KR102408444B1 - Method and System of virtually monitoring indoor-air-quality using Artificial Neural Network - Google Patents

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Abstract

본 개시의 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법은, 컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되는 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법으로서, 대상 실내 공간 내의 일부 구역에 설치된 적어도 하나의 센서를 이용하여 실내공기질 데이터를 검출하는 제1 단계, 및 상기 검출된 실내공기질 데이터를 기계학습된 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)에 입력하여 상기 대상 실내 공간의 전 구역의 실내공기질 데이터를 예측하는 제2 단계를 포함한다.The virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network of the present disclosure is a virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network performed by a computing device, and uses at least one sensor installed in a partial area within a target indoor space to collect indoor air quality data. A first step of detecting, and a second step of predicting indoor air quality data of the entire area of the target indoor space by inputting the detected indoor air quality data into a machine-learned artificial neural network (ANN).

Figure R1020200155792
Figure R1020200155792

Description

인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법 및 시스템{Method and System of virtually monitoring indoor-air-quality using Artificial Neural Network}{Method and System of virtually monitoring indoor-air-quality using Artificial Neural Network}

본 발명은 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a virtual indoor air quality monitoring method and system using an artificial neural network.

현대사회 시민들의 행동패턴을 분석한 "The National Human Activity Pattern Survey, 2001, U.S. Environmental Protection Agency" 자료에 의하면 실외 근무 종사자 이외의 일반 현대인들은 평균 89% 이상의 시간을 실내에서 거주하며, 차량 이용과 같은 특수 조건을 고려하면 평균 94.5% 이상의 시간을 실내 환경에 노출되고 있다.According to the data of "The National Human Activity Pattern Survey, 2001, U.S. Environmental Protection Agency," which analyzed the behavioral patterns of citizens in modern society, ordinary modern people, other than outdoor workers, spend an average of 89% or more of their time indoors. Considering the special conditions, on average, more than 94.5% of the time is exposed to the indoor environment.

한국건설기술연구원에 따르면, 실내의 다양한 활동으로 발생하는 미세먼지, 이산화탄소, VOCs 등과 실외에서 유입되는 오염원으로 인해 일반적으로 실내공기는 외부환경보다 최대 10배까지 오염되어 있다고 한다. WHO 보고서에 의하면 실내에서 방출되는 오염물질이 실외에서 보다 사람의 폐에 전달될 확률이 1,000배가 높으며, 실내오염도를 20%만 줄여도 급성기관지질환 사망률을 최소한 4~8% 감소시킬 수 있다고 한다.According to the Korea Institute of Construction Technology, indoor air is generally up to 10 times more polluted than the outdoor environment due to pollution sources such as fine dust, carbon dioxide, and VOCs generated by various indoor activities. According to the WHO report, pollutants emitted indoors are 1,000 times more likely to be transmitted to the human lungs than outdoors.

따라서 쾌적한 실내환경 조성과 재실자의 건강유지를 위하여, 실내공기질의 관리는 필수적으로 요구되고 있다. 환기, 공기정화장치, 에어가전 등을 통해 실시간으로 실내공기질을 관리하고 에너지 절약을 위하여, 실내공기질 모니터링의 필요성은 점차로 증대되고 있는 형편이다.Therefore, in order to create a comfortable indoor environment and maintain the health of occupants, management of indoor air quality is essential. In order to manage indoor air quality in real time through ventilation, air purifiers, and air appliances, and to save energy, the need for indoor air quality monitoring is gradually increasing.

실내공기질 모니터링을 위한 센싱 기술은 급속히 발전되었으며, 체계적으로 분석하기 위한 공간 실내 환경 데이터(예: IAQ 측정)를 제공하기 위해 더 많은 센서를 건물에 배치하고 있고, 또한 실내공기를 예측하기 위한 유체해석 기법이 개발되고 있다.Sensing technology for indoor air quality monitoring has developed rapidly, and more sensors are being deployed in buildings to provide spatial indoor environmental data (eg, IAQ measurement) for systematic analysis, and fluid analysis to predict indoor air technique is being developed.

Computational Fluid Dynamics (CFD)은 실내 공기 흐름 및 오염 물질 분포를 예측하는데 널리 적용되고 있으며, 실내 환경, 즉 기류 패턴 및 오염 물질 분포 현상을 효율적으로 예측할 수 있다는 이점이 있다. 그러나 환기 조건, 풍량, 미세먼지의 위치 및 농도가 자주 변경됨에 따라 신속하게 유체해석을 수행하고 예측하기가 어려운 단점이 있다.Computational Fluid Dynamics (CFD) has been widely applied to predict indoor airflow and pollutant distribution, and has the advantage of being able to efficiently predict indoor environments, that is, airflow patterns and pollutant distribution phenomena. However, as ventilation conditions, air volume, and the location and concentration of fine dust frequently change, it is difficult to perform and predict fluid analysis quickly.

국제 연구동향을 살펴보면, Virtual models of indoor-air-quality sensors, Applied Energy, 87, 2010"자료에 의하면 실내공기질 모니터링에 관한 연구가 수행되었다. 그러나 수행된 연구는 실내공기질을 가상으로 측정하였지만, 실내공간 내 한 개의 제한된 포인트에서만 실내공기질을 모니터링 한 것이었다. 또한 "Incorporating online monitoring data into fast prediction models towards the development of artificial intelligent ventilation systems, Sustainable Cities and Society, 47, 2019"자료에 의하면 실내공기 내 CO2 농도 제어를 위해 딥러닝 기반 실내공기 유동예측 및 실내 전 공간 CO2 분포에 관한 연구가 수행되었다. 그러나 수행된 연구는 시간에 따른 물리적 변화가 없는 정상상태 (steady-state)를 가정하였으며, 실시간 분석이 필요한 비정상상태의 유동예측과 제어에 한계가 있었다.Looking at the international research trend, according to the data of “Virtual models of indoor-air-quality sensors, Applied Energy, 87, 2010”, a study on indoor air quality monitoring was conducted. However, the conducted study measured indoor air quality virtually, but Indoor air quality was monitored at only one limited point in the space, and according to the data “Incorporating online monitoring data into fast prediction models towards the development of artificial intelligent ventilation systems, Sustainable Cities and Society, 47, 2019”, CO 2 in indoor air For concentration control, deep-learning-based indoor air flow prediction and study on the distribution of CO 2 throughout the room were performed, however, the conducted study assumed a steady-state with no physical change over time, and real-time analysis There was a limit to the flow prediction and control of this necessary unsteady state.

