KR102325137B1 - Apparatus and method for generating hybrid deep learning model for improving accuracy of fine dust prediction - Google Patents

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KR102325137B1 KR1020210003596A KR20210003596A KR102325137B1 KR 102325137 B1 KR102325137 B1 KR 102325137B1 KR 1020210003596 A KR1020210003596 A KR 1020210003596A KR 20210003596 A KR20210003596 A KR 20210003596A KR 102325137 B1 KR102325137 B1 KR 102325137B1
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유영환
악셀 기드온 맨가라
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Abstract

The present invention relates to an apparatus and method for generating a hybrid deep learning model to improve fine dust prediction accuracy. The apparatus collects fine dust measurement data, meteorological data, and gas data, pre-processes the collected data, analyzes how much each of the collected data affects a fine dust level using principal component analysis, calculates correlation coefficients between the collected data, selects data to be used for learning using the correlation coefficients between the collected data, learns with the selected data to build a hybrid deep learning model containing a one-dimensional convolutional neural network layer, a superposed autoencoder layer, and a superposed bidirectional LSTM layer, and predicts fine dust using the hybrid deep learning model.

Description

미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING HYBRID DEEP LEARNING MODEL FOR IMPROVING ACCURACY OF FINE DUST PREDICTION}Apparatus and method for generating a hybrid deep learning model to improve fine dust prediction accuracy

이하의 일 실시 예들은 미세먼지 예측을 정확도를 향상하기 위한 기술에 관한 것입니다.The following embodiments relate to a technique for improving the accuracy of fine dust prediction.

최근 몇 년간 건강에 악영향을 끼치는 미세먼지 수치가 증가함에 따라 미세먼지에 대한 사회적 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 단순히 미세먼지 수치를 측정하는 것이 아니라 미세먼지의 증감에 미리 대비하기 위해 그 수치를 예측하는 방법에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. As the level of fine dust that adversely affects health has increased in recent years, social interest in fine dust is increasing. Accordingly, many studies are being conducted on how to predict the fine dust level in advance to prepare for the increase or decrease of fine dust, rather than simply measuring the fine dust level.

그 중 대표적인 방법이 딥러닝 알고리즘이다. 딥러닝 알고리즘이란 인공지능 알고리즘의 한 종류로서 학습 데이터를 이용해 신경망을 학습시켜 미래의 값을 예측할 수 있는 알고리즘이다. 하지만 기존 딥러닝 알고리즘 모델들은 기온, 습도, 풍속 등의 다양한 기상요인들에 대한 고려가 부족하기 때문에 다양한 변수에 의해 변화하는 미세먼지 수치를 정확하게 예측하기 어렵다는 문제점이 있다.One of them is a deep learning algorithm. A deep learning algorithm is a type of artificial intelligence algorithm that can predict future values by learning a neural network using learning data. However, existing deep learning algorithm models have a problem in that it is difficult to accurately predict the level of fine dust that is changed by various variables because it lacks consideration of various weather factors such as temperature, humidity, and wind speed.

기존 미세먼지 수치 예측 연구에서 사용되는 딥러닝 모델들에는 크게 2가지 문제점이 존재한다. 첫 번째는 많은 양의 데이터가 중앙 집중식 딥러닝 구조에서 학습됨으로써 생기는 매우 느린 학습속도 문제이다. 중앙 집중형 구조를 사용할 경우 최악의 상황에는 데이터의 변화를 학습속도가 따라잡지 못함으로써 모델의 재교육이 필요한 경우가 생길 수도 있다. 두 번째는 미세먼지 및 기상학적 데이터에 노이즈가 있다는 사실을 고려하지 않는 것이다. 이런 노이즈는 데이터의 특성을 추출하는 데 있어서 방해가 되기 때문에 예측의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. There are two major problems with the deep learning models used in the existing fine dust level prediction research. The first is a very slow learning rate problem caused by large amounts of data being trained in a centralized deep learning structure. If a centralized structure is used, in the worst case, the learning rate cannot keep up with the changes in the data, so the model may need to be retrained. Second, it does not take into account the fact that there is noise in fine dust and meteorological data. Such noise can affect the accuracy of prediction because it interferes with extracting characteristics of the data.

본 발명은 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 분산 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for generating a distributed hybrid deep learning model for improving fine dust prediction accuracy.

본 발명의 일 실시 예에 따른 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치는, 미세먼지 측정 데이터, 기상 데이터 및 가스 데이터를 수집하는 수집부; 수집한 데이터들을 전처리 하는 전처리부; 주성분분석 기법을 사용하여 상기 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석하고, 상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 계산하고, 상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 이용해서 학습에 사용할 데이터를 선택하는 데이터 선택부; 선택된 데이터를 이용해서 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델로 학습하는 학습부; 및 상기 하이브리드 딥러닝 모델을 이용해서 미세먼지를 예측하는 예측부를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, an apparatus for generating a hybrid deep learning model for improving fine dust prediction accuracy includes: a collecting unit configured to collect fine dust measurement data, weather data, and gas data; a pre-processing unit for pre-processing the collected data; Analyze how each of the collected data affects the fine dust level using the principal component analysis technique, calculate the correlation coefficient between the collected data, and use the correlation coefficient between the collected data to learn a data selection unit for selecting data to be used; a learning unit for learning with a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, a nested autoencoder layer, and a nested bidirectional LSTM layer using the selected data; and a prediction unit for predicting fine dust using the hybrid deep learning model.

이때, 상기 전처리부는, 상기 수집된 데이터에서 누락된 값을 채우고, 상기 수집된 데이터의 표준화를 진행하여 전처리할 수 있다.In this case, the preprocessor may preprocess by filling in the missing values in the collected data and standardizing the collected data.

이때, 상기 데이터 선택부는, 상기 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석할 때, 상기 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치인 PM2.5와 PM10에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석할 수 있다.At this time, when the data selection unit analyzes how much each of the collected data affects the fine dust level, it analyzes how much each of the collected data affects the fine dust level PM2.5 and PM10 can do.

