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딥러닝 기반의 연기 확산거리 예측을 위한 알고리즘 개발 기초연구
Fundamental Study on Algorithm Development for Prediction of Smoke Spread Distance Based on Deep Learning 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.27 no.1, 2021년, pp.22 - 28  

김별 (한국해양대학교 대학원) ,  황광일 (한국해양대학교 기계공학부)

초록
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본 연구는 화재진압 및 피난활동을 지원하는 딥러닝 기반의 알고리즘 개발에 관한 기초 연구로 선박 화재 시 연기감지기가 작동하기 전에 검출된 연기 데이터를 분석 및 활용하여 원격지까지 연기가 확산 되기 전에 연기 확산거리를 예측하는 것이 목적이다. 다음과 같은 절차에 따라 제안 알고리즘을 검토하였다. 첫 번째 단계로, 딥러닝 기반 객체 검출 알고리즘인 YOLO(You Only Look Once)모델에 화재시뮬레이션을 통하여 얻은 연기 영상을 적용하여 학습을 진행하였다. 학습된 YOLO모델의 mAP(mean Average Precision)은 98.71%로 측정되었으며, 9 FPS(Frames Per Second)의 처리 속도로 연기를 검출하였다. 두 번째 단계로 YOLO로부터 연기 형상이 추출된 경계 상자의 좌표값을 통해 연기 확산거리를 추정하였으며 이를 시계열 예측 알고리즘인 LSTM(Long Short-Term Memory)에 적용하여 학습을 진행하였다. 그 결과, 화재시뮬레이션으로부터 얻은 Fast 화재의 연기영상에서 경계 상자의 좌표값으로부터 추정한 화재발생~30초까지의 연기 확산거리 데이터를 LSTM 학습모델에 입력하여 31초~90초까지의 연기 확산거리 데이터를 예측하였다. 그리고 추정한 연기 확산거리와 예측한 연기 확산거리의 평균제곱근 오차는 2.74로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This is a basic study on the development of deep learning-based algorithms to detect smoke before the smoke detector operates in the event of a ship fire, analyze and utilize the detected data, and support fire suppression and evacuation activities by predicting the spread of smoke before it spreads...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 딥러닝 기반의 객체 탐지 및 시계열 예측 알고리즘을 통해 선박 화재 시 연기감지기 작동 전에 검출된 연기 데이터를 분석 및 활용하여 연기 확산 전에, 연기 확산 거리 예측을 통한 화재진압 및 피난활동 지원 알고리즘 개발을 위한 기초연구로 주요 연구 성과는 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 경제성 및 안전상의 이유로 선박에 실제 화재를 재현하기에 어려움이 있어, 본 연구에서 제안한 연기 확산거리 예측 모델의 학습 데이터를 확보하기 위하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다.
  • 이에 본 연구에서는 선내 화재 발생 시 연기감지기 작동 및 공간 전체에 연기가 확산되기 전에 확산거리를 예측하여 실제 화재 상황에서 활용 가능한 알고리즘을 제안하고자 한다. 이를 위해, 딥러닝 기반 객체 검출 알고리즘에 화재 시뮬레이션을 통한 연기 영상을 학습데이터로 적용 및 학습하여 검출된 연기 데이터로부터 연기 확산거리를 추정하였다.

가설 설정

  • 둘째, 화원의 크기는 가로, 세로 모두 0.5[m]로 설정하고, 선실화재 실험 데이터로부터 얻은 1, 680[kW]를 최대 열방출율로 적용하였고, Propane이 연소하는 것으로 가정하였다 (Arvidson et al., 2008). 또한 Fig.
  • 화재시뮬레이션은 FDS(Fire Dynamic Simulator, Ver. 6.5.3)를사용하였고, FDS에 의해 연산된 결과를 3차원으로 시각화하는 툴인 Smokeview를 통해 복도 끝에 CCTV가 위치한다고 가정하여 화재로 인한 연기 영상을 획득하였다(McGrattan et al., 2014). 수치해석 공간과 조건은 Fig.
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참고문헌 (17)

  1. Arvidson, M., J. Axelsson, and T. Hertzberg(2008) Large-scale fire tests in a passenger Cabin, SP Technical Research Institute of Sweden, Report, pp. 1-100. 

  2. Christopher, O.(2015), Understanding LSTM Networks, https://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/ 

  3. Hochreiter, S. and J. Schmidhuber(1997), Long short-term memory, Neural computation, Vol. 9, No. 8, pp. 1735-1780. 

  4. Hwang, K. I., I. K Cho., G. H. Yun, and B. Kim(2018), A comparison of the trainees' evacuation characteristics according to the indoor smoke-fullfill during the safety training on ship, Journal of the Kore Society of Marine Environment & Safety, Vol. 24, No. 4, pp. 422-429. 

  5. IMO(2000), International Maritime Organization, MSC.98(73), Adoption of the International Code for Fire Safety Sysem, p. 19. 

  6. Kim, B. and K. I. Hwang(2016), Smoke exhaust performance prediction according to air supply and exhaust conditions for shipboard fires from a human safety point of view, Journal of the Kore Society of Marine Environment & Safety, Vol. 22, No. 7, pp. 782-790. 

  7. Kim, B. and K. I. Hwang(2017), A Study on Crid Size and Generation Method for Fire Simulations for Ship Accommodation Areas, Journal of the Kore Society of Marine Environment & Safety, Vol. 23, No. 7, pp. 791-800. 

  8. Kim, Y. J. and H. C. Cho(2020), Detecting location of fire in video stream environment using deep learning, The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 69, No. 3, pp. 474-479. 

  9. KMST(2019), Korea Maritime Safety Tribunal, Statistics for the marine accidents (in Korean), https://www.kmst.go.kr/kmst/statistics/annualReport/selectAnnualReportList.do. 

  10. McGrattan, K., S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk, and K. Overholt(2014), Fire Dynamics Simulator FDS User's Guide, 6th ed., National Institute of Standards and Technology, p. 35. 

  11. Nazilly, M. L., B. Rahmat, and E. Y. Puspaningrum(2020), Implementation of YOLO Algorithm for Fire Detection, Jurnal Informatika dan Sistem Informasi, Vol. 1, No. 1, pp. 81-91. 

  12. NFPA(2005), National Fire Protection Association, Standard for smoke management systems in malls, atria and large area, NFPA 92B. 

  13. Park, K. M. and C. O. Bae(2019), A study on fire detection in ship engine rooms using convolutional neural network, Journal of the Kore Society of Marine Environment & Safety, Vol. 25, No. 4, pp. 476-481. 

  14. Redmon, J., S. Divvala, R. Girshick, and A. Farhadi(2016), You Only Look Onece: Unified, Real-Time Object Detection, In: CVPR. 

  15. Shim, S. B. and S. I. Choi(2019), Development on Identification Algorithm of Risk Situation around Construction Vechicle using YOLO-v3, Journal of Korea AcademiaIndustrial cooperation Society, Vol. 20, No. 7, pp. 622-629. 

  16. SOLAS(2015a), Regulation 3 Definitions, Chapter II-2 Construction-Fire Detection and Fire Extinction. 

  17. SOLAS(2015b), Regulation 13 Means of Escape, Chapter II-2 Construction-Fire Detection and Fire Extinction. 

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