국내 연구수준을 살펴 보면, ㈜에이치앤드컴퍼니에서 2018년에 학교 환경에 최적화된, IoT 기반의 실내공기질 모니터링, 정화 및 관제 기능을 갖춘 통합시스템 개발을 수행하였다. 학교 실내공기질 모니터링 장치 및 정화장치 등 통합시스템 개발을 하였으나, 물리적인 센서 기반으로 측정하였으며, 몇 개의 제한된 측정 데이터를 기반으로 모니터링을 수행한 것이었다.Looking at the domestic research level, H&Company Co., Ltd. developed an integrated system with IoT-based indoor air quality monitoring, purification and control functions optimized for the school environment in 2018. Although an integrated system such as a school indoor air quality monitoring device and purification device was developed, measurements were made based on physical sensors, and monitoring was performed based on limited measurement data.

실시예의 일 측면은 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)을 이용하여 실내 공기 중의 오염 물질 농도와 흐름 패턴을 기계학습 하고 훈련되지 않은 데이터 입력으로 새로운 결과를 예측할 수 있는 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.One aspect of the embodiment is a virtual monitoring of indoor air quality using an artificial neural network that can machine learning the concentration and flow pattern of pollutants in the indoor air using an artificial neural network (ANN) and predict new results with untrained data input It is intended to provide a method and system.

그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the problems to be solved by the embodiments of the present invention are not limited to the above problems and may be variously expanded within the scope of the technical idea included in the present invention.

일 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법은, 컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되는 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법으로서, 대상 실내 공간 내의 일부 구역에 설치된 적어도 하나의 센서를 이용하여 실내공기질 데이터를 검출하는 제1 단계, 및 상기 검출된 실내공기질 데이터를 기계학습된 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)에 입력하여 상기 대상 실내 공간의 전 구역의 실내공기질 데이터를 예측하는 제2 단계를 포함한다.The virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network according to an embodiment is a virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network performed by a computing device, and indoor air quality using at least one sensor installed in a partial area within a target indoor space A first step of detecting data, and a second step of predicting indoor air quality data for all areas of the target indoor space by inputting the detected indoor air quality data into a machine-learning artificial neural network (ANN) do.

상기 제2 단계는, 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션을 통해 실내공기질 데이터베이스를 구축하는 단계, 상기 실내공기질 데이터베이스의 데이터를 전처리하는 단계, 및 상기 전처리된 데이터를 인공신경망을 이용한 네트워크를 통해 학습시켜 실내 미세먼지 분포와 농도를 예측하는 실내 공기 질 예측모델을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The second step is to build an indoor air quality database through computational fluid dynamics (CFD) simulation, pre-processing the data of the indoor air quality database, and using the pre-processed data in a network using an artificial neural network. It may include the step of generating an indoor air quality prediction model that predicts the indoor fine dust distribution and concentration by learning through

상기 실내공기질 데이터베이스를 구축하는 단계는, 미세입자추적 기법과 유체해석을 통하여 미세먼지의 확산 경로 및 농도 분포를 분석하여 실내 미세먼지 분포와 농도 데이터를 수집하는 것을 포함할 수 있다.The step of building the indoor air quality database may include collecting indoor fine dust distribution and concentration data by analyzing the diffusion path and concentration distribution of fine dust through a fine particle tracking technique and fluid analysis.

상기 실내공기질 데이터베이스를 구축하는 단계는, 상기 미세먼지가 대상 실내 공간 전체에 분포된 경우 또는 상기 미세먼지가 대상 실내 공간 내에 국소적으로 분포된 경우에 대해 유체해석을 수행할 수 있다.The building of the indoor air quality database may include performing fluid analysis on a case in which the fine dust is distributed in the entire target indoor space or when the fine dust is locally distributed in the target indoor space.

상기 각 경우에서 시간에 따른 실내 미세먼지 분포 데이터를 획득할 수 있다.In each of the above cases, it is possible to obtain indoor fine dust distribution data according to time.

상기 전처리 단계는 상기 대상 실내 공간 분할을 통한 데이터 통합(Data integration) 또는 데이터 정제(Data cleansing) 전처리 공정을 포함할 수 있다.The pre-processing step may include a pre-processing of data integration or data cleansing through partitioning the target indoor space.

상기 전처리 단계는, 상기 대상 실내 공간의 부피를 균일하게 잘라서 복수의 입방체를 만들고, 상기 각 입방체의 공간에서 시뮬레이션된 실내공기질 데이터를 평균화하는 과정을 포함할 수 있다.The pre-processing step may include uniformly cutting the volume of the target indoor space to make a plurality of cubes, and averaging the simulated indoor air quality data in the space of each cube.

상기 실내 미세먼지 농도 및 분포를 예측하는 단계는, LSTM (Long Short-Term Memory) 모델 기반 실내 공기 질 모니터링 알고리즘을 수행하는 것일 수 있다.The predicting of the indoor fine dust concentration and distribution may include performing an LSTM (Long Short-Term Memory) model-based indoor air quality monitoring algorithm.

본 발명의 다른 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 시스템은, 컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되는 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 시스템으로서, 대상 실내 공간 내의 일부 구역에 설치된 적어도 하나의 센서를 이용하여 실내공기질 데이터를 검출하는 검출부, 및 상기 검출된 실내공기질 데이터를 기계학습된 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)에 입력하여 상기 대상 실내 공간의 전 구역의 실내공기질 데이터를 예측하는 예측부를 포함할 수 있다.An indoor air quality virtual monitoring system using an artificial neural network according to another embodiment of the present invention is an indoor air quality virtual monitoring system using an artificial neural network performed by a computing device, and uses at least one sensor installed in a partial area within a target indoor space. to include a detector for detecting indoor air quality data, and a predictor for predicting indoor air quality data for all areas of the target indoor space by inputting the detected indoor air quality data into a machine-learning artificial neural network (ANN). can

상기 예측부는, LSTM (Long Short-Term Memory) 알고리즘 모델을 포함할 수 있다.The prediction unit may include a Long Short-Term Memory (LSTM) algorithm model.

실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내 공기 질 예측모델 생성방법에 의하면, 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)을 이용하여 실내 공기 중의 오염 물질 농도와 흐름 패턴을 기계학습 하고 훈련되지 않은 데이터 입력으로 새로운 결과를 예측할 수 있다.According to the method of generating an indoor air quality prediction model using an artificial neural network according to the embodiment, machine learning the concentration and flow pattern of pollutants in the indoor air using an artificial neural network (ANN), results can be predicted.

인공신경망을 이용한 예측 모델을 개발함으로써 소수의 센서 기반으로 실내 전체 공간 내의 미세먼지 농도 및 분포도를 모니터링 할 수 있다.By developing a predictive model using an artificial neural network, it is possible to monitor the concentration and distribution of fine dust in the entire indoor space based on a small number of sensors.

전 공간 내 실내공기질 모니터링과 공기정화장치(환기, Energy recovery ventilation (ERV), 에어가전, 공기청정기 등)의 연동을 통하여, 더 적은 에너지 소비로 실내공기질 관리를 할 수 있는 실시간 환기 제어시스템 개발이 가능하다.Development of a real-time ventilation control system that can manage indoor air quality with less energy consumption by linking indoor air quality monitoring in all spaces and air purifiers (energy recovery ventilation (ERV), air appliances, air purifiers, etc.) It is possible.

