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심층신경망을 통한 해파리 출현 예측
The prediction of appearance of jellyfish through Deep Neural Network 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.20 no.5, 2019년, pp.1 - 8  

황철훈 (Department of Software, Gachon University) ,  한명묵 (Department of Software, Gachon University)

초록
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본 논문은 지구온난화로 인하여 수온이 상승되며 증가한 해파리의 피해를 감소하고자 연구를 진행하였다. 해수욕장에서 해파리의 등장은 해파리의 쏘임 사고로 인한 인명피해와 폐장으로 인한 경제적 손실이 발생할 수 있다. 본 논문은 선행 연구들로부터 해파리의 출현 패턴을 머신러닝을 통하여 예측 가능함 확인하였다. SVM을 이용한 해파리 출현 예측 모델 연구를 확대하여 진행하였다. 심층신경망을 이용하여 해파리 출현 유무 예측인 이진 분류에서 지수화 된 방법인 다중 분류로 확장하고자 하였다. 수집된 데이터의 크기가 작다는 한계점으로 인하여 84.57%라는 예측 정확도의 한계를 부트스트래핑을 이용하여 데이터 확장을 통해 해결하고자 하였다. 확장된 데이터는 원본 데이터보다 약 7% 이상의 높은 성능을 보여주었으며, Transfer learning과 비교하여 약 6% 이상의 좋은 성능을 보여주었다. 최종적으로 테스트 데이터를 통하여 해파리 출현 예측 성능을 확인한 결과, 해파리의 출현 유무를 예측할 시 높은 정확도로 예측이 가능함을 확인하였으나, 지수화를 통한 예측에서는 의미 있는 결과를 얻지 못하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper carried out a study to reduce damage from jellyfish whose population has increased due to global warming. The emergence of jellyfish on the beach could result in casualties from jellyfish stings and economic losses from closures. This paper confirmed from the preceding studies that the pa...

주제어

표/그림 (10)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 32%라는 높은 예측률을 보였다. 그러나 높은 예측률의 원인이 너무 넓은 범위를 예측하여 단순한 예측 결과를 도출했다는 점에서 이를 보완하고자 구/군 단위로 범위를 축소하여 해파리 출현을 예측하고자 하였다. 또한 해파리의 일일 이동거리를 고려하여 예측할 구/군과 인접한 구/군을 포함하여 출현을 예측하였다.
  • 본 논문은 해파리 출현 패턴을 통하여 예측할 수 있다는 선행 연구들을 토대로 공공기관으로부터 수집되고 있는 해양 데이터들을 활용하여 해파리 출현 예측이 가능함을 확인하고자 연구를 진행하며, 해수욕장 해파리 쏘임 사고 예방 및 기타 피해를 최소화 시키고자 한다.
  • 선행 연구를 통해 SVM을 이용하여 해파리 출현 유무에 대해 예측하였다. 본 연구에서는 출현 유무에 발전하여 지수화를 통한 예측 결과를 도출하는 것을 목표로 한다. 이에 SVM보다 심층신경망을 이용하는 것이 지수화 도출에 적절하다고 판단하여 활용하고자 하였다.
  • 비교를 위하여 적은 데이터에서도 좋은 성능 보이는 Transfer Learning에 원본 데이터를 학습하여 예측률을 비교해보고자 하였다[10]. 실험 방식은 이전 방식과 동일하다.
  • 실험에서는 우리나라의 가장 많은 해수욕장 이용객 분포를 보이고 있는 해운대 해수욕장을 목표로 하여 해파리 출현 예측을 진행하였다. 예측할 범위는 수영구, 기장군, 해운대구이며, 예측 기간은 2014년 1월부터 2018년 12월까지이다.
  • 본 연구에서는 출현 유무에 발전하여 지수화를 통한 예측 결과를 도출하는 것을 목표로 한다. 이에 SVM보다 심층신경망을 이용하는 것이 지수화 도출에 적절하다고 판단하여 활용하고자 하였다.
  • 57% 예측률 이상의 성능을 얻을 수 없었다. 이에 본 논문은 부트스트래핑을 이용하여 데이터의 크기 및 해파리 출현 비율을 조절하는 방법으로 해당 문제를 해결하였다. 해파리 출현 비율을 조절 시 데이터 신뢰성에 대해 염려하였으나, 비교한 결과에서 소숫점 한자리 이하의 차이로 큰 차이를 보이지 않았다.
  • 한계를 극복하기 위해서는 작은 사이즈의 데이터를 확장해야 하며, 해파리가 출현하는 데이터의 비율을 늘릴 필요가 있다. 이에 본 논문은 부트스트래핑을 통하여 해당 문제들을 해결하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
해운대 해수욕장이 1일 폐장하는 경우 손실은 얼마인가? 해파리의 집중 출현 기간과 우리나라의 여름 휴가철이맞물리며 해수욕장의 해파리 쏘임 사고가 발생하여 국민안전을 위협하고 있다. 만약 해파리의 출현으로 인하여 해운대 해수욕장이 1일 폐장을 하게 될 경우, 해운대 해수욕장은 111억 원 이상의 손실이 발생하여 경제적 피해로 확대되게 된다[1].
국립수산과학원에서 해파리 피해 예방사업을 한 결과는 무엇인가? 정부에서는 해파리 피해를 예방하는 관점에서 국립수산과학원을 통하여 해파리 모니터링 주간보고를 통한 모니터링을 강화 및 실태를 조사하고 있으며, R&D 등을 통하여 피해 방지대책 및 수거사업을 추진해왔다. 그 결과 표 1과 같이 해파리 포획 건수와 마리수가 줄어들었으며, 해파리 쏘임 피해도 줄어든 것을 확인할 수 있다. 그러나 2018년 기록적인 폭염으로 인하여 해수욕장의 관광객은 줄어든 상황에서 해파리 쏘임 사고가 작년에 비해 약56%로 증가하였다.
심층신경망이란? 심층신경망(Deep Neural Network, DNN)은 신경망에 확장된 머신러닝 방법이다. 입/출력 계층 사이에서 여러 은닉 계층이 포함된 구조를 갖고 있어 여러 카테고리의 분류가 가능하다.
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참고문헌 (10)