이때, 상기 데이터 선택부는, 상기 수집한 데이터들 중에서 미세먼지 수치인 PM2.5 또는 PM10와의 상관계수가 기설정된 값 이하이면 연관성이 낮다고 판단하고, 사용할 데이터에서 배제할 수 있다.In this case, if the correlation coefficient with PM2.5 or PM10, which is a value of fine dust among the collected data, is less than or equal to a preset value, the data selector may determine that the correlation is low and exclude it from data to be used.

이때, 상기 학습부는, 상기 선택된 데이터들 중에서 기설정된 데이터의 양을 학습 데이터로 이용하고, 나머지 데이터를 테스트 데이터로 이용할 수 있다.In this case, the learning unit may use a preset amount of data among the selected data as learning data and use the remaining data as test data.

이때, 상기 학습부는, 상기 선택된 데이터 중에서 미세먼지 측정 데이터들을 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 이용해서 처리하고, 상기 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 통해서 처리된 미세먼지 측정 데이터를 상기 중첩 양방향 LSTM 계층의 입력으로 하여 양방향 학습을 수행하고, 상기 선택된 데이터의 미세먼지 측정 데이터, 상기 선택된 데이터의 기상 데이터 및 상기 선택된 데이터의 가스 데이터를 이용해서 상기 중첩 오토인코더 계층에서 학습하고, 상기 중첩 양방향 LSTM 계층의 학습 결과와 상기 중첩 오토인코더 계층의 학습 결과를 결합하여 미세먼지를 예측하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성할 수 있다.At this time, the learning unit processes fine dust measurement data among the selected data using a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers, and receives the fine dust measurement data processed through the plurality of one-dimensional convolutional neural network layers as the input of the overlapping bidirectional LSTM layer. to perform interactive learning, learning in the overlapping autoencoder layer using fine dust measurement data of the selected data, weather data of the selected data, and gas data of the selected data, and learning result of the overlapping bidirectional LSTM layer and a hybrid deep learning model that predicts fine dust can be created by combining the learning results of the overlapping autoencoder layer.

본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 방법은, 미세먼지 측정 데이터, 기상 데이터 및 가스 데이터를 수집하는 단계; 수집한 데이터들을 전처리 하는 단계; 주성분분석 기법을 사용하여 상기 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석하는 단계; 상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 계산하는 단계; 상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 이용해서 학습에 사용할 데이터를 선택하는 단계; 선택된 데이터를 이용해서 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델로 학습하는 단계; 및 상기 하이브리드 딥러닝 모델을 이용해서 미세먼지를 예측하는 단계를 포함한다.A hybrid deep learning model generating method for improving fine dust prediction accuracy in a hybrid deep learning model generating apparatus according to an embodiment of the present invention includes: collecting fine dust measurement data, weather data, and gas data; pre-processing the collected data; analyzing how much each of the collected data affects the fine dust level by using a principal component analysis technique; calculating a correlation coefficient between the collected data; selecting data to be used for learning by using a correlation coefficient between the collected data; Learning with a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, a nested autoencoder layer, and a nested bidirectional LSTM layer using the selected data; and predicting fine dust using the hybrid deep learning model.

이때, 상기 수집한 데이터들을 전처리 하는 단계는, 상기 수집된 데이터에서 누락된 값을 채우는 단계; 및 상기 수집된 데이터의 표준화를 진행하는 단계를 포함할 수 있다.In this case, the pre-processing of the collected data may include: filling in missing values in the collected data; and standardizing the collected data.

이때, 상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 이용해서 학습에 사용할 데이터를 선택하는 단계는, 상기 수집한 데이터들 중에서 미세먼지 수치인 PM2.5 또는 PM10와의 상관계수가 기설정된 값 이하이면 연관성이 낮다고 판단하고, 사용할 데이터에서 배제하는 단계를 포함할 수 있다.At this time, in the step of selecting data to be used for learning by using the correlation coefficient between the collected data, if the correlation coefficient with PM2.5 or PM10, which is a fine dust level, is less than a preset value, the correlation is low. It may include determining and excluding from data to be used.

이때, 상기 선택된 데이터를 이용해서 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델로 학습하는 단계는, 상기 선택된 데이터 중에서 미세먼지 측정 데이터들을 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 이용해서 처리하는 단계; 상기 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 통해서 처리된 미세먼지 측정 데이터를 상기 중첩 양방향 LSTM 계층의 입력으로 하여 양방향 학습을 수행하는 단계; 상기 선택된 데이터의 미세먼지 측정 데이터, 상기 선택된 데이터의 기상 데이터 및 상기 선택된 데이터의 가스 데이터를 이용해서 상기 중첩 오토인코더 계층에서 학습하는 단계; 및 상기 중첩 양방향 LSTM 계층의 학습 결과와 상기 중첩 오토인코더 계층의 학습 결과를 결합하여 미세먼지를 예측하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.At this time, the step of learning with a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, an overlapping autoencoder layer, and an overlapping bidirectional LSTM layer using the selected data includes: processing using; performing interactive learning by using the fine dust measurement data processed through the plurality of one-dimensional convolutional neural network layers as an input of the overlapping bidirectional LSTM layer; learning in the superimposed autoencoder layer using fine dust measurement data of the selected data, weather data of the selected data, and gas data of the selected data; and generating a hybrid deep learning model for predicting fine dust by combining the learning result of the overlapping two-way LSTM layer and the learning result of the overlapping autoencoder layer.

