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[국내논문] 사용자 건강 상태알림 서비스의 상황인지를 위한 기계학습 모델의 학습 데이터 생성 방법
Generating Training Dataset of Machine Learning Model for Context-Awareness in a Health Status Notification Service 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on software and data engineering. 소프트웨어 및 데이터 공학, v.9 no.1, 2020년, pp.25 - 32  

문종혁 (숭실대학교 컴퓨터학과) ,  최종선 (숭실대학교 컴퓨터학부) ,  최재영 (숭실대학교 컴퓨터학부)

초록
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다양한 분야에서 활용되는 상황인지 시스템은 상황정보를 획득하기 위한 추상화 과정에서 규칙 기반의 인공기능 기술이 기존에 사용되었다. 그러나 서비스에 대한 사용자의 요구사항이 다양해지고 사용되는 데이터의 증대로 규칙이 복잡해지면서 규칙 기반 모델의 유지보수와 비정형 데이터를 처리하는데 어려움이 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 많은 연구들에서는 상황인지 시스템에 기계학습 기술을 적용하였으며, 이러한 기계학습 기반의 모델을 상황인지 시스템에 사용하기 위해서는 주기적으로 학습 데이터를 제공해야 한다. 이에 기계학습 기반 상황인지 시스템에 대한 선행연구에서는 여러 개의 기계학습 모델을 적용하기 위한 학습 데이터 생성, 제공 등의 과정을 보였으나 제한된 종류의 기계학습 모델만을 적용 가능하여 확장성이 고려되어야 한다. 본 논문은 기계학습 기반의 상황인지 시스템의 확장성을 고려한 기계학습 모델의 학습 데이터 생성 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 시스템의 확장성을 고려하여 기계학습 모델의 요구사항을 반영할 수 있는 학습 데이터 생성 모델을 정의하고 학습 데이터 생성 모듈을 바탕으로 각각의 기계학습 모델의 학습 데이터를 생성하는 것이다. 시스템의 확장성의 검증을 위해 실험에서는 노인의 건강상태 알림 서비스를 위한 심박상태 분석 모델을 대상으로 한 학습데이터 생성 스키마를 기반으로 학습데이터 생성 모델을 정의하고 실환경에서 정의된 모델을 S/W에 적용하여 학습데이터를 생성한다. 또한 생성된 학습데이터의 유효성을 검증하기 위해 사용되는 기계학습 모델에 생성한 학습데이터를 학습시켜 정확도를 비교하는 과정을 보인다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the context-aware system, rule-based AI technology has been used in the abstraction process for getting context information. However, the rules are complicated by the diversification of user requirements for the service and also data usage is increased. Therefore, there are some technical limitat...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 시스템에서는 학습 데이터 를 생성을 위한 모듈이 동작하여 학습데이터를 생성하여 제공할 수 있어야 한다. 이에 논문에서는 상황인지 시스템에 기계학습 모델을 관리하는데 필요한 학습데이터를 생성하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 각기 다른 요구사항(입력, 전처리, 출력 등)이 다른 기계학습 모델을 위한 학습 데이터 생성 모델을 정의하고 이를 기반으로 학습 데이터 생성 모듈을 적용하여 각각의 기계학습 모델의 학습 데이터를 생성하는 것이다.
  • 본 절에서는 상황인지 시스템의 추상화 단계에서 기계학습 기술을 적용한 연구 사례를 살펴보고 각 연구에서 수행된 기계학습 모델의 관리 방법들을 기술한다.
  • 헬스케어 분야에서 또한 상황인지 기술과 기계학습 기술을 접목하여 서비스 제공하기 위한 연구를 진행되었다. Banos [18]의 연구에서는 이기종 스마트 기기로부터 생체 데이터 수집, 분석, 제공 과정을 수행하는 프레임워크를 제안한다.
  • 따라서 시스템에서는 기계학습 모델이 추가 및 변경됨에 따라 이를 위한 학습데이터 생성 모듈이 적용되어야한다. 본 절에서는 인공지능 기반 상황인지 시스템의 기계학습 모델 관리를 위한 학습데이터 생성 모듈의 학습 데이터 생성 방법을 기술한다. 시스템의 확장성을 고려한 시스템의 요구사항은 다음과 같다.
  • 상황인지에 사용되는 상황정보는 BDAM의 기계학습 모델에서 제공받은 분석 정보이다. 본 논문에서는 상황인지 시스템에서 분석 주체인 BDAM의 기계학습 모델을 위한 학습데이터를 학습 데이터셋 생성 모듈(Training Dataset Generating Module, 이하 TDGM)을 통해 생성하는 방법을 보인다.
  • 본 실험에서는 시스템의 확장성을 고려한 학습데이터 생성 방법의 유효성 증명하기 위해, 노인을 위한 건강 상태 알림 서비스를 위한 심박상태 분석 모델 대상으로 한 예제를 보인다. 그리고 심박상태 분석 모델을 위한 학습데이터 생성 과정과 생성한 학습데이터를 적용한 결과를 보인다.
  • 이러한 생체를 대상으로 하는 분석의 경우, 주변 환경과 시간이 지남에 따라 생체 추이가 변하기 때문에 이를 대응할 수 있어야 한다. 이에 심박 상태 분석 모델의 학습을 위한 학습데이터를 실제 노인을 대상으로 건강 정보를 수집하여 학습데이터를 생성하고, 생성된 학습데이터를 대상 모델에 학습시켜 심박 상태 결과에 대한 정확도가 유지되는 것을 보인다.
  • 본 논문에서는 상황인지 시스템에서 기계학습 기반 모델의 적용할 때, 기계학습 모델의 분석결과에 대한 정확도를 유지하기 위한 관리에 필요한 학습데이터 생성 방법을 제안하였다. 기계학습 모델 학습데이터 생성에 따른 요구사항을 반영하기 위해 학습데이터 생성 모델 및 학습데이터 생성 알고리즘을 설계하였으며, 이는 학습데이터를 생성하는 모듈의 기반으로 사용되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기존 인공지능 기반의 상황인지 시스템은 무엇을 적용하였는가? 기존 인공지능 기반의 상황인지 시스템은 추상화 과정에서 휴리스틱(Heuristic) 로직 기반의 전문가 시스템(Expert System)을 적용하였다[20-22]. 전문가 시스템은 적용 환경에 따라 전문가가 지식에 근거하여 사전에 정의한 규칙을 바탕으로 수집된 환경정보로부터 상황정보를 생성한다.
상황인지 시스템을 활용하기 위한 연구는 어느 분야에서 시도되는가? 최근 스마트 홈, u-헬스케어, 스마트 웨어하우스(Warehouse) 등 많은 분야에서 상황인지 시스템을 활용하기 위한 연구가 시도되고 있다[1-4]. Khozouie, Nasim[4]은 온톨로지 기반의 모바일 헬스케어 서비스를 제공하기 위해 상황인지 시스템을 활용하였고 Gomes[12], Kabir[14] 등은 스마트 홈에서 상황인지 기반의 사용자 맞춤형 스마트 서비스를 위한 연구를 진행하였다.
기존 방식의 문제점은 무엇인가? 그러나 기존 방식(규칙 기반 인공지능 추상화 시스템)은 최근 연구되는 분야들에서 다음과 같은 문제로 서비스 품질을 보장하기 어렵다. 첫 번째, 사용자의 서비스에 대한 요구사항이 높아지면서 더욱 비정형 데이터의 사용이 요구된다. 이러한 비정형 데이터를 규칙으로 정의하는 것은 많은 비용이 소요되어 이에 비정형 데이터를 처리하기 위한 방법이 필요하다[24]. 두 번째, 헬스케어, 스마트 홈 등의 분야에서는 서비스 대상의 맞춤형 서비스를 제공하기 위해 각각의 대상마다 규칙을 정의하게 된다. 이는 규칙이 증대되어 유지보수 문제를 야기한다[24, 25]. 이는 데이터를 기반으로 한 기계학습 기술을 적용함으로써 극복될 수 있다.
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참고문헌 (25)