국소적으로 실내 오염물질이 발생한 경우 전 공간 환기시스템을 작동하지 않더라도, 모니터링 된 오염된 국소부분만 제거할 경우 더 적은 에너지 사용으로도 실내공기질 관리가 가능하다.Even if the ventilation system in the entire space is not operated when indoor pollutants are generated locally, it is possible to manage indoor air quality using less energy if only the monitored and polluted local parts are removed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 유체해석을 통하여 시간에 따른 실내공간 내 유해환경인자(미세 먼지) 분포를 분석한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 실내 공간(a)과 실내 공간 내 다양한 미세먼지 초기 분포(b 내지 i)를 나타낸 도면이다.
도 5는 대상 실내 공간 내에서 102개의 사례에 대한 데이터를 취득한 원시 데이터베이스(raw database)와 LSTM 알고리즘 훈련을 위해 재구성한 데이터베이스를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 6은 실내환경 데이터 전처리 공정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 LSTM (Long Short-Term Memory) 구조의 한 예를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법을 활용한 실시간 실내공간 공기질 가상 모니터링 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram schematically illustrating an indoor air quality virtual monitoring method using an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating an indoor air quality virtual monitoring system using an artificial neural network.
3 is a view showing the simulation result of analyzing the distribution of harmful environmental factors (fine dust) in the indoor space according to time through fluid analysis.
4 is a view showing the indoor space (a) and the initial distribution of various fine dust (b to i) in the indoor space.
5 is a schematic diagram schematically illustrating a raw database obtained by acquiring data for 102 cases within a target indoor space and a database reconstructed for LSTM algorithm training.
6 is a diagram illustrating a preprocessing process for indoor environment data.
7 is a diagram schematically illustrating an indoor air quality virtual monitoring method using an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
8 is a schematic diagram schematically illustrating an example of a Long Short-Term Memory (LSTM) structure.
9 is a diagram illustrating a real-time indoor air quality virtual monitoring result using a virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are given to the same or similar components throughout the specification. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical idea disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including an ordinal number such as 1st, 2nd, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

명세서 전체에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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. 따라서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, terms such as “comprises” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, 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. Therefore, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법을 개략적으로 도시한 모식도이고, 도 2는 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic diagram schematically illustrating a method for virtual indoor air quality monitoring using an artificial neural network according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an indoor air quality virtual monitoring system using an artificial neural network.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 실내공기질 가상 모니터링 방법은 센서 어레이를 이용하여 실시간 실내공기질 데이터를 검출하는 단계와 상기 검출된 실내공기질 데이터를 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)을 이용한 실내공기질 예측 모델에 입력하여 실내공간의 실시간 미세먼지 분포 결과를 출력하는 단계를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the virtual indoor air quality monitoring method according to the present embodiment includes detecting real-time indoor air quality data using a sensor array and using an artificial neural network (ANN) for the detected indoor air quality data. and outputting a real-time fine dust distribution result in an indoor space by inputting it to the air quality prediction model.

즉, 실내공기질 가상 모니터링 방법은 대상 실내 공간 내의 일부 구역에 설치된 적어도 하나의 센서를 이용하여 실내공기질 데이터를 검출하는 제1 단계, 및 상기 검출된 실내공기질 데이터를 기계학습된 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)에 입력하여 상기 대상 실내 공간의 전 구역의 실내공기질 데이터를 예측하는 제2 단계를 포함할 수 있다.That is, the indoor air quality virtual monitoring method includes a first step of detecting indoor air quality data using at least one sensor installed in a partial area within a target indoor space, and a machine-learning artificial neural network using the detected indoor air quality data. , ANN) input to predict the indoor air quality data of the entire area of the target indoor space may include a second step.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 실내공기질 가상 모니터링 시스템(100)은 센서 어레이를 이용하여 실시간 실내공기질 데이터를 검출하는 검출부(10)와 상기 검출된 실내공기질 데이터를 인공신경망(ANN)을 이용한 실내공기질 예측 모델에 입력하여 실내공간의 실시간 미세먼지 분포 결과를 예측하는 예측부(20)를 포함한다.Referring to FIG. 2 , the indoor air quality virtual monitoring system 100 according to the present embodiment includes a detector 10 that detects real-time indoor air quality data using a sensor array and an artificial neural network (ANN) for the detected indoor air quality data. and a prediction unit 20 that predicts the real-time fine dust distribution result in the indoor space by inputting it into the used indoor air quality prediction model.

본 실시예의 방법은 미도시된 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 평가될 수 있으며 또는 다수의 컴퓨터가 연결된 네트워트 형태로 처리될 수 있다. 따라서, 하기의 방법에서는 처리의 주체를 별도로 표시하지 않을 것이다.The method of this embodiment may be evaluated by a computer or processor not shown, or may be processed in the form of a network in which a plurality of computers are connected. Accordingly, in the following method, the subject of processing will not be separately indicated.

상기 센서 어레이는 복수의 물리적 센서를 포함하고, 이러한 복수의 물리적 센서는 모니터링 대상인 실내공간 내의 복수의 위치에 설치하여 실내공기질 데이터를 검출할 수 있다. 상기 물리적 센서를 통하여 검출되는 실내공기질 데이터는 실내공기질 오염원 농도, 온도, 습도를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 인공신경망 예측 모델에 입력하기 위하여 실내공기질에 영향을 미치는 주된 요인 중 하나인 미세먼지 농도를 취득데이터로 설정할 수 있다.상기 인공신경망을 이용한 실내공기질 예측 모델은 모니터링 대상 실내 공간 모델 내에서 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션 분석을 통해 확보한 데이터를 이용하여 기계학습 될 수 있다. The sensor array may include a plurality of physical sensors, and the plurality of physical sensors may be installed at a plurality of locations in an indoor space to be monitored to detect indoor air quality data. The indoor air quality data detected through the physical sensor may include indoor air quality pollutant concentration, temperature, and humidity. In this embodiment, in order to input to the artificial neural network prediction model, the concentration of fine dust, which is one of the main factors affecting indoor air quality, can be set as the acquired data. It can be machine-learning using data obtained through computational fluid dynamics (CFD) simulation analysis.