본 발명은 미세먼지 측정 데이터, 기상 데이터 및 가스 데이터를 이용하는 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하여 미시먼지를 예측하기 때문에 정확도가 향상되는 효과를 가진다.The present invention predicts fine dust by generating a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, an overlapping autoencoder layer, and an overlapping bidirectional LSTM layer using fine dust measurement data, weather data, and gas data. have

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 여러 종류의 딥러닝 기법을 이용해서 미세먼지 예측을 위한 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하는 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 수집된 데이터들 간의 연관도를 히트맵으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 오토인코더의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중첩 양방향 LSTM 계층의 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 여러 종류의 딥러닝 기법을 이용해서 미세먼지 예측을 위한 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하는 과정을 도시한 흐름도이다.
1 is a diagram illustrating the configuration of an apparatus for generating a hybrid deep learning model according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of generating a hybrid deep learning model for fine dust prediction using various types of deep learning techniques in the hybrid deep learning model generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a degree of association between data collected in an apparatus for generating a hybrid deep learning model as a heat map according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an example of an autoencoder according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an example of an overlapping bidirectional LSTM layer according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a process of generating a hybrid deep learning model for improving fine dust prediction accuracy in an apparatus for generating a hybrid deep learning model according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a process of generating a hybrid deep learning model for fine dust prediction using various types of deep learning techniques in the hybrid deep learning model generating apparatus according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, since various changes may be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents and substitutes for the embodiments are included in the scope of the rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for the purpose of description only, and should not be construed as limiting. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In the description of the embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the components from other components, and the essence, order, or order of the components are not limited by the terms. When it is described that a component is “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, but another component is between each component. It will be understood that may also be "connected", "coupled" or "connected".

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components having a common function will be described using the same names in other embodiments. Unless otherwise stated, a description described in one embodiment may be applied to another embodiment, and a detailed description in the overlapping range will be omitted.

이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 분산 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치 및 방법을 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an apparatus and method for generating a distributed hybrid deep learning model for improving fine dust prediction accuracy according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7 .

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치의 구성을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating the configuration of an apparatus for generating a hybrid deep learning model according to an embodiment of the present invention.

도1을 참조하면, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 제어부(110), 수집부(111), 전처리부(112), 데이터 선택부(113), 학습부(114), 예측부(115), 통신부(120) 및 저장부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the hybrid deep learning model generating apparatus 100 includes a controller 110 , a collector 111 , a preprocessor 112 , a data selector 113 , a learner 114 , and a predictor 115 . ), the communication unit 120 and the storage unit 130 may be configured to include.

통신부(120)는 수신기(Receiver)와 송신기(transmitter)를 포함하는 통신 인터페이스 장치로서 통신부(120)는 유선 또는 무선으로 데이터를 송수신한다. 통신부(120)는 각 지역에 있는 미세먼지 측정 장치 또는 기상 데이터를 측정하는 기상청과 같은 곳과 통신하여 미세먼지 측정 데이터, 가스 데이터 및 기상 데이터를 수신할 수 있다.The communication unit 120 is a communication interface device including a receiver and a transmitter, and the communication unit 120 transmits and receives data by wire or wirelessly. The communication unit 120 may receive fine dust measurement data, gas data, and meteorological data by communicating with a fine dust measuring device in each region or a place such as a meteorological office that measures meteorological data.

저장부(130)는 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 운영체제, 응용 프로그램 및 저장용 데이터를 저장한다. 또한, 저장부(130)는 본 발명에 따라 수신한 미세먼지 측정 데이터, 가스 데이터 및 기상 데이터를 기설정된 기간 저장하고, 미세먼지 예측 데이터를 기설정된 기간 저장할 수 있다.The storage unit 130 stores an operating system for controlling the overall operation of the hybrid deep learning model generating apparatus 100 , an application program, and data for storage. In addition, the storage unit 130 may store the fine dust measurement data, gas data, and weather data received according to the present invention for a preset period, and store the fine dust prediction data for a preset period.

수집부(111)는 통신부(120)를 통해서 수신하는 미세먼지 측정 데이터, 기상 데이터 및 가스 데이터를 수집할 수 있다. 이때, 기상 데이터에는 강수량, 기온, 습도 등이 포함될 수 있고, 가스 데이터에는 오존, 아황산가스 등이 포함될 수 있다.The collection unit 111 may collect fine dust measurement data, weather data, and gas data received through the communication unit 120 . In this case, the meteorological data may include precipitation, temperature, humidity, and the like, and the gas data may include ozone, sulfur dioxide, and the like.

전처리부(112)는 수집한 데이터들을 전처리할 수 있다. 이때, 전처리부(112)는 수집된 데이터에서 누락된 값을 채우고, 수집된 데이터의 표준화를 진행하여 전처리할 수 있다. 여기서, 전처리부(112)에서 누락된 값을 채우는 방법으로는 같은 기간 내의 평균값으로 대체하는 방법 일 수 있다.The preprocessor 112 may preprocess the collected data. In this case, the preprocessor 112 may preprocess by filling in the missing values in the collected data and standardizing the collected data. Here, as a method of filling in the value missing in the preprocessor 112 , a method of replacing the value with an average value within the same period may be used.

데이터 선택부(113)는 주성분분석 기법(PCA; Principal Component Analysis)을 사용하여 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석하고, 수집한 데이터들 간의 상관계수를 계산하고, 수집한 데이터들 간의 상관계수를 이용해서 학습에 사용할 데이터를 선택할 수 있다.The data selection unit 113 analyzes how much each of the collected data affects the fine dust level by using a principal component analysis (PCA), calculates a correlation coefficient between the collected data, and collects Data to be used for learning can be selected by using the correlation coefficient between data sets.

데이터 선택부(113)는 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석할 때, 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치인 PM2.5와 PM10에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석할 수 있다.When analyzing how much each of the collected data affects the fine dust level, the data selection unit 113 can analyze how much each of the collected data affects the fine dust level PM2.5 and PM10. have.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 수집된 데이터들 간의 연관도를 히트맵으로 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating a degree of association between data collected in an apparatus for generating a hybrid deep learning model as a heat map according to an embodiment of the present invention.

도3을 참조하면, 수집된 데이터 각각의 특성들 간의 상관계수를 확인할 수 있다. 여기서 PM2.5와 PM10가 높은 연관도를 가지는 것을 확인할 수 있지만, 이 둘은 미세먼지의 서로 다른 종류이므로 본 발명에서 PM2.5를 예측하는 모델을 학습시킬 때는 PM10 데이터를 사용하지 않고 PM10을 예측하는 모델을 학습시킬 때는 PM2.5 데이터를 사용하지 않는다.Referring to FIG. 3 , a correlation coefficient between characteristics of each of the collected data may be confirmed. Here, it can be seen that PM2.5 and PM10 have a high correlation, but since these two are different types of fine dust, in the present invention, when the model predicting PM2.5 is trained, PM10 is predicted without using PM10 data. PM2.5 data is not used when training the model.