  1. Kim, Dae-Young, Lee, Jung-Sam, Kim, Do-Hoon, "A Study on Direction of Industrial Utilization for Jellyfish in Korea,"The Korean Society for Fisheries and Marine Sciences Education, Volume 26, Issue 3, pp.587-596, 2014. https://doi.org/10.13000/JFMSE.2014.26.3.587 

  2. KIM, Bong-Tae, EOM, Ki-Hyuk, HAN, In-Seong, PARK, Hye-Jin, "An Analysis of the Impact of Climatic Elements on the Jellyfish Blooms," The Korean Society for Fisheries and Marine Sciences Education, Volume 27, Issue 6, pp.1755-1763, 2015, https://doi.org/10.13000/JFMSE.2015.27.6.1755 

  3. T. Nishikawa, K. Miyahara, T. Ohtani, T. Senjyu, "Occurrence and potential prediction of the giant jellyfish Nemopilema nomurai off Hyogo Prefecture, southwestern Sea of Japan, during 2006-2015," Regional Studies in Marine Science, Vol.16, pp.181-187, 2017. https://doi.org/10.1016/j.rsma.2017.09.002 

  4. R. Mu, X. Zeng, "A Review of Deep Learning Research," KSII Transactions on Internet and Information Systems, Vol.13, No.4, pp.1738-1764, 2019. https://doi.org/10.3837/tiis.2019.04.001 

  5. M. C. Acock, Y. A. Pachepsky, "Estimating missing weather data for agricultural simulations using group method of data handling," Journal of Applied meteorology, Vol.39, No.7, pp.1176-1184, 2000. https://doi.org/10.1175/1520-0450(2000)039 2.0.co;2 

  6. S. Abney, "Bootstrapping," Proceedings of the 40th Annual Meeting on Association for Computational Linguistics Association for Computational Linguistics, pp.360-367, 2002. 

  7. R. B. Akins, H. Tolson, B. R. Cole, "Stability of response characteristics of a Delphi panel: application of bootstrap data expansion," BMC medical research methodology, Vol.5, No.1, pp.37-49, 2005. https://doi.org/10.1186/1471-2288-5-37 

  8. B. H. Menze, B. M. Kelm, R. Masuch, U. Himmelreich, P. Bachert, W. Petrich, F. A. Hamprecht, "A comparison of random forest and its Gini importance with standard chemometric methods for the feature selection and classification of spectral data," BMC bioinformatics, Vol.10, No.1, pp.213-229, 2009. https://doi.org/10.1186/1471-2105-10-213 

  9. A. Marcano-Cedeno, J. Quintanilla-Dominquez, M. G. Cortina-Januchs, D. Andina, "Feature selection using sequential forward selection and classification applying artificial metaplasticity neural network," In IECON 2010-36th annual conference on IEEE industrial electronics society, pp.2845-2850. 2010. https://doi.org/10.1109/iecon.2010.5675075 

  10. S. J. Pan, Q. Yang, "A survey on transfer learning," IEEE Transactions on knowledge and data engineering, Vol.22, No.10, pp.1345-1359, 2010. https://doi.org/10.1109/tkde.2009.191 

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