먼저, 인공신경망 학습을 하기에 앞서 실험을 통해 검증된 CFD를 통하여 상기 실내 공간 모델의 실내공기질 데이터, 일례로 미세먼지 농도 데이터를 취득함으로써 실내공기질 데이터베이스를 구축할 수 있다. CFD는 모델링된 공간 내의 유체의 유동을 모사하기 위하여 유체의 유동을 나타내는 수송방정식인 나비에-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation)을 수치해석적인 방법을 통해 근사해를 구하는 방법이다. 실측 과정에서는 측정장비가 설치된 특정 지점에서만 물리데이터(유체의 밀도, 속도, 압력, 점도 등등)를 얻을 수 있는 반면 CFD를 통하면 전체 공간에 대한 물리데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있으며, 실측 과정보다 시간과 비용이 적게 소요된다는 장점이 있다. First, an indoor air quality database can be built by acquiring indoor air quality data, for example, fine dust concentration data, of the indoor space model through CFD verified through an experiment before learning the artificial neural network. CFD is a method to obtain an approximate solution through numerical analysis of the Navier-Stokes equation, which is a transport equation representing the flow of a fluid, in order to simulate the flow of a fluid in a modeled space. In the actual measurement process, physical data (density, velocity, pressure, viscosity, etc. of the fluid) can be obtained only from a specific point where the measuring equipment is installed, whereas CFD has the advantage of obtaining physical data for the entire space. It has the advantage that it takes less time and money.

인공신경망의 구조는 입력층(input layer), 은닉층(hidden layer), 및 출력층(output layer)으로 구성될 수 있다. 인공신경망은 기계학습과 인지과학에서 생물학의 신경망(동물의 중추신경계중 특히 뇌)에서 영감을 얻은 통계학적 학습 알고리즘이다. 인공신경망은 시냅스의 결합으로 네트워크를 형성한 인공 뉴런(노드)이 학습을 통해 시냅스의 결합 세기를 변화시켜, 문제 해결 능력을 가지는 모델 전반을 가리킨다.The structure of the artificial neural network may include an input layer, a hidden layer, and an output layer. Artificial neural network is a statistical learning algorithm inspired by neural networks in biology (especially the brain in the central nervous system of animals) in machine learning and cognitive science. An artificial neural network refers to an overall model that has problem-solving ability by changing the strength of synaptic bonds through learning in which artificial neurons (nodes) formed a network by combining synapses.

이러한 인공신경망 모델은 유체 역학에서 유체의 물리적 특성(밀도, 점성, 압력 등)과 유동을 예측하기 위한 통계적 예측 도구로 사용될 수 있으며, 인공신경망 모델은 입력과 출력 사이의 관계를 배우고 유사한 상황이 발생할 때, 훈련되지 않은 데이터 입력으로 새로운 결과를 예측할 수 있다.Such an artificial neural network model can be used as a statistical prediction tool to predict the physical properties (density, viscosity, pressure, etc.) and flow of a fluid in fluid dynamics. In this case, new results can be predicted with untrained data input.

따라서 CFD와 인공신경망을 접목하여 다양한 실내공간의 물리데이터를 취득하고, 인공신경망 알고리즘을 적용하여 이들 다양한 실내공간의 실내공기질 모니터링을 수행할 수 있다. 또한 인공신경망의 검증은 실제 실험으로 검증된 CFD를 통하여 취득한 데이터(미세먼지 농도 데이터)와 인공신경망을 통하여 예측한 미세먼지 농도 데이터를 비교하여 수행할 수 있다.Therefore, it is possible to acquire physical data of various indoor spaces by combining CFD and artificial neural networks, and to perform indoor air quality monitoring in these various indoor spaces by applying artificial neural network algorithms. In addition, the verification of the artificial neural network can be performed by comparing the data (fine dust concentration data) obtained through CFD verified through actual experiments with the fine dust concentration data predicted through the artificial neural network.

본 실시예에서 상기 인공신경망을 이용한 실내공기질 예측 모델의 입력 값으로 일례로 대상 실내 공간의 세 구역의 실제 검출된 실내공기질 데이터가 입력될 수 있다. 이 때 출력 값으로는 대상 실내 공간의 전체 구역의 실내공기질 데이터가 출력될 수 있다.In this embodiment, as an input value of the indoor air quality prediction model using the artificial neural network, the actually detected indoor air quality data of three areas of the target indoor space may be input, for example. In this case, as the output value, indoor air quality data of the entire area of the target indoor space may be output.

상기 입력 및 출력되는 실내공기질 데이터는 실내 미세먼지 농도 값을 이용할 수 있으며, 단위는 μg/cm3로 설정하거나 예측 농도 값을 초기 농도 값으로 나눠 (예측 농도 값 C/초기 농도 값 Co) %로 변경하여 설정할 수 있다.The indoor air quality data input and output can use the indoor fine dust concentration value, and the unit is set to μg/cm 3 or divided the predicted concentration value by the initial concentration value (predicted concentration value C/initial concentration value Co) as % It can be set by changing.

대상 실내 공간은 전체 27개의 구역으로 구획되며, 입력되는 값은 그 구역 중 3개 혹은 4개의 구역에서의 60초 동안의 미세먼지 농도의 값들이 입력이 되고, 출력 값은 나머지 구역(24개 혹은 23개)에서의 미세먼지 농도 값이 출력될 수 있다. 이와 같이 출력된 각 농도들의 값으로 미세먼지 분포를 예측할 수 있다.The target indoor space is divided into a total of 27 zones, and the input value is the values of fine dust concentration for 60 seconds in 3 or 4 of the zones, and the output value is the remaining zone (24 or The fine dust concentration values in 23) can be output. The fine dust distribution can be predicted with the values of each concentration output in this way.

구역 3개에서의 미세먼지 농도값을 입력 값으로 넣는 경우, 인공신경망의 예측은 93%의 정확도를 보였으며, 구역 4개에서의 미세먼지 농도값을 입력 값으로 넣는 경우, 인공신경망의 예측 정확도는 97%의 결과를 보였다.When the fine dust concentration values in 3 zones were input as input values, the neural network prediction showed 93% accuracy. showed a result of 97%.

한편, 실내공기질 예측 모델에 이용되는 인공신경망의 인공지능 학습을 위해 유동해석 기반의 실내환경 데이터베이스를 구축할 수 있다. 인공지능 학습을 위하여, 실험을 통해 검증된 유동해석 기법을 기반으로 실내환경 데이터베이스 구축할 수 있다. On the other hand, it is possible to build an indoor environment database based on flow analysis for artificial intelligence learning of artificial neural networks used in indoor air quality prediction models. For artificial intelligence learning, an indoor environment database can be built based on the flow analysis technique verified through experiments.

일례로, 미세입자추적 기법과 유체해석을 통하여 실내공기질을 저해시키는 유해 환경인자(미세먼지)의 확산경로 및 농도분포 분석을 진행하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.As an example, the diffusion path and concentration distribution analysis of harmful environmental factors (fine dust) that impair indoor air quality were conducted through the fine particle tracking technique and fluid analysis, and the results are shown in FIG. 2 .

도 3은 유체해석을 통하여 시간에 따른 실내공간 내 유해환경인자(미세 먼지) 분포를 분석한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.3 is a view showing the simulation result of analyzing the distribution of harmful environmental factors (fine dust) in the indoor space according to time through fluid analysis.