기온(Temp) 특성이 매우 낮은 상관계수 절댓값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이는 기온이 미세먼지 수치에 크게 영향을 끼치지 않는다는 것을 의미한다. 이에 따라 기온 특성은 학습에 사용하지 않을 수 있다.It can be seen that the temperature (Temp) characteristic has a very low absolute value of the correlation coefficient. This means that temperature does not significantly affect fine dust levels. Accordingly, the temperature characteristic may not be used for learning.

또한 기상 및 가스 데이터 간에는 낮은 연관도를 가지고 있고 각 데이터는 대체 불가능한 정보이므로 학습에 그대로 사용하도록 할 수 있다.In addition, since there is a low correlation between weather and gas data and each data is irreplaceable information, it can be used as it is for learning.

이와 같이 본 발명에서는 주성분 분석 기법을 통해 기상 데이터와 가스 데이터가 미세먼지 수치에 끼치는 영향을 수치적으로 정확히 파악하고 활용함으로써 미세먼지 수치 예측의 정확도와 학습 속도를 개선할 수 있다.As described above, in the present invention, accuracy and learning speed of predicting fine dust levels can be improved by numerically accurately grasping and utilizing the effects of weather data and gas data on fine dust levels through the principal component analysis technique.

데이터 선택부(113)는 아래의 <수학식 1>을 참조하여 수집한 데이터들 간의 상관계수를 계산할 수 있다.The data selection unit 113 may calculate a correlation coefficient between the collected data with reference to Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021003530211-pat00001
Figure 112021003530211-pat00001

여기서, δ는 상관 계수 이고, ai와 bi는 i번째 모니터링 지역에서의 수집한 데이터 각각을 나타낸다.Here, δ is the correlation coefficient, and a i and b i represent the data collected in the i-th monitoring area, respectively.

상관계수 δ의 절댓값이 1에 가까울수록 두 변수 간의 연관도가 높다는 것을 나타낸다.The closer the absolute value of the correlation coefficient δ to 1, the higher the correlation between the two variables.

데이터 선택부(113)는 수집한 데이터들 중에서 미세먼지 수치인 PM2.5 또는 PM10와의 상관계수가 기설정된 값 이하이면 연관성이 낮다고 판단하고, 사용할 데이터에서 배제할 수 있다. 이러한 데이터 선택부(113)의 주성분분석 기능은 데이터의 양이 충분히 많지 않을 때 딥러닝 학습 모델의 정확성을 향상시키는 효과가 있다. 미세먼지에 미치는 환경적 영향은 지역별로 다르기 때문에 어떤 지역의 미세먼지 수치를 예측하기 위해서는 해당 지역에서 매우 오랜 시간 동안 데이터를 수집해야 하는데, 미세먼지 수치 예측이 필요한 모든 지역에서 이렇게 오랫동안 데이터를 수집한다는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 주성분분석 기능은 매우 유용하다.If the correlation coefficient with PM2.5 or PM10, which is a value of fine dust among the collected data, is less than or equal to a preset value, the data selection unit 113 may determine that the correlation is low and exclude it from data to be used. The principal component analysis function of the data selection unit 113 has the effect of improving the accuracy of the deep learning learning model when the amount of data is not large enough. Since the environmental impact on fine dust varies from region to region, it is necessary to collect data for a very long time in that region to predict the level of fine dust in a certain region. Since this is practically impossible, the principal component analysis function is very useful.

학습부(114)는 선택된 데이터를 이용해서 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델로 학습할 수 있다.The learning unit 114 may learn by using the selected data as a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, a nested autoencoder layer, and an overlapped bidirectional LSTM layer.

학습부(114)는 선택된 데이터들 중에서 기설정된 데이터의 양을 학습 데이터로 이용하고, 나머지 데이터를 테스트 데이터로 이용할 수 있다.The learning unit 114 may use a preset amount of data among the selected data as training data and use the remaining data as test data.

보다 구체적으로 학습부(114)는 선택된 데이터 중에서 미세먼지 측정 데이터들을 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 이용해서 처리하고, 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 통해서 처리된 미세먼지 측정 데이터를 중첩 양방향 LSTM 계층의 입력으로 하여 시계열 데이터의 시간 양방향으로의 특징을 학습하고, 선택된 데이터의 미세먼지 측정 데이터, 선택된 데이터의 기상 데이터 및 선택된 데이터의 가스 데이터를 이용해서 중첩 오토인코더로 그 특징들을 뽑아내어, 중첩 양방향 LSTM 계층의 학습 결과와 결합하여 미세먼지를 예측하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성할 수 있다.More specifically, the learning unit 114 processes fine dust measurement data from among the selected data using a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers, and superimposes fine dust measurement data processed through a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers. Input of the bidirectional LSTM layer to learn the characteristics of time series data in both directions, and extract the features using the superimposed autoencoder using the fine dust measurement data of the selected data, the weather data of the selected data, and the gas data of the selected data, and overlap the bidirectional LSTM layer. A hybrid deep learning model that predicts fine dust can be created by combining it with the learning results of

학습부(114)는 아래 도 2의 예와 같이 미세먼지를 예측하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성할 수 있다.The learning unit 114 may generate a hybrid deep learning model for predicting fine dust as shown in the example of FIG. 2 below.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 여러 종류의 딥러닝 기법을 이용해서 미세먼지 예측을 위한 학습을 진행하는 구성을 도시한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of performing learning for fine dust prediction using various types of deep learning techniques in the hybrid deep learning model generating apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 학습부(114)는 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층(210), 중첩 양방향 LSTM 계층(220), 중첩 오토인코더 계층(230) 및 결합부(240)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 2 , the learning unit 114 may include a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers 210 , an overlapping bidirectional LSTM layer 220 , an overlapping autoencoder layer 230 , and a combiner 240 . .

