측(error data) 또는 결측(missing data)이 발생할 수 있으며, 오측 또는 결측된 데이터가 포함 될 경우, 데이터를 사용하는 모델들의 정확도가 떨어질 수 있다. 본 논문에서는 데이터 보정을 위한 방법으로 순환신경망을 이용한 데이터 보정 모델을 제안한다. 2015년 7개, 2016년 8개의 뜰개를 통해 수집한 해양 데이터를 이용한 보정 실험 결과와 보정 결과를 검증하기 위한 뜰개 이동 예측 실험을 설명하며, 실험 결과, 데이터 보정을 통해 13.9%의 데이터가 보정되었으며, 이동 예측 모델의 성능이 1.4% 향상되는 것을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The ocean drifter is a device for observing the ocean weather by floating off the sea surface. The data observed through the drifter is utilized in the ocean weather prediction and oil spill. Observed data may contain incorrect or missing data at the time of observation, and accuracy may be lowered ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 15개의 뜰개를 이용해 관측한 데이터를 순환신경망 기반의 보정 모델을 통해 보정하는 방법을 제안한다. 본 논문의 2 절에서는 실험에서 사용한 실험 데이터의 특징, 속성 등을 설명한다.
  • 해당 실험은 유류 유출확산 예측 연구의 선행 연구로서 진행되었으며, 실시간으로 측정 가능한 해류와 바람의 관측 값을 이용해 해상 에서의 이동 방향을 예측하기 위한 목적으로 진행되었다. 본 논문에서는 기존 관측 데이터와 보정을 진행한 관측 데이터를 이용해 뜰개 이동 예측 연구를 진행하였으며, 데이터 보정이 예측 모델의 정확도를 향상시키는데 기여했는지를 검증하기 위한 방법으로 사용하였다.
  • 본 논문에서는 뜰개를 이용해 관측한 데이터에서 발생 가능한 오측 또는 결측을 해결하기 위해 순환신경망을 이용한 데이터 보정 모델을 제안하였다. 순환신경망 기반 데이터 보정 모델을 통해 관측 데이터의 평균 13.
  • 본 논문에서는 향후 연구 방향으로 더 많은 데이터와 다양한 파라미터를 입력으로 사용하는 보정 연구를 제시 하며, 오토인코더(Autoencoder) 기법을 이용한 데이터 보정 방안을 제시한다.
  • 본 절에서는 논문에서 제안하는 데이터 보정 모델에 대해 소개하고, 해당 모델을 이용해 보정 실험 및 실험 결과를 소개한다.
  • 본 절에서는 보정한 데이터를 이용해 진행한 뜰개 이동 예측 실험 및 실험 결과를 소개한다. 뜰개 이동 예측실험은 유류유출 및 기상 예측에서 뛰어난 예측 성능을 보여준 기계학습 기법들을 선정하여[12], 뜰개가 관측한 시간별 해류와 바람의 값을 데이터로 사용하여 시간별 위도, 경도 변화량을 진화연산[13] 또는 기계학습 모델을 이용해 예측하는 실험이다[14,15].
  • 뜰개 이동 예측실험은 유류유출 및 기상 예측에서 뛰어난 예측 성능을 보여준 기계학습 기법들을 선정하여[12], 뜰개가 관측한 시간별 해류와 바람의 값을 데이터로 사용하여 시간별 위도, 경도 변화량을 진화연산[13] 또는 기계학습 모델을 이용해 예측하는 실험이다[14,15]. 해당 실험은 유류 유출확산 예측 연구의 선행 연구로서 진행되었으며, 실시간으로 측정 가능한 해류와 바람의 관측 값을 이용해 해상 에서의 이동 방향을 예측하기 위한 목적으로 진행되었다. 본 논문에서는 기존 관측 데이터와 보정을 진행한 관측 데이터를 이용해 뜰개 이동 예측 연구를 진행하였으며, 데이터 보정이 예측 모델의 정확도를 향상시키는데 기여했는지를 검증하기 위한 방법으로 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
딥러닝의 한 종류로서 기상 관측 데이터와 같은 순차적인 정보를 처리하는데 초점을 맞춘 신경망은 무엇이며 그것의 구조는 어떻습니까? 순환신경망은 딥러닝의 한 종류로서 딥러닝은 여러 비선형 변환의 조합을 통해 높은 수준의 추상화 모델을 구축하는 기계학습 기법이다. 딥러닝은 음성인식, 자연어및 음성, 신호처리 등의 다양한 분야에서 뛰어난 성능을 보여주고 있다. 그 중 순환신경망은 기상 관측 데이터와 같은 순차적인 정보를 처리하는데 초점을 맞춘 신경망으로 시계열 형태의 데이터 구조에서 뛰어난 성능을 보여 준다[10,11]. 순환신경망은 아래 Fig. 2와 같이 신경망이 반복되는 구조로 되어 있으며, 다른 신경망 구조에서는 모든 입력과 출력이 각각 독립적이라고 가정하지만 순환 신경망에서는 입력으로 이전 단계의 출력 결과를 함께 사용함으로써, 과거의 데이터를 현재 혹은 미래의 문제 해결에 활용할 수 있는 구조를 가지고 있다.
관측시 데이터 수집시 잘못된 데이터가 발생되는 원인은? 해양 뜰개를 이용하여 해류 및 바람의 흐름과 세기 등을 측정 가능하며, 이러한 관측 데이터는 기상 예측 혹은 유류 유출 등의 상황에서 활용이 가능하다[1]. 하지만, 이러한 데이터 수집 과정에서 주변 환경의 영향 및 기계적 결함 등으로 인해 측정 범위를 벗어나는 오측(error data)과 데이터를 제대로 측정하지 못하는 결측(missing data) 이 발생할 수 있으며, 잘못된 데이터를 이용해 실험 또는 모델 학습을 진행할 경우, 잘못된 실험 결과나 모델의 성능을 하락시키는 원인이 된다[2-4]. 부정확한 데이터를 제거하고 정확한 데이터를 이용해 실험을 진행하기 위해 서는 데이터 보정 과정이 필요하다.
해양 뜰개란 무엇입니까? 해양 뜰개는 해수면을 떠다니며 해양 기상 등을 관측하는 장비로, 뜰개를 통해 관측한 데이터는 해양 기상 예측, 유류유출 예측 등의 상황에서 활용된다. 관측 데이터는 관측 시에 오측(error data) 또는 결측(missing data)이 발생할 수 있으며, 오측 또는 결측된 데이터가 포함 될 경우, 데이터를 사용하는 모델들의 정확도가 떨어질 수 있다.
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참고문헌 (15)

