KR20150081527A - Method and Apparatus for Context-aware Recommendation to Distribute Water in Smart Water Grid - Google Patents

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Abstract

Suggested are a method and a device for context-aware recommendation to distribute water resources in a smart water grid. The method for context-aware recommendation to distribute water resources in a smart water grid includes a step of grouping a plurality of end users as a community by considering a water consumption tendency of the end users; a step of recommending a water resource for the end users of the community according to a feedback of a water consumption tendency parameter of the end users and context information; and a step of providing the water resource to the end users without a request from the end users.

Description

스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천방법 및 장치{Method and Apparatus for Context-aware Recommendation to Distribute Water in Smart Water Grid}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method and apparatus for context-aware recommendation for a water resource distribution in a smart water grid,

본 발명은 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 추천 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a recommendation method and apparatus for water resource distribution in smart water grids.

세계 도처의 수처리 시설(water utilities)에 있어서 워터 그리드는 일부에서는 100년이나 될 정도로 심각하게 노후화된 기반구조로 인한 여러 가지 문제에 직면하고 있다. 이로 인하여 물의 손실, 물의 도난, 시설에 대한 수입손실과 관련된 문제가 발생한다. 스마트 워터 그리드는 발전된 정보 및 통신 기술을 사용하여 수자원 관리 시스템의 이와 같은 문제를 극복하기 위한 고효율의 차세대 물 관리 시스템이다. 통신 기술을 수자원 관리 시스템과 결합한 지능형 물 관리 시스템은 물의 수요를 정확하게 조절함으로써 수자원의 지역적 또는 시간적 불균형을 완화시키는데 도움을 주고, 적절한 정보를 실시간으로 교환하는 양방향 수자원 정보 네트워크를 통하여 실시간 프레임워크 상에서의 수자원의 공급을 지원한다.In water utilities all over the world, the water grid is faced with a number of problems due to the severely obsolete infrastructure of some 100 years or so. This causes problems related to loss of water, theft of water, and loss of imports to the facility. Smart Water Grid is a highly efficient next generation water management system to overcome these problems of water resource management system using advanced information and communication technology. Intelligent water management system, which combines communication technology with water resource management system, helps to mitigate regional and temporal imbalance of water resources by precisely controlling water demand, Support the supply of water resources.

최근, 스마트 워터 그리드에 대한 관심이 지속적으로 증가하며, 물 분배 시스템의 감시와 관련된 연구가 증가하고 있다. 워터 그리드를 위한 무선센서 네트워크 기반의 솔루션을 검토하였고, 여기에서, 소형 센서는 특정 이벤트 또는 작업 상태를 즉시 검출하고 이와 관련되는 정보를 물 관리 시스템으로 전달할 수 있다. 참고문헌에 따르면, 현재 지능형 무선 센서 시스템이 최종 사용자의 물 소비 활동, 선호도, 장소 및 시간에 대한 정보를 추적하기 위하여 물 관리 시스템에 설치되어 있다. 그러나, 현재 사용되는 또는 시장에서 구입이 가능한 솔루션의 대부분은 최종 사용자에 적합한 물 공급에 대한 요구를 실시간으로 충족시키지 못한다. 참고문헌의 저자는 물 처리 과정을 제어하기 위하여 최종 사용자의 요구사항을 인지하기 위한 추천 시스템의 응용과 함께 수자원 분배에 대하여 개괄적으로 설명한다. 최종 사용자의 물 소비 선호도, 물의 품질, 지역 형태 및 그리드 네트워크의 상태와 같은 컨텍스트 정보를 이용한 추천 시스템은 더욱 적합한 수자원을 최종 사용자에게 실시간으로 전달하는 잠재력이 있다. 종래의 추천 시스템에서 그 결과는 수자원이 분산되어야 하는 실제 상황과 일치할 수 없다. 컨텍스트 정보는 추천에 영향을 미치고, 스마트 워터 그리드를 위하여 보다 나은 수자원 할당을 지원할 수 있다. 우리가 아는 한, 추천 시스템과 무선센서 네트워크의 컨텍스트 인지 정보를 결합한 스마트 워터 그리드에 대한 조직적인 연구 결과는 이 분야에서 찾아볼 수가 없다.In recent years, interest in smart water grids continues to increase, and studies related to monitoring of water distribution systems are increasing. A wireless sensor network based solution for a water grid has been reviewed, where a small sensor can instantly detect a specific event or job condition and pass relevant information to the water management system. According to the reference, the current intelligent wireless sensor system is installed in the water management system to track information on the end user's water consumption activity, preference, location and time. However, most of the solutions currently in use or available on the market do not meet the demand for water supply suitable for the end user in real time. The author of the bibliography outlines water distribution in conjunction with the application of a recommendation system to recognize end user requirements to control the water treatment process. A recommendation system using contextual information such as end user's water consumption preference, water quality, regional form and status of grid network has the potential to deliver more suitable water resources to the end user in real time. The results in a conventional recommendation system can not match the actual situation in which water resources must be dispersed. Context information can impact referrals and support better water allocation for smart water grids. As far as we know, there is no systematic study of the Smart Water Grid that combines the recommendation system and the context awareness of wireless sensor networks.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 최종 사용자의 프로파일(profile), 물의 종류 및 네트워크 상태를 고려한 미래의 스마트 워터 그리드에서의 물의 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 또한, 수자원에 대한 최종 사용자의 공통적인 관심사를 근거로 최종 사용자를 각각 다른 공동체로 군집화하기 위한 스펙트럴 군집화(spectral clustering) 방법을 제안한다. 또한, 수자원에 대한 최종 사용자의 선호도 평가 목록을 얻기 위한 역전파(back propagation: BP) 신경망을 설계 방법을 제안한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for recommending a context for a water distribution in a smart water grid in consideration of an end user's profile, water type, and network status. We also propose a spectral clustering method for grouping end users into different communities based on the end user's common interests in water resources. We also propose a design method of back propagation (BP) neural network to obtain end user 's preference evaluation list for water resources.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천방법은 복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 상기 최종 사용자를 공동체로 군집화하는 단계, 컨텍스트 정보 및 상기 최종 사용자의 상기 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 상기 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하는 단계, 상기 추천에 따라 상기 최종 사용자의 요청이 없어도 수자원을 상기 최종 사용자에게 제공하는 단계를 포함할 수 있다. In one aspect, the context recommendation method for distributing water resources in a smart water grid proposed in the present invention includes grouping the end user into a community in consideration of a water consumption propensity of a plurality of end users, Recommending water resources to end users of the community in accordance with the feedback of the user's water consumption propensity parameter, and providing water resources to the end user without the end user's request in accordance with the recommendation.