중첩 오토인코더 계층(230)는 선택된 데이터의 미세먼지 측정 데이터, 선택된 데이터의 기상 데이터 및 선택된 데이터의 가스 데이터의 특징을 추출한다.The overlapping autoencoder layer 230 extracts features of fine dust measurement data of the selected data, weather data of the selected data, and gas data of the selected data.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 오토인코더의 예를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating an example of an autoencoder according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 오토인코더는 크게 인코딩부(410) 디코딩부(420)의 2가지 단계로 구분되는데 인코딩부(410)에서는 비지도적인 학습을 통해 입력 데이터(401)을 히든 데이터(402)로 인코딩하여 추상적인 특징을 추출하고 디코딩부(420)에서는 이 특징들을 통해 원본 데이터(403)를 재구성할 수 있다.Referring to FIG. 4, the autoencoder is largely divided into two stages: the encoding unit 410 and the decoding unit 420. The encoding unit 410 converts the input data 401 to the hidden data 402 through unsupervised learning. By encoding , abstract features are extracted, and the decoding unit 420 can reconstruct the original data 403 through these features.

오토인코더의 네트워크의 특징 학습 함수는

Figure 112021003530211-pat00002
이고,
Figure 112021003530211-pat00003
는 인코더 함수이다. 그리고 디코더 함수는
Figure 112021003530211-pat00004
로 나타낼 수 있다. 특징 벡터 h는 원본 입력 데이터의 압축된 표현으로 아래 <수학식 2>와 같을 수 있다.The feature learning function of the autoencoder's network is
Figure 112021003530211-pat00002
ego,
Figure 112021003530211-pat00003
is the encoder function. And the decoder function is
Figure 112021003530211-pat00004
can be expressed as The feature vector h is a compressed representation of the original input data, and may be as in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021003530211-pat00005
Figure 112021003530211-pat00005

여기서,

Figure 112021003530211-pat00006
는 i번째 모니터링 지역의 가스 데이터와 기상 데이터의 특징이다. 따라서 인코딩 함수
Figure 112021003530211-pat00007
는 입력 데이터의 숨겨진 PM2.5와 PM10의 핵심 정보에 대해 학습하였으므로 미세먼지 학습 모델링을 보조할 수 있다. here,
Figure 112021003530211-pat00006
is a characteristic of the gas data and meteorological data of the i-th monitoring area. So the encoding function
Figure 112021003530211-pat00007
learned about the core information of PM2.5 and PM10 hidden in the input data, so it can assist with fine dust learning modeling.

Figure 112021003530211-pat00008
는 오토인코더의 가중치 제한 변수로서 PM2.5와 PM10의 예측에 관련이 적은 요소들이나 기상학적 정보를 적게 담고 있는 요소들의 가중치를 제한함으로써 그 특성들을 무시할 수 있다.
Figure 112021003530211-pat00008
As a weight limiting variable of the autoencoder, its characteristics can be ignored by limiting the weights of factors that are not related to the prediction of PM2.5 and PM10 or that contain little meteorological information.

종래에는 PM2.5 시계열 데이터와 기상 데이터, 가스 데이터를 동시에 모델링하는 데 실패했지만, 본 발명에서는 중첩 오토인코더 계층을 사용하여 이를 모델링한다. 이를 통해서 기상 데이터와 가스 데이터가 미세먼지 시계열 데이터에 미치는 영향을 더욱 자세하게 학습하고 예측 정확도를 개선할 수 있다.Conventionally, it has failed to simultaneously model PM2.5 time series data, weather data, and gas data, but in the present invention, it is modeled using an overlapping autoencoder layer. Through this, it is possible to learn more about the effects of weather data and gas data on fine dust time series data and to improve prediction accuracy.

복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층(210)는 선택된 데이터 중에서 미세먼지 측정 데이터들을 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 이용해서 처리한다.The plurality of one-dimensional convolutional neural network layers 210 processes fine dust measurement data among selected data using a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers.

중첩 양방향 LSTM 계층(220)는 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 통해서 처리된 미세먼지 측정 데이터를 중첩 양방향 LSTM 계층의 입력으로 하여 양방향 학습을 수행한다.The overlapped bidirectional LSTM layer 220 performs interactive learning by using fine dust measurement data processed through a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers as an input of the overlapping bidirectional LSTM layer.

미세먼지 데이터는 시계열 데이터이기 때문에 예측 알고리즘을 구현할 때 시간 의존적인 모델링 방법을 취하게 된다. 이전 PM2.5 수치를 예측하는데 FNN(Feed-forward neural networks) 모델이 많이 사용되었지만 FNN 모델은 시간 의존성 문제를 고려하지 않아 정확한 예측이 불가능했다. 이후 RNN(Recuurent Neural Networks) 알고리즘이 제시되었지만 RNN도 대용량 시계열 데이터를 통한 예측 문제에 있어서 좋지 않은 성능을 보여주는데 이는 시계열 데이터의 크기가 커질 수록 학습이 과거 데이터에 크게 의존하게 되어 정확도가 떨어지게 되는 장기 의존성 문제가 발생하기 때문이다.Since the fine dust data is time series data, a time-dependent modeling method is taken when implementing the prediction algorithm. Previously, feed-forward neural networks (FNN) models were widely used to predict PM2.5 values, but the FNN model did not consider the time dependence problem, so accurate prediction was impossible. Since then, RNN (Recuurent Neural Networks) algorithm has been proposed, but RNN also shows poor performance in prediction problems with large time series data. because problems arise.

미세먼지 데이터는 한 방향으로 흐르는 시계열 데이터이지만 하루 단위, 일주일 단위, 한 달 단위 등의 단위 시간적 패턴을 가진다. 이러한 특성을 예측에 사용한다면 특정 일의 미세먼지 예측을 위해서 그 전날의 미세먼지 패턴뿐만 아니라 그 다음 날의 미세먼지 패턴도 사용한다면 더 효과적인 예측이 될 것이다. 하지만 기본 LSTM 구조는 한 방향으로만 학습을 진행하기 때문에 미세먼지 데이터의 이러한 특성을 활용할 수 없다. 따라서 보다 정확한 예측을 위해서는 추가적인 방향으로의 학습이 필요하다.Although fine dust data is time series data that flows in one direction, it has unit temporal patterns such as daily, weekly, and monthly units. If these characteristics are used for prediction, it will be more effective to predict fine dust on a specific day if not only the fine dust pattern of the previous day but also the fine dust pattern of the next day is used. However, since the basic LSTM structure learns in only one direction, this characteristic of fine dust data cannot be utilized. Therefore, learning in an additional direction is required for more accurate prediction.