도 3의 (a)는 미세먼지가 전 공간 내 분포한 경우 시간에 따른 실내공간 내 미세먼지의 분포를 나타내고, (b)는 1/64 내에 국소적으로 분포된 경우, 시간에 따른 실내공간 내 미세먼지의 분포를 나타낸다.(a) of FIG. 3 shows the distribution of fine dust in the indoor space according to time when the fine dust is distributed in the entire space, and (b) shows the distribution of fine dust in the indoor space according to time when distributed locally within 1/64 of the entire space. It shows the distribution of fine dust.

이러한 미세먼지 확산 경로 및 농도 분포의 분석을 통해 얻은 미세먼지 농도 데이터는 각 구역 27개의 영역 내에서 볼륨평균(volume average)기법을 통하여, 구역 내에서의 단위 시간당 미세먼지 평균값을 구할 수 있다.The fine dust concentration data obtained through the analysis of the fine dust diffusion path and concentration distribution can be obtained by using the volume average method in each of the 27 regions to obtain the average value of fine dust per unit time within the region.

도 4는 실내 공간(a)과 실내 공간 내 다양한 미세먼지 초기 분포(b 내지 i)를 나타낸 도면이다.4 is a view showing the indoor space (a) and the initial distribution of various fine dust (b to i) in the indoor space.

도 4를 참조하면, 실내 공간(a)은 x, y, z축 방향으로의 가로, 세로 및 높이가 각각 4, 5, 2.7m인 직육면체 공간으로 설정하였고, 이러한 직육면체 실내 공간의 상면에 유입구(Inlet), 좌우측면 하단부에 각각 배출구(Outlet)가 형성되어 있다.Referring to Figure 4, the indoor space (a) was set as a rectangular parallelepiped space with horizontal, vertical, and height of 4, 5, and 2.7 m in the x, y, and z-axis directions, respectively, and an inlet ( Inlet), outlets are formed in the lower left and right sides, respectively.

이와 같이 설정된 실내 공간(a) 내에서 다양한 미세먼지 위치 및 농도를 기반으로 한 실내 미세먼지 분포데이터를 얻기 위해 미세먼지가 전체 공간 내 분포된 경우(b), 부피의 1/2 내에 분포된 경우(c 및 d), 1/4 내에 분포된 경우(e, f 및 g), 1/8 내에 분포된 경우(h) 1/64 내에 분포된 경우(i)에 대해 유체해석을 수행하였다. 이는 입자가 전체 영역에 분포하거나, 특정 영역에서 국부적으로 생성되거나, 문이나 창을 통해 유입되거나, 입자물질(PM)이 천장이나 바닥에 존재하는 경우와 같이 다양한 미세먼지 분포를 가정한 것이다. When fine dust is distributed within the entire space (b) to obtain indoor fine dust distribution data based on various locations and concentrations of fine dust within the set indoor space (a) (b), when distributed within 1/2 of the volume (c and d), distribution within 1/4 (e, f and g), distribution within 1/8 (h), and distribution within 1/64 (i) were performed. This assumes a variety of fine dust distributions, such as when particles are distributed over the entire area, locally generated in a specific area, introduced through a door or window, or particulate matter (PM) is present on the ceiling or floor.

도 5는 대상 실내 공간 내에서 102개의 사례에 대한 데이터를 취득한 원시 데이터베이스(raw database)와 LSTM 알고리즘 훈련을 위해 재구성한 데이터베이스를 개략적으로 도시한 모식도이다.5 is a schematic diagram schematically illustrating a raw database obtained by acquiring data for 102 cases in a target indoor space and a database reconstructed for LSTM algorithm training.

도 5를 참조하면, 다양한 미세먼지 분포에 대한 총 102개의 사례에 대한 데이터를 취득하였으며, 이때 취득한 데이터는 27개의 구역 내에서 4초 단위마다의 미세먼지 농도 데이터이고, 취득한 시간은 60초부터 1200초까지 1140초 동안 취득하였다.Referring to FIG. 5 , data for a total of 102 cases of various fine dust distributions were acquired, and the acquired data is fine dust concentration data every 4 seconds within 27 zones, and the acquired time is from 60 seconds to 1200 Acquisitions were taken for 1140 seconds until the second.

LSTM 알고리즘에 훈련하기 위하여, 이를 60초 단위로 묶어 하나의 데이터셋(dataset)을 구성하였다. 또한 LSTM의 예측 정확도를 높이기 위하여, 각 구역 내에서 시간에 따른 미세먼지 농도 변화를 반영하도록 4초마다 시간을 이동(shift)하여 데이터셋을 추가하였다. 구축한 데이터베이스는 28,968개의 데이터셋(총 102개의 분포 x 하나의 미세먼지 분포당 284개의 데이터셋)으로 구성하였다.In order to train the LSTM algorithm, one dataset was constructed by grouping them in 60-second units. In addition, in order to increase the prediction accuracy of the LSTM, a data set was added by shifting the time every 4 seconds to reflect the change in fine dust concentration over time in each zone. The constructed database consisted of 28,968 datasets (total of 102 distributions x 284 datasets per one fine dust distribution).

도 6은 실내환경 데이터 전처리 공정을 나타낸 도면이다.6 is a diagram illustrating a preprocessing process for indoor environment data.

유체해석을 통하여 얻은 데이터는 고해상도 그리드(Grid) 기반 데이터이므로, 인공신경망 예측 모델에서 학습하기 위하여 실내환경 데이터 전처리 공정이 필요하다. 이러한 전처리 공정은 실내공간 분할을 통한 데이터 통합(Data integration), 데이터 정제(Data cleansing) 전처리 공정을 포함한다.Since the data obtained through fluid analysis is high-resolution grid-based data, an indoor environment data preprocessing process is required to learn from the artificial neural network prediction model. This pre-processing process includes data integration (Data integration) and data cleansing (Data cleansing) pre-processing through indoor space division.

CFD는 유한체적법(finite volume method, FVM)으로, 해석하는 공간(geometry)을 그리드(grid, 혹은 mesh)형태로 무수한 요소(finite volume)들로 나누고, 그리드 사이 내에서 유동을 나타내는 수송방정식인 나비에-스톡스 방정식을 수치해석적인 방법을 통하여 근사해를 구한다.CFD is a finite volume method (FVM), which divides the analyzed geometry into countless elements (finite volume) in the form of a grid (or mesh), and is a transport equation representing the flow within the grid. An approximate solution of the Navier-Stokes equation is obtained through a numerical method.

본 실시예에서는 3,979,692개의 그리드를 통하여 데이터를 얻었으며, 그리드 마다 미세먼지 농도 데이터가 생성되었다. 이를 바로 LSTM에 입력하기에는 많은 훈련시간이 소모되므로, 훈련시간 단축을 위하여, 데이터 전처리를 위해 DVM (Discretized Volume Model) 방법을 활용하였다.In this embodiment, data was obtained through 3,979,692 grids, and fine dust concentration data was generated for each grid. Since it takes a lot of training time to directly input this into the LSTM, the Discretized Volume Model (DVM) method was used for data preprocessing in order to shorten the training time.