상기 복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 상기 최종 사용자를 공동체로 군집화하는 단계는 상기 컨텍스트 정보를 이용하여 인접행렬 및 이득행렬을 생성하고, 상기 인접행렬 및 이득행렬을 이용하는 스펙트럴 군집화 알고리즘으로 최종 사용자를 군집화할 수 있다. The clustering of the end user into the community in consideration of the water consumption propensity of the plurality of end users includes generating an adjacent matrix and a gain matrix using the context information and using a spectral clustering algorithm using the adjacent matrix and the gain matrix End users can be clustered.

컨텍스트 정보 및 상기 최종 사용자의 상기 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 상기 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하는 단계는 콘텐츠 기반 접근방법을 이용하여 상기 최종 사용자의 물 소비 성향과 상기 수자원 특성 사이의 유사성을 산출하는 단계, 역전파 신경망에 의한 학습을 통해 수자원의 평가를 예측하는 단계를 포함할 수 있다. Recommending water resources to end users of the community in accordance with contextual information and feedback of the end-user's water consumption propensity parameter comprises using a content-based approach to determine a similarity between the end user's water consumption propensity and the water resource characteristics , And estimating the evaluation of the water resources through learning by the back propagation neural network.

상기 역전파 신경망에 의한 학습을 통해 수자원의 평가를 예측하는 단계Estimating the evaluation of the water resources through learning by the back propagation neural network

는 상기 컨텍스트 정보 중 분류되지 않은 항목에 대해 현재의 네트워크 상태에서 각 카테고리의 발생확률을 계산하고, 상기 계산된 발생확률이 가장 높은 항목을 해당 카테고리에 포함하여 상기 컨텍스 정보를 분류하고, 역전파 신경망에 의해 학습되어 예측할 수 있다. Calculates the occurrence probability of each category in the current network state for the unclassified items of the context information, classifies the context information by including the item having the highest occurrence probability in the corresponding category, Can be learned and predicted by neural networks.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천장치는 복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 상기 최종 사용자를 공동체로 군집화하는 공동체 모듈, 컨텍스트 정보 및 상기 최종 사용자의 상기 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 상기 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하는 추천 엔진 모듈, 상기 추천에 따라 상기 최종 사용자의 요청이 없어도 수자원을 상기 최종 사용자에게 제공하는 수자원 서버를 포함 할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a context recognition recommendation apparatus for distributing water resources in a Smart Water Grid, which includes a community module for grouping the end user into a community in consideration of a water consumption propensity of a plurality of end users, And a recommendation engine module that recommends water resources to end users of the community in accordance with the feedback of the end user's water consumption propensity parameter, a water resource server that provides water resources to the end user, . ≪ / RTI >