본 발명은 아래 도 5의 중첩 양방향 LSTM 계층을 이용할 수 있다.The present invention may use the overlapping bidirectional LSTM layer of FIG. 5 below.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중첩 양방향 LSTM 계층의 예를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating an example of an overlapping bidirectional LSTM layer according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 중첩 양방향 LSTM 계층은 전방향 LSTM(521, 523, 525)와 역방향 LSTM(531, 533, 535)을 이용해서 서로에게 영향을 미치지 않고 입력 데이터(511, 513, 525)를 독립적으로 양방향으로 학습을 진행하고, 학습이 끝난 후 통합되어 출력 데이터(541, 543, 545)를 생성한다.Referring to FIG. 5, the overlapping bidirectional LSTM layer uses forward LSTMs 521, 523, and 525 and backward LSTMs 531, 533, and 535 to transmit input data 511, 513, and 525 without affecting each other. Learning is conducted in both directions independently, and after learning is completed, the output data 541 , 543 , and 545 are generated by being integrated.

도 5와 같은 양방향으로의 학습을 통해서 노드는 과거와 미래의 데이터로부터 정보를 얻을 수 있는데 이를 통해서 전방향 패턴에만 기반하지 않고 역방향으로부터의 패턴을 활용할 수 있다. 이를 통해서 한 방향의 기본 LSTM에서 발생하는 문제점을 해결하고 예측의 정확도를 개선할 수 있다.Through bidirectional learning as shown in FIG. 5 , a node can obtain information from past and future data, and through this, it is possible to utilize a pattern from the reverse direction rather than based only on the forward pattern. In this way, it is possible to solve the problems that occur in the basic LSTM of one direction and improve the accuracy of prediction.

결합부(240)는 중첩 양방향 LSTM 계층의 학습 결과와 중첩 오토인코더 계층의 학습 결과를 결합하여 미세먼지를 예측하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성할 수 있다. 즉, 오토인코더로 추출한 가스 데이터와 기상 데이터의 특징을 이용하여 아직 오지 않은 미래 시점의 가스 데이터와 기상 데이터를 만들어내고 이를 기반으로 LSTM으로 학습한 미세먼지 예측 알고리즘이 미세먼지를 예측한다. The combiner 240 may generate a hybrid deep learning model for predicting fine dust by combining the learning result of the overlapping bidirectional LSTM layer and the learning result of the overlapping autoencoder layer. In other words, using the characteristics of gas data and weather data extracted by the autoencoder, gas data and weather data of a future point in time that have not yet arrived are created, and the fine dust prediction algorithm learned by LSTM based on this predicts fine dust.

예측부(115)는 생성된 하이브리드 딥러닝 모델을 이용해서 미세먼지를 예측할 수 있다.The prediction unit 115 may predict fine dust using the generated hybrid deep learning model.

제어부(110)는 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 그리고, 제어부(110)는 수집부(111), 전처리부(112), 데이터 선택부(113), 학습부(114) 및 예측부(115)의 기능을 수행할 수 있다. 제어부(110), 수집부(111), 전처리부(112), 데이터 선택부(113), 학습부(114) 및 예측부(115)를 구분하여 도시한 것은 각 기능들을 구별하여 설명하기 위함이다. 따라서 제어부(110)는 수집부(111), 전처리부(112), 데이터 선택부(113), 학습부(114) 및 예측부(115) 각각의 기능을 수행하도록 구성된(configured) 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 제어부(110)는 수집부(111), 전처리부(112), 데이터 선택부(113), 학습부(114) 및 예측부(115) 각각의 기능 중 일부를 수행하도록 구성된(configured) 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. The controller 110 may control the overall operation of the hybrid deep learning model generating apparatus 100 . In addition, the control unit 110 may perform the functions of the collecting unit 111 , the preprocessing unit 112 , the data selecting unit 113 , the learning unit 114 , and the predicting unit 115 . The control unit 110 , the collection unit 111 , the preprocessor 112 , the data selection unit 113 , the learning unit 114 , and the prediction unit 115 are separately illustrated to describe each function separately. . Therefore, the control unit 110 is at least one processor configured to perform the respective functions of the collecting unit 111 , the preprocessing unit 112 , the data selecting unit 113 , the learning unit 114 , and the predicting unit 115 . may include. In addition, the control unit 110 is configured to perform at least some of the functions of the collection unit 111 , the preprocessor 112 , the data selection unit 113 , the learning unit 114 , and the prediction unit 115 , respectively. It may include one processor.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 방법을 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method according to the present invention configured as described above will be described with reference to the drawings below.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하는 과정을 도시한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a process of generating a hybrid deep learning model for improving fine dust prediction accuracy in an apparatus for generating a hybrid deep learning model according to an embodiment of the present invention.

도6을 참조하면, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 미세먼지 측정 데이터, 기상 데이터 및 가스 데이터를 수집한다(610).Referring to FIG. 6 , the hybrid deep learning model generating apparatus 100 collects fine dust measurement data, weather data, and gas data ( 610 ).

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 수집한 데이터들을 전처리 한다(620). 이때, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 수집된 데이터에서 누락된 값을 채우고, 수집된 데이터의 표준화를 진행할 수 있다.Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 pre-processes the collected data ( 620 ). In this case, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 may fill in the missing values in the collected data and standardize the collected data.

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 주성분분석 기법을 사용하여 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석한다(630). 이때, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치인 PM2.5와 PM10에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석하고, 수집한 데이터들 중에서 미세먼지 수치인 PM2.5 또는 PM10와의 상관계수가 기설정된 값 이하이면 연관성이 낮다고 판단하고, 사용할 데이터에서 배제할 수 있다.Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 analyzes how much each of the data collected using the principal component analysis technique affects the fine dust level ( 630 ). At this time, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 analyzes how much each of the collected data affects PM2.5 and PM10 which are fine dust values, and PM2.5 or PM10 which is the fine dust values among the collected data. If the correlation coefficient is less than or equal to a preset value, it is determined that the correlation is low and may be excluded from data to be used.