DVM 방법은 두 단계로 구성되며, 먼저, 방의 부피를 균일하게 잘라서 여러 입방체를 만들고, 다음으로 각 입방체 공간에서 시뮬레이션 데이터를 평균화한다.The DVM method consists of two steps: first, multiple cubes are created by evenly cutting the volume of a room, and then the simulation data is averaged in each cubic space.

도 5에서 볼 수 있듯이 길이가 L 인 방의 부피는 길이가 Li (Li <L) 인 몇 개의 균일 한 입방체로 나뉘어질 수 있다. 총 입방체 수(27개의 구역, 27 zone)는 총 그리드 수(3,979,692개)보다 훨씬 적다. 입방체의 고해상도 그리드 데이터, 즉 PM 농도 데이터는 볼륨 평균 접근 방식을 사용하여 계산되었다. 고해상도 그리드 데이터가 있는 방은 평균값을 가진 여러 입방체로 대체되었다. 결과적으로 DVM 방법은 인공신경망 모델의 입력 변수 수를 상당히 축소할 수 있으며, DVM 방법은 공간 분해를 기반으로 하기에, 다양한 기하학적 공간을 가진 실내에도 쉽게 적용할 수 있다.As can be seen in Fig. 5, the volume of a room of length L can be divided into several uniform cubes of length Li (Li < L). The total number of cubes (27 zones, 27 zones) is much smaller than the total number of grids (3,979,692). The cubic high-resolution grid data, i.e. PM concentration data, were calculated using a volume average approach. A room with high-resolution grid data was replaced with multiple cubes with average values. As a result, the DVM method can significantly reduce the number of input variables of the artificial neural network model, and since the DVM method is based on spatial decomposition, it can be easily applied to indoors with various geometric spaces.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.7 is a diagram schematically illustrating an indoor air quality virtual monitoring method using an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법은 대상 실내공간에서 복수의, 일례로 세 개의 구역에 설치된 센서를 이용하여 실제 실내공기질 데이터를 검출하는 단계와 인공신경망을 이용한 실내공기질 예측 모델에 상기 검출된 실내공기질 데이터를 입력하여 상기 대상 실내 공간의 전 공간의 실내공기질 데이터를 예측하는 단계를 포함한다.Referring to FIG. 7 , the virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network according to the present embodiment includes the steps of detecting actual indoor air quality data using sensors installed in a plurality of, for example, three zones in a target indoor space, and the artificial neural network and inputting the detected indoor air quality data into an indoor air quality prediction model using

상기 대상 실내공간은 x, y, z축 방향으로의 가로, 세로 및 높이를 갖는 직육면체 공간으로 설정되고, 이러한 직육면체 실내 공간의 상면에 유입구(Inlet), 좌우측면 하단부에 각각 배출구(Outlet)가 형성될 수 있다. 상기 센서는 일례로 상기 대상 실내공간에서 상면 일측(Sensor 1), 도면 기준 우측면 일측(Sensor 2), 및 도면 기준 좌측 전면 구석(Sensor 3)에 설치되어 실제 실내공기질 데이터를 검출할 수 있다.The target indoor space is set as a rectangular parallelepiped space having horizontal, vertical, and height in the x, y, and z-axis directions, and an inlet is formed on the upper surface of this rectangular parallelepiped indoor space, and an outlet is formed at the lower left and right sides, respectively. can be The sensor, for example, may be installed on one side of the upper surface (Sensor 1), one side of the right side (Sensor 2) of the drawing reference, and the front left corner (Sensor 3) of the drawing reference in the target indoor space to detect actual indoor air quality data.

본 실시예에 따른 인공신경망의 입력층(Input layer)에서는 상기 대상 실내공간에 설치된 세 개의 센서로부터 검출된 실제 실내공기질 데이터, 즉 실제 모니터링 된 데이터(일례로, 시간에 따른 미세먼지 농도 데이터)가 입력될 수 있다. 이를 바탕으로 출력층(Output layer)에서는 상기 대상 실내공간을 N 개의 구역으로 분할하였을 때 각 구역의 예측된 실내공기질 데이터, 즉 전 공간 내 실내미세먼지 분포와 농도에 대한 데이터가 예측될 수 있다.In the input layer of the artificial neural network according to this embodiment, actual indoor air quality data detected from three sensors installed in the target indoor space, that is, actually monitored data (eg, fine dust concentration data over time) can be entered. Based on this, in the output layer, when the target indoor space is divided into N zones, the predicted indoor air quality data of each zone, that is, data on the distribution and concentration of indoor fine dust in the entire space can be predicted.

여기서 상기 인공신경망은 실시간 실내 미세먼지 농도 및 분포 예측을 위하여 Long Short-Term Memory (LSTM) 기반의 실내 공기질 가상 모니터링 알고리즘일 수 있다. 실내 공기질 가상 모니터링 알고리즘의 오차율 및 학습시간 감소와 Overfitting 방지를 위하여 Hidden layer, Hidden node, Activation function의 최적화 과정을 수행할 수 있다.Here, the artificial neural network may be an indoor air quality virtual monitoring algorithm based on Long Short-Term Memory (LSTM) for real-time indoor fine dust concentration and distribution prediction. To reduce the error rate and learning time of the indoor air quality virtual monitoring algorithm and to prevent overfitting, the optimization process of hidden layer, hidden node, and activation function can be performed.

도 8은 LSTM (Long Short-Term Memory) 구조의 한 예를 개략적으로 도시한 모식도이다.8 is a schematic diagram schematically illustrating an example of a Long Short-Term Memory (LSTM) structure.

순환신경망(Recurrent neural network, RNN)은 Hidden node가 방향을 가진 엣지로 연결돼 순환구조(directed cycle)를 이루는 인공신경망의 한 구조이다. 과거의 은닉층 결과가 다음 상태의 은닉층의 입력으로 연결 되는 순환구조를 가지고 있어, 이전 단계의 상태(old state)값과 입력(input parameter)을 계산하여, 다음 단계의 상태(new state) 값을 얻는 구조이다. 순환신경망은 순서가 있는 배열, 순차적으로 등장하는 데이터, 시간으로 상관관계가 있는 시계열(sequence) 데이터를 처리하는 데에 활용되고 있다. 그러나 순환신경망은 과거 관련정보와 그 정보를 사용하는 상태 사이의 거리가 먼 경우, vanishing gradient으로 인해 장기 의존성 (Long-Term Dependency)문제가 생겨 학습능력이 크게 저하되는 단점이 있다.A recurrent neural network (RNN) is a structure of an artificial neural network in which hidden nodes are connected by directed edges to form a directed cycle. It has a cyclic structure in which the result of the past hidden layer is connected to the input of the hidden layer of the next state. is the structure Recurrent neural networks are being used to process ordered arrays, sequentially appearing data, and time-correlated sequence data. However, when the distance between related information in the past and the state in which the information is used is long, a long-term dependency problem occurs due to the vanishing gradient, and the learning ability is greatly reduced in the cyclic neural network.