  1. G. Manogaran and D. Lopez, "Health data analytics using scalable logistic regression with stochastic gradient descent," International Journal of Advanced Intelligence Paradigms, Vol.10, No.1-2, pp.118-132, 2018. 

  2. J.-W. Lee, H.-S. Lim, D.-W. Kim, S.-A. Shin, J. Kim, B. Yoo, and K.-H. Cho, "The development and implementation of stroke risk prediction model in National Health Insurance Service's personal health record," Computer Methods and Programs in Biomedicine, Vol.153, pp.253-257, 2018. 

  3. N. Bouri and S. Ravi, "Going mobile: how mobile personal health records can improve health care during emergencies," JMIR mHealth uHealth, Vol.2, No.1, e8, 2014. 

  4. N. Khozouie, F. Fotouhi-Ghazvini, and B. Minaei-Bidgoli, "Ontological MobiHealth system," Indonesian J. Elect. Eng. Comput. Sci., Vol.10, No.1, pp.309-319, 2018. 

  5. S. Huang, L. Li, H. Cai, B. Xu, G. Li, and L. Jiang, "A Configurable WoT Application Platform Based on Spatiotemporal Semantic Scenarios," IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, Vol.49, No.1, pp.123-135, 2017. 

  6. L. Mainetti, V. Mighali, L. Patrono, and P. Rametta, "A novel Rule-based Semantic Architecture for IoT Building Automation Systems," Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM), pp.124-131, 2015. 

  7. L. Pessoa, P. Fernandes, T. Castro, V. Alves, G. N. Rodrigues, and H. Carvalho, "Building reliable and maintainable Dynamic Software Product Lines: An investigation in the Body Sensor Network domain," Information and Software Technology, Vol.86, pp.54-70, 2017. 