본 발명의 실시예들에 따르면 예상 평가가 가장 높은 수자원을 최종 사용자에게 추천하고, 제안된 방법이 기존의 추천 방안에 비하여 보다 나은 사용자의 경험과 함께, 추천의 정확도를 개선시킬 수 있다. According to embodiments of the present invention, the water resource with the highest expected rating is recommended to the end user, and the proposed method can improve the accuracy of the recommendation, along with a better user experience as compared to the existing recommendations.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 워터 그리드의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨텍스트 인지 추천시스템의 프레임워크를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공동체 네트워크의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수자원 컨텍스트 인지 정보의 분류 카테고리를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전파 신경망의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계된 역전파 신경망의 학습 성능을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 추천의 예측 성능을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram of a smart water grid according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for recommending a context for water resource distribution in a smart water grid according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
3 is a diagram illustrating a framework of a context aware recommendation system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a structure of a community network according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view showing a classification category of water resource context information according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a structure of a back propagation neural network according to an embodiment of the present invention.
7 is a block diagram illustrating a configuration of a context recognition recommendation apparatus for distributing water resources in a smart water grid according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a result of measuring a learning performance of a designed back propagation neural network according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a result of measuring a prediction performance of recommendation according to an embodiment of the present invention.

제안하는 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천방법 및 장치는 워터 그리드 내의 최종 사용자에게 완벽한 수자원을 추천하기 위하여 스마트 워터 그리드 네트워크를 위한 수자원을 최종 사용자에게 추천하고 분배할 수 있다. 또한, 최종 사용자의 물 소비 선호도, 물의 품질, 지역 형태 및 그리드 네트워크의 상태 등을 포함하는 컨텍스트 정보를 이용하여 최종 사용자를 각각의 다른 네트워크 공동체로 군집화하기 위한 스펙트럴 군집화 방안을 이용하여 최종 사용자를 군집화 할 수 있다. 또한, 역전파 신경망을 사용하기 위한 새로운 추천 프레임워크를 설계하여 수자원에 대한 최종 사용자의 선호도 평가 목록을 얻을 수 있다. 그리고, 예상 평가가 가장 높은 수자원을 해당 공동체 내의 최종 사용자에게 추천할 수 있다.Context - aware recommendation methods and devices for the proposed distribution of water resources in smart water grids can recommend and distribute water resources for smart water grid networks to end users to recommend perfect water resources to end users in the water grid. Also, by using spectral clustering scheme to cluster end users into each other network community using context information including end user's water consumption preference, water quality, region type and status of grid network, Clustering can be done. In addition, a new recommendation framework for the use of back propagation neural networks can be designed to obtain a list of end user preference ratings for water resources. And, the water resource with the highest expected estimate can be recommended to the end users in the community.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 스마트 워터 그리드의 개략도이다. 1 is a schematic view of a smart water grid.

그림 1에서 보는 바와 같이, 스마트 워터 그리드는 발전된 정보 및 통신 기술을 사용하여 이와 같은 전통적인 수자원 관리 시스템의 한계를 극복하기 위한 고효율의 차세대 물 관리 시스템이다. 종합 물 관리 시스템으로써의 스마트 워터 그리드는 다음과 같은 응용을 위하여 설계되었다.As shown in Figure 1, the Smart Water Grid is a highly efficient next generation water management system that uses advanced information and communication technologies to overcome the limitations of this traditional water management system. The Smart Water Grid as a comprehensive water management system is designed for the following applications.

- 빗물, 재활용수, 바닷물과 같은 수자원을 이용한다.- It uses water resources such as rainwater, recycled water, and sea water.

- 수자원의 불균형을 완화하기 위하여 물을 효과적으로 분배, 관리, 운송한다.- Efficiently distributes, manages and transports water to mitigate water imbalances.

- 발전된 센서 네트워크를 이용하여 수자원 네트워크의 안정성을 실시간으로 감시한다.- Monitor the stability of water resources network in real time using developed sensor network.

- 깨끗한 물을 수자원 네트워크에게 운반한다.
- Carry clean water to the water network.