LSTM(Long Short Term Memory)은 순환신경망의 이러한 문제를 해결하기 위해 고안된 알고리즘으로, 기존의 순환신경망에 Cell state를 추가하여, 먼 과거의 데이터를 얼마나 반영할 것인지를 제어할 수 있다. LSTM (Long Short Term Memory) is an algorithm designed to solve this problem of the cyclic neural network, and by adding a cell state to the existing cyclic neural network, it is possible to control how much data from the distant past is reflected.

도 8을 참조하면, LSTM은 gate mechanism 방식으로, 이전의 cell state (Ct-1)를 얼마나 반영할 것인지는 forget gate(ft)로 계산하며, 현재 입력값(Xt)과 이전의 출력값(ht-1)을 얼마나 반영할 것인지는 input gate(it)로 조절한다. 과거의 cell state(Ct-1)를 새로운 cell sate (Ct)로 업데이트를 한 후, output gate(ot)에서는 어떤 출력값을 출력할 것인지를 조절하여 출력한다.Referring to FIG. 8 , LSTM is a gate mechanism method, and how much of the previous cell state (C t-1 ) will be reflected is calculated by a forget gate (f t ), and the current input value (X t ) and the previous output value ( h t-1 ) is controlled by the input gate (i t ). After updating the old cell state (C t-1 ) with the new cell state (C t ), the output gate (o t ) adjusts which output value to output and outputs it.

실내 공기질 가상 모니터링 알고리즘의 오차율 및 학습시간 감소와 Overfitting 방지를 위하여 Hidden layer, Hidden node, Activation function의 최적화 과정을 수행할 수 있다. 훈련의 정확도를 높이기 위하여, 훈련에 사용되는 Activation function (sigmoid, tanh, Relu, Leaky Relu, Gaussian error linear unit, Exponential linear unit (ELU))을 각 gate 내에서 변경할 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 예측 정확도가 높은 sigmoid, tanh, Relu 함수들을 선정할 수 있다. 훈련에 사용된 최적화 함수는 적응적 모멘트 추정(Adaptive Moment Estimation, ADAM)을 사용하였다.To reduce the error rate and learning time of the indoor air quality virtual monitoring algorithm and to prevent overfitting, the optimization process of hidden layer, hidden node, and activation function can be performed. In order to increase the accuracy of training, the activation function (sigmoid, tanh, Relu, Leaky Relu, Gaussian error linear unit, Exponential linear unit (ELU)) used for training can be changed within each gate, and as shown in FIG. Similarly, sigmoid, tanh, and Relu functions with high prediction accuracy can be selected. As the optimization function used for training, Adaptive Moment Estimation (ADAM) was used.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법을 활용한 실시간 실내공간 공기질 가상 모니터링 결과를 나타낸 도면이다.9 is a diagram illustrating a real-time indoor air quality virtual monitoring result using a virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법으로 예측한 미세먼지의 농도와 분포를 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)으로 예측한 결과와 비교하였다.Referring to FIG. 9 , the concentration and distribution of fine dust predicted by the virtual indoor air quality monitoring method using the artificial neural network according to this embodiment were compared with the results predicted by computational fluid dynamics (CFD).

즉, 초기(0s) 미세먼지 위치가 바닥에 깔려 있는 경우를 가정하고 시간에 지남에 따른 미세먼지의 농도와 분포를 본 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법으로 예측하였다. 여기서 대상 실내 공간은 전체 27개의 구역으로 구획하였고, 실제 센서를 1, 12, 17, 및 27 구역에 설치하여 실제 미세먼지의 농도와 분포를 검출하였다. 이러한 실제 센서의 검출된 데이터를 LSTM 알고리즘에 입력하여 나머지 전 구역의 미세먼지 농도 및 분포를 예측하였다.That is, it is assumed that the initial (0s) position of fine dust is on the floor, and the concentration and distribution of fine dust over time were predicted using the indoor air quality virtual monitoring method using the artificial neural network according to this embodiment. Here, the target indoor space was divided into a total of 27 zones, and actual sensors were installed in zones 1, 12, 17, and 27 to detect the actual concentration and distribution of fine dust. The data detected by these real sensors were input into the LSTM algorithm to predict the concentration and distribution of fine dust in the entire remaining area.

도 9의 (a)에서는 240s, 480s, 720s, 960s가 지났을 때의 미세먼지 농도 및 분포를 대상 실내공간 모델과 그래프로 함께 나타내었다. LSTM 알고리즘으로 예측한 데이터와 CFD로 계산한 결과가 대체로 근접하고 있을 것을 확인할 수 있다.In (a) of FIG. 9, the fine dust concentration and distribution when 240s, 480s, 720s, and 960s have passed are shown together with the target indoor space model and graph. It can be seen that the data predicted by the LSTM algorithm and the result calculated by the CFD are generally close to each other.

도 9의 (b)는 시간에 따른 전체 공간 내의 미세먼지 농도를 LSTM 알고리즘으로 예측한 데이터와 CFD로 계산한 결과가 근접하는 것을 나타낸다. 이는 실험적으로 취득하기 어려웠던 전체 공간 내의 미세먼지 평균 농도 데이터를, 4개의 센서와 LSTM 알고리즘을 통해서, 전체 공간 내의 미세먼지 평균 농도 데이터를 실시간으로 구할 수 있다. 9(b) shows that the data predicted by the LSTM algorithm and the result calculated by CFD are close to the fine dust concentration in the entire space over time. It is possible to obtain the average fine dust concentration data in the entire space, which was difficult to obtain experimentally, in real time through 4 sensors and LSTM algorithm.

도 9의 (c)는 실제 실생활에 센서 설치가 어려운 위치에서의 시간에 따른 미세먼지 농도를 LSTM 알고리즘으로 예측한 데이터와 CFD로 계산한 결과를 나타내며, 그 결과가 근접한 것을 알 수 있다. 실제 실생활에서는 벽면이 아닌 공중에는 센서의 설치에 한계가 있다. LSTM 알고리즘을 통하여 측정할 수 없었던 위치에서 실시간으로 미세먼지 농도를 취득 할 수 있다.9( c ) shows the data predicted by the LSTM algorithm and the CFD calculation result of the fine dust concentration over time in a location where it is difficult to install a sensor in real life, and it can be seen that the results are close. In real life, there is a limit to the installation of the sensor in the air rather than on the wall. It is possible to acquire the fine dust concentration in real time at a location that could not be measured through the LSTM algorithm.