  8. J. G. Nalepa and S. Bobek, "Rule-based solution for context-aware reasoning on mobile devices," Computer Science and Information Systems, Vol.11, No.1, pp.171-193, 2014. 

  9. N. Kolbe, A. Zaslavsky, S. Kubler, J. Robert, and Y. Le Traon, "Enriching a Situation Awareness Framework for IoT with Knowledge Base and Reasoning Components," In International and Interdisciplinary Conference on Modeling and Using Context, Springer, Cham, pp.41-54, 2017. 

  10. Z. Bahramian, R. Ali Abbaspour, and C. Claramunt, "A cold start context-aware recommender system for tour planning using artificial neural network and case based reasoning," Mobile Information Systems, 2017. 

  11. M. Shin, W. Paik, B. Kim, and S. Hwang, "An IoT Platform with Monitoring Robot Applying CNN-Based Context-Aware Learning," Sensors, Vol.19, No.11, pp.1-13, 2019. 

  12. L. Gomes, C., Ramos, A., Jozi, B., Serra, L., Paiva, and Z. Vale, "IoH: A Platform for the Intelligence of Home with a Context Awareness and Ambient Intelligence Approach," Future Internet, Vol.11, No.3, pp.58, 2019. 

  13. N. Polyzotis, S. Roy, S. E. Whang, and M. Zinkevich, "Data Management Challenges in Production Machine Learning," Proceedings of the 2017 ACM International Conference on Management of Data, ACM, pp.1723-1726, 2017. 

  14. M. H. Kabir, M. R. Hoque, H. Seo, and S. H. Yang, "Machine learning based adaptive context-aware system for smart home environment," International Journal of Smart Home, Vol.9, No.11, pp.55-62, 2015. 

  15. M. H., Kabir, M. R., Hoque, H., Seo, and S. H. Yang, "Boolean Control Network Based Modeling for Context-Aware System in Smart Home," International Journal of Smart Home, Vol.10, No.4, pp.65-76, 2016. 

  16. B. Ospan, N. Khan, J. Augusto, M. Quinde, and K. Nurgaliyev, "Context aware virtual assistant with casebased conflict resolution in multi-user smart home environment," 2018 International Conference on Computing and Network Communications (CoCoNet), IEEE, pp.36-44, 2018. 

  17. P. Jiang, J. Winkley, C. Zhao, R. Munnoch, G. Min, and L. T. Yang, "An intelligent information forwarder for healthcare big data systems with distributed wearable sensors," IEEE systems journal, Vol.10, No.3, pp.1147-1159, 2014. 

  18. O. Banos, R. Garcia, J. A. Holgado-Terriza, M. Damas, H. Pomares, I. Rojas, A. Saez, and C. Villalonga, "mHealthDroid: a novel framework for agile development of mobile health applications," International Workshop on Ambient Assisted Living, Springer, Cham, pp.91-98, 2014. 

  19. T. Zoppi, A. Ceccarelli, and A. Bondavalli, "Contextawareness to improve anomaly detection in dynamic service oriented architectures," International Conference on Computer Safety, Reliability, and Security, Springer, Cham, pp.145-158, 2016. 

  20. Y. Bai, H. Ji, Q. Han, J. Huang, and D. Qian, "MidCASE: a service oriented middleware enabling context awareness for smart environment," 2007 International Conference on Multimedia and Ubiquitous Engineering (MUE'07), IEEE, pp.946-951, 2007. 

  21. L. O. Colombo-Mendoza, R. Valencia-Garcia, A. Rodriguez- Gonzalez, G. Alor-Hernandez, and J. J. Samper-Zapater, "RecomMetz: A context-aware knowledge-based mobile recommender system for movie showtimes," Expert Systems with Applications, Vol.42, No.3, pp.1202-1222, 2015. 

  22. P. H. Wu, G. J. Hwang, and W. H. Tsai, "An expert systembased context-aware ubiquitous learning approach for conducting science learning activities," Journal of Educational Technology & Society, Vol.16, No. 4, pp.217-230, 2013. 

  23. D. Galar, A. Thaduri, M. Catelani, and L. Ciani, "Context awareness for maintenance decision making: A diagnosis and prognosis approach," Measurement, pp.137-150, 2015. 

  24. A. I. Wang, and Q. K. Ahmad, "Camf-context-aware machine learning framework for android," Proceedings of the International Conference on Software Engineering and Applications (SEA 2010), CA, USA, 2010. 

  25. H. Eldardiry, K. Sricharan, J. Liu, J. Hanley, B. Price, O. Brdiczka, and E. Bart, "Multi-source fusion for anomaly detection: using across-domain and across-time peergroup consistency checks," JoWUA, Vol.5, No.2, pp.39-58, 2014. 

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