  1. J. S. Park, K. R. Kang, S. Lee & S-R. Lee. (2013). Observation of the Sea Surface Skin Current Using a GPS-Drifter. Ocean and Polar Research, 35(4), 193-203. DOI : 10.4217/OPR.2013.35.3.193 

  2. R. J. Little & D. B. Rubin. (2014). Statistical analysis with missing data. John Wiley & Sons. DOI : 10.1002/9781119013563 

  3. J. W. Graham. (2009). Missing data analysis: Making it work in the real world. Annual review of psychology. Annual Review of Psychology, 60, 549-576. DOI : 10.1146/annurev.psych.58.110405.085530 

  4. N. F. Schneidewind & H. M. Hoffmann, (1979). An experiment in software error data collection and analysis. IEEE Transactions on Software Engineering, 3, 276-286. DOI : 10.1109/tse.1979.234188 

  5. J. H. Ha & Y. H. Kim, (2016). A Survey on Data Correction of Observation and Prediction Using Machine Learning: Preliminary Study for Optimizing Oil Spill Model. International Journal of Applied Engineering Research, 11(16), 8892-8895. DOI : 10.6088/ijaser. 

  6. D. E. Rumelhart, G. E. Hinton & R. J. Williams. (1985). Learning Internal Representations by Error Propagation. DTIC Document, Tech. Rep. DOI : 10.21236/ada164453 

  7. J. C. Platt. (1999). Fast Training of Support Vector Machines Using Sequential Minimal Optimization. Advances in Kernel Methods. 185-208. 

  8. M. K. Lee, S. H. Moon, Y. H. Kim & B. R. Moon. (2014). Correcting Abnormalities in Meteorological Data by Machine Learning. In Systems, Man and Cybernetics (SMC), 2014 IEEE International Conference, 888-893. DOI : 10.1109/smc.2014.6974024 

  9. Y. H. Kim, J. H. Ha, Y. Yoon, N. Y. Kim, H. H. Im, S. Sim & R. K. Choi. (2016). Improved Correction of Atmospheric Pressure Data Obtained by Smartphones through Machine Learning. Computational intelligence and neuroscience, 2016(4). DOI : 10.1155/2016/9467878 

  10. T. G. Barbounis, J. B. Theocharis, M. C. Alexiadis & P. S. Dokopoulos. (2006). Long-term wind speed and power forecasting using local recurrent neural network models. IEEE Transactions on Energy Conversion, 21(1), 273-284. DOI : 10.1109/tec.2005.847954 

  11. T. Guo, Z. Xu, X. Yao, H. Chen, K. Aberer & K. Funaya. (2016). Robust Online Time Series Prediction with Recurrent Neural Networks. In Data Science and Advanced Analytics (DSAA), 2016 IEEE International Conference, 816-825. DOI : 10.1109/dsaa.2016.92 

  12. G. D. Kim & Y. H. Kim, (2017). A Survey on Oil Spill and Weather Forecast Using Machine Learning Based on Neural Networks and Statistical Methods. Journal of the Korea Convergence Society, 8(10), 1-8. DOI : 10.15207/JKCS.2017.8.10.001 

  13. Y. W. Nam & Y. H. Kim, (2018). Prediction of Drifter Trajectory Using Evolutionary Computation. Discrete Dynamics in Nature and Society 2018, 2018, In press. 

  14. C. J. Lee, G. D. Kim & Y. H. Kim, (2017). Performance Comparison of Machine Learning Based on Neural Networks and Statistical Methods for Prediction of Drifter Movement. Journal of the Korea Convergence Society, 8(10), 45-52. DOI : 10.15207/JKCS.2017.8.10.045 

  15. C. J. Lee & Y. H. Kim, (2017). Prediction of Drifter Trajectory Using an Ensemble Technique. Convergence Research Letter, 3(4), 671-674. 

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