따라서 학습에 사용되지 않는 평가 데이터 셋 기반 실내공기질 가상 모니터링의 정확도가 우수하다는 것을 확인하였다. 이로써 인공신경망을 이용하여 실내공기질 가상 모니터링 방법을 구현할 수 있으며 시간에 따른 실내 미세먼지 농도 및 분포 데이터를 통한 실내공기질 가상 모니터링 성능을 검증할 수 있다.Therefore, it was confirmed that the accuracy of the virtual indoor air quality monitoring based on the evaluation data set not used for learning is excellent. In this way, it is possible to implement a virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network, and to verify indoor air quality virtual monitoring performance through time-dependent indoor fine dust concentration and distribution data.

이와 같이 본 실시예에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 시스템을 공기정화장치를 연동하여, 실시간으로 환기를 제어할 수 있는 시스템을 개발할 수 있다. 또한 실내 오염원이 발생한 경우 전 공간 내 모니터링 함으로써, 국소부분 혹은 발생된 오염물질을 효율적으로 제거하기 위한 움직이는 공기청정기 개발도 가능할 것이다.As described above, it is possible to develop a system capable of controlling ventilation in real time by linking the indoor air quality virtual monitoring system using the artificial neural network according to the present embodiment to the air purifier. In addition, it will be possible to develop a moving air purifier to efficiently remove local parts or generated pollutants by monitoring the entire space when an indoor pollutant is generated.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 방법을 실행시키기 위한 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다.A program for executing the method according to an embodiment of the present invention may be recorded in a computer-readable recording medium.

컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 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, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 여기서 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드가 포함된다.The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The medium may be specially designed and configured, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include hard disks, magnetic media such as floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floppy disks, and ROMs, RAMs, flash memories, and the like. Hardware devices specially configured to store and execute the same program instructions are included. Here, the medium may be a transmission medium such as an optical or metal wire or a waveguide including a carrier wave for transmitting a signal designating a program command, a data structure, 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.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims, the description of the invention, and the accompanying drawings, and this also It is natural to fall within the scope.

Claims (10)

컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되는 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법에 있어서,
대상 실내 공간 내의 일부 구역에 설치된 적어도 하나의 센서를 이용하여 실내공기질 데이터를 검출하는 제1 단계; 및
상기 검출된 실내공기질 데이터를 기계학습된 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)에 입력하여 상기 대상 실내 공간의 전 구역의 실내공기질 데이터를 예측하는 제2 단계
를 포함하고,
상기 제2 단계는,
전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션을 통해 실내공기질 데이터베이스를 구축하는 단계;
상기 실내공기질 데이터베이스의 데이터를 전처리하는 단계; 및
상기 전처리된 데이터를 인공신경망을 이용한 네트워크를 통해 학습시켜 실내 미세먼지 분포와 농도를 예측하는 실내 공기 질 예측모델을 생성하는 단계
를 포함하며,
상기 전처리 단계는,
상기 대상 실내 공간 분할을 통한 데이터 통합(Data integration) 또는 데이터 정제(Data cleansing) 전처리 공정을 포함하고,
상기 대상 실내 공간의 부피를 균일하게 잘라서 복수의 입방체를 만들고,
상기 각 입방체의 공간에서 시뮬레이션된 실내공기질 데이터를 평균화하는 과정을 포함하는, 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법.
In the virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network performed by a computing device,
A first step of detecting indoor air quality data using at least one sensor installed in a partial area within the target indoor space; and
A second step of predicting indoor air quality data of all areas of the target indoor space by inputting the detected indoor air quality data into a machine-learned artificial neural network (ANN)
including,
The second step is
building an indoor air quality database through computational fluid dynamics (CFD) simulation;
pre-processing the data of the indoor air quality database; and
Creating an indoor air quality prediction model for predicting indoor fine dust distribution and concentration by learning the preprocessed data through a network using an artificial neural network
includes,
The pre-processing step is
Including data integration or data cleansing pre-processing through the target indoor space division,
uniformly cut the volume of the target indoor space to make a plurality of cubes,
A virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network, comprising averaging the simulated indoor air quality data in the space of each cube.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 실내공기질 데이터베이스를 구축하는 단계는,
미세입자추적 기법과 유체해석을 통하여 미세먼지의 확산 경로 및 농도 분포를 분석하여 실내 미세먼지 분포와 농도 데이터를 수집하는 것을 포함하는, 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법.
The method of claim 1,
The step of building the indoor air quality database comprises:
A virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network, which includes collecting indoor fine dust distribution and concentration data by analyzing the diffusion path and concentration distribution of fine dust through a fine particle tracking technique and fluid analysis.
제 3 항에 있어서,
상기 실내공기질 데이터베이스를 구축하는 단계는,
상기 미세먼지가 대상 실내 공간 전체에 분포된 경우 또는 상기 미세먼지가 대상 실내 공간 내에 국소적으로 분포된 경우에 대해 유체해석을 수행하는, 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법.
4. The method of claim 3,
The step of building the indoor air quality database comprises:
A virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network, wherein fluid analysis is performed when the fine dust is distributed in the entire target indoor space or when the fine dust is locally distributed in the target indoor space.
제 4 항에 있어서,
상기 각 경우에서 시간에 따른 실내 미세먼지 분포 데이터를 획득하는, 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법.
5. The method of claim 4,
A virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network to acquire indoor fine dust distribution data over time in each of the above cases.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 실내 미세먼지 농도 및 분포를 예측하는 단계는,
LSTM (Long Short-Term Memory) 모델 기반 실내 공기 질 모니터링 알고리즘을 수행하는 것인, 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법.
The method of claim 1,
Predicting the indoor fine dust concentration and distribution comprises:
A virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network to perform an LSTM (Long Short-Term Memory) model-based indoor air quality monitoring algorithm.
컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되는, 제1항, 제3항 내지 제5항, 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 방법을 수행하는 시스템에 있어서,
대상 실내 공간 내의 일부 구역에 설치된 적어도 하나의 센서를 이용하여 실내공기질 데이터를 검출하는 검출부; 및
상기 검출된 실내공기질 데이터를 기계학습된 인공신경망(Artificial Neural Network, ANN)에 입력하여 상기 대상 실내 공간의 전 구역의 실내공기질 데이터를 예측하는 예측부
를 포함하는 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 시스템.
In the system for performing a virtual indoor air quality monitoring method using an artificial neural network according to any one of claims 1, 3 to 5, and 8, which is performed by a computing device,
a detection unit configured to detect indoor air quality data using at least one sensor installed in a partial area within the target indoor space; and
A prediction unit for predicting indoor air quality data of all areas of the target indoor space by inputting the detected indoor air quality data into a machine-learned artificial neural network (ANN)
Indoor air quality virtual monitoring system using an artificial neural network, including
제 9 항에 있어서,
상기 예측부는,
LSTM (Long Short-Term Memory) 알고리즘 모델을 포함하는, 인공신경망을 이용한 실내공기질 가상 모니터링 시스템.
10. The method of claim 9,
The prediction unit,
Indoor air quality virtual monitoring system using artificial neural network, including LSTM (Long Short-Term Memory) algorithm model.
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