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 수집한 데이터들 간의 상관계수를 계산한다(640).Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 calculates a correlation coefficient between the collected data ( 640 ).

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 수집한 데이터들 간의 상관계수를 이용해서 학습에 사용할 데이터를 선택한다(650).Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 selects data to be used for learning by using a correlation coefficient between the collected data ( 650 ).

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 선택된 데이터를 이용해서 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성한다(660). 이때, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 선택된 데이터들 중에서 기설정된 데이터의 양을 학습 데이터로 이용하고, 나머지 데이터를 테스트 데이터로 이용할 수 있다.Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 generates a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, a nested autoencoder layer, and an overlapped bidirectional LSTM layer using the selected data ( 660 ). In this case, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 may use a preset amount of data among the selected data as training data and use the remaining data as test data.

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 생성된 하이브리드 딥러닝 모델을 이용해서 미세먼지를 예측한다(670).Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 predicts fine dust using the generated hybrid deep learning model ( 670 ).

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 여러 종류의 딥러닝 기법을 이용해서 미세먼지 예측을 위한 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하는 과정을 도시한 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a process of generating a hybrid deep learning model for fine dust prediction using various types of deep learning techniques in the hybrid deep learning model generating apparatus according to an embodiment of the present invention.

도7을 참조하면, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 선택된 데이터 중에서 미세먼지 측정 데이터들을 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 이용해서 처리한다(710).Referring to FIG. 7 , the hybrid deep learning model generating apparatus 100 processes fine dust measurement data among selected data using a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers ( 710 ).

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 통해서 처리된 미세먼지 측정 데이터를 중첩 양방향 LSTM 계층의 입력으로 하여 양방향 학습을 수행한다(720).Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 performs interactive learning by using fine dust measurement data processed through a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers as an input of the overlapping bidirectional LSTM layer (720).

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 선택된 데이터의 미세먼지 측정 데이터, 선택된 데이터의 기상 데이터 및 선택된 데이터의 가스 데이터를 이용해서 중첩 오토인코더 계층에서 학습한다(730).Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 learns from the superimposed autoencoder layer using the fine dust measurement data of the selected data, the weather data of the selected data, and the gas data of the selected data ( 730 ).

그리고, 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치(100)는 중첩 양방향 LSTM 계층의 학습 결과와 중첩 오토인코더 계층의 학습 결과를 결합하여 미세먼지를 예측하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성한다(740).Then, the hybrid deep learning model generating apparatus 100 generates a hybrid deep learning model for predicting fine dust by combining the learning result of the overlapping bidirectional LSTM layer and the learning result of the overlapping autoencoder layer ( 740 ).

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드 뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and carry out program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. , or may be permanently or temporarily embody in a transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems, and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

100: 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치
110: 제어부
111: 수집부
112: 전처리부
113: 데이터 선택부
114: 학습부
115: 예측부
120: 통신부
130: 저장부
100: Hybrid deep learning model generation device
110: control unit
111: collection unit
112: preprocessor
113: data selection unit
114: study department
115: prediction unit
120: communication department
130: storage

Claims (10)

미세먼지 측정 데이터, 기상 데이터 및 가스 데이터를 수집하는 수집부;
수집한 데이터들을 전처리 하는 전처리부;
주성분분석 기법을 사용하여 상기 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석하고, 상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 계산하고, 상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 이용해서 학습에 사용할 데이터를 선택하는 데이터 선택부;
선택된 데이터를 이용해서 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델로 학습하는 학습부; 및
상기 하이브리드 딥러닝 모델을 이용해서 미세먼지를 예측하는 예측부
를 포함하고,
상기 학습부는,
상기 선택된 데이터 중에서 미세먼지 측정 데이터들을 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 이용해서 처리하고,
상기 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 통해서 처리된 미세먼지 측정 데이터를 상기 중첩 양방향 LSTM 계층의 입력으로 하여 양방향 학습을 수행하고,
상기 선택된 데이터의 미세먼지 측정 데이터, 상기 선택된 데이터의 기상 데이터 및 상기 선택된 데이터의 가스 데이터를 이용해서 상기 중첩 오토인코더 계층에서 학습하고,
상기 중첩 양방향 LSTM 계층의 학습 결과와 상기 중첩 오토인코더 계층의 학습 결과를 결합하여 미세먼지를 예측하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하는
미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치.
a collection unit for collecting fine dust measurement data, weather data, and gas data;
a pre-processing unit for pre-processing the collected data;
Analyze how each of the collected data affects the fine dust level using the principal component analysis technique, calculate the correlation coefficient between the collected data, and use the correlation coefficient between the collected data to learn a data selection unit for selecting data to be used;
a learning unit for learning with a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, a nested autoencoder layer, and a nested bidirectional LSTM layer using the selected data; and
Prediction unit that predicts fine dust using the hybrid deep learning model
including,
The learning unit,
Process fine dust measurement data among the selected data using a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers,
Bidirectional learning is performed by using the fine dust measurement data processed through the plurality of one-dimensional convolutional neural network layers as an input of the overlapping bidirectional LSTM layer,
Learning in the superimposed autoencoder layer using fine dust measurement data of the selected data, weather data of the selected data, and gas data of the selected data,
Creating a hybrid deep learning model that predicts fine dust by combining the learning result of the overlapping bidirectional LSTM layer and the learning result of the overlapping autoencoder layer
Hybrid deep learning model generation device to improve fine dust prediction accuracy.
제1항에 있어서,
상기 전처리부는,
상기 수집된 데이터에서 누락된 값을 채우고, 상기 수집된 데이터의 표준화를 진행하여 전처리하는
미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치.
According to claim 1,
The preprocessor is
Pre-processing by filling in the missing values in the collected data and standardizing the collected data
Hybrid deep learning model generation device to improve fine dust prediction accuracy.
제1항에 있어서,
상기 데이터 선택부는,
상기 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석할 때, 상기 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치인 PM2.5와 PM10에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석하는
미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치.
According to claim 1,
The data selection unit,
When analyzing how much each of the collected data affects the fine dust level, it is a method to analyze how much each of the collected data affects the fine dust level PM2.5 and PM10.
Hybrid deep learning model generation device to improve fine dust prediction accuracy.
제1항에 있어서,
상기 데이터 선택부는,
상기 수집한 데이터들 중에서 미세먼지 수치인 PM2.5 또는 PM10와의 상관계수가 기설정된 값 이하이면 연관성이 낮다고 판단하고, 사용할 데이터에서 배제하는
미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치.
According to claim 1,
The data selection unit,
Among the collected data, if the correlation coefficient with PM2.5 or PM10, which is the value of fine dust, is less than a preset value, it is determined that the correlation is low and excluded from the data to be used.
Hybrid deep learning model generation device to improve fine dust prediction accuracy.
제1항에 있어서,
상기 학습부는,
상기 선택된 데이터들 중에서 기설정된 데이터의 양을 학습 데이터로 이용하고, 나머지 데이터를 테스트 데이터로 이용하는
미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치.
According to claim 1,
The learning unit,
Among the selected data, a preset amount of data is used as training data, and the remaining data is used as test data.
Hybrid deep learning model generation device to improve fine dust prediction accuracy.
삭제delete 미세먼지 측정 데이터, 기상 데이터 및 가스 데이터를 수집하는 단계;
수집한 데이터들을 전처리 하는 단계;
주성분분석 기법을 사용하여 상기 수집한 데이터들 각각이 미세먼지 수치에 얼마나 영향을 끼치는지를 분석하는 단계;
상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 계산하는 단계;
상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 이용해서 학습에 사용할 데이터를 선택하는 단계;
선택된 데이터를 이용해서 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델로 학습하는 단계; 및
상기 하이브리드 딥러닝 모델을 이용해서 미세먼지를 예측하는 단계
를 포함하고,
상기 선택된 데이터를 이용해서 일차원 컨벌루션 신경망 계층, 중첩 오토인코더 계층 및 중첩 양방향 LSTM 계층을 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델로 학습하는 단계는,
상기 선택된 데이터 중에서 미세먼지 측정 데이터들을 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 이용해서 처리하는 단계;
상기 복수개의 일차원 컨벌루션 신경망 계층을 통해서 처리된 미세먼지 측정 데이터를 상기 중첩 양방향 LSTM 계층의 입력으로 하여 양방향 학습을 수행하는 단계;
상기 선택된 데이터의 미세먼지 측정 데이터, 상기 선택된 데이터의 기상 데이터 및 상기 선택된 데이터의 가스 데이터를 이용해서 상기 중첩 오토인코더 계층에서 학습하는 단계; 및
상기 중첩 양방향 LSTM 계층의 학습 결과와 상기 중첩 오토인코더 계층의 학습 결과를 결합하여 미세먼지를 예측하는 하이브리드 딥러닝 모델을 생성하는 단계
를 포함하는
하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 방법.
collecting fine dust measurement data, weather data, and gas data;
pre-processing the collected data;
analyzing how much each of the collected data affects the fine dust level by using a principal component analysis technique;
calculating a correlation coefficient between the collected data;
selecting data to be used for learning by using a correlation coefficient between the collected data;
Learning with a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, a nested autoencoder layer, and a nested bidirectional LSTM layer using the selected data; and
Predicting fine dust using the hybrid deep learning model
including,
The step of learning with a hybrid deep learning model including a one-dimensional convolutional neural network layer, a nested autoencoder layer, and a nested bidirectional LSTM layer using the selected data includes:
processing fine dust measurement data among the selected data using a plurality of one-dimensional convolutional neural network layers;
performing interactive learning by using the fine dust measurement data processed through the plurality of one-dimensional convolutional neural network layers as an input of the overlapping bidirectional LSTM layer;
learning in the superimposed autoencoder layer using fine dust measurement data of the selected data, weather data of the selected data, and gas data of the selected data; and
Generating a hybrid deep learning model for predicting fine dust by combining the learning result of the overlapping bidirectional LSTM layer and the learning result of the overlapping autoencoder layer
containing
Hybrid deep learning model generation method to improve fine dust prediction accuracy in hybrid deep learning model generation device.
제7항에 있어서,
상기 수집한 데이터들을 전처리 하는 단계는,
상기 수집된 데이터에서 누락된 값을 채우는 단계; 및
상기 수집된 데이터의 표준화를 진행하는 단계
를 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 방법.
8. The method of claim 7,
The step of pre-processing the collected data is,
filling in missing values in the collected data; and
Standardization of the collected data
A hybrid deep learning model generation method for improving the accuracy of fine dust prediction in a hybrid deep learning model generation device comprising a.
제7항에 있어서,
상기 수집한 데이터들 간의 상관계수를 이용해서 학습에 사용할 데이터를 선택하는 단계는,
상기 수집한 데이터들 중에서 미세먼지 수치인 PM2.5 또는 PM10와의 상관계수가 기설정된 값 이하이면 연관성이 낮다고 판단하고, 사용할 데이터에서 배제하는 단계
를 포함하는 하이브리드 딥러닝 모델 생성 장치에서 미세먼지 예측 정확도 향상을 위한 하이브리드 딥러닝 모델 생성 방법.
8. The method of claim 7,
The step of selecting data to be used for learning by using the correlation coefficient between the collected data includes:
Determining that the correlation with PM2.5 or PM10, which is a value of fine dust among the collected data, is less than a preset value, determining that the correlation is low, and excluding from the data to be used
A hybrid deep learning model generation method for improving the accuracy of fine dust prediction in a hybrid deep learning model generation device comprising a.
삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102504412B1 (en) * 2022-08-05 2023-03-02 순천향대학교 산학협력단 Apparatus and method for fine dust sensor calibration based on machine learning

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KR20200052425A (en) * 2018-10-25 2020-05-15 삼성에스디에스 주식회사 Method for analyzing time series data, determining a key influence variable and apparatus supporting the same
KR20200131141A (en) * 2019-05-13 2020-11-23 숭실대학교산학협력단 Method and apparatus for predicting ultrafine dust information

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