스마트 워터 그리드의 기존의 수자원 관리 시스템은 빈번한 누수와 물의 생산으로 인하여 물의 손실이 크고, 물이 사용되는 곳과 요구되는 품질에 관계없이 물의 품질이 동일하기 때문에 처리 비용이 크다. 그리고, 스마트 워터 그리드 내 최종 사용자들의 수자원에 대한 관심사는 각기 다르다. 따라서, 다양한 사용자의 관심을 충족하여 지능적인 워터 그리드를 구축하기 위하여 수자원 추천 시스템이 필요하다.
The existing water resource management systems of the Smart Water Grid have a high water loss due to frequent leakage and the production of water, and the processing cost is high because the water quality is the same regardless of where the water is used and the required quality. And end users in the Smart Water Grid have different interests in water resources. Therefore, a water resource recommendation system is needed to build an intelligent water grid satisfying the interests of various users.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천방법을 설명하기 위한 흐름도이다. FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of recommending a context for a water resource distribution in a smart water grid according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 2을 참고하면, 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천방법은 복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 최종 사용자를 공동체로 군집화하는 단계(210), 컨텍스트 정보 및 최종 사용자의 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하는 단계(220), 추천에 따라 최종 사용자의 요청이 없어도 수자원을 최종 사용자에게 제공하는 단계(230)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the context aware recommendation method for water resource distribution in the smart water grid includes clustering 210 an end user into a community in consideration of the water consumption propensity of a plurality of end users, (220) recommending water resources to end users of the community in accordance with the feedback of the consumption propensity parameter, and providing (230) water resources to the end user without a request of the end user as recommended.

단계(210)에서, 복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 최종 사용자를 공동체로 군집화할 수 있다. 이때, 컨텍스트 정보를 이용하여 인접행렬 및 이득행렬을 생성하고, 인접행렬 및 이득행렬을 이용하는 스펙트럴 군집화 알고리즘으로 최종 사용자를 군집화할 수 있다. 다시 말해, 최종 사용자들의 성향에 따라, 서로 유사한 관심사를 가지는 사용자는 동일한 종류의 수자원을 필요로 할 수 있다. 최종 사용자는 사용자의 물 소비 성향을 고려하여 각기 다른 공동체로 군집화될 수 있다. 이것은 각기 다른 사용자의 수자원에 대한 요구를 처리하기 위한 방안일 수 있다. In step 210, the end user may be grouped into a community considering the water consumption propensity of a plurality of end users. At this time, an adjacent matrix and a gain matrix are generated using the context information, and the end user can be clustered by a spectral clustering algorithm using an adjacent matrix and a gain matrix. In other words, depending on the propensity of end users, users with similar interests may need the same kind of water resources. End users can be grouped into different communities considering the user's water consumption propensity. This could be a way to address the needs of different users' water resources.

단계(220)에서, 컨텍스트 정보 및 최종 사용자의 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천할 수 있다. 컨텍스트 정보 및 최종 사용자의 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하는 단계는 콘텐츠 기반 접근방법을 이용하여 최종 사용자의 물 소비 성향과 수자원 특성 사이의 유사성을 산출하는 단계(221), 역전파 신경망에 의한 학습을 통해 수자원의 평가를 예측하는 단계(222)를 포함할 수 있다. 역전파 신경망에 의한 학습을 통해 수자원의 평가를 예측하는 단계는 컨텍스트 정보 중 분류되지 않은 항목에 대해 현재의 네트워크 상태에서 각 카테고리의 발생확률을 계산할 수 있다. 그리고, 계산된 발생확률이 가장 높은 항목을 해당 카테고리에 포함하여 컨텍스 정보를 분류할 수 있다. 그리고, 역전파 신경망에 의해 학습되어 수자원 평가를 예측할 수 있다. 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. In step 220, water resources may be recommended to end users of the community according to contextual information and feedback of the end user's water consumption propensity parameter. The step of recommending water resources to end users of the community in accordance with the context information and the feedback of the water consumption propensity parameter of the end user may include calculating a similarity between the water consumption propensity of the end user and the water resource characteristics using a content based approach 221), and predicting the evaluation of the water resources (222) through learning by the back propagation neural network. The step of predicting the evaluation of the water resources through learning by the back propagation neural network can calculate the occurrence probability of each category in the current network state for the items not classified in the context information. Then, the context information can be classified by including the item having the highest probability of occurrence in the category. And, it can be learned by back propagation neural network, and water resource evaluation can be predicted. Will be described in detail with reference to FIG.

도 3을 참조하면, 도 3에서 보는 바와 같이, 추천 시스템(310)은 컨텍스트 정보(350) 및 사용자의 물 소비 파라미터의 피드백에 따라서 수자원을 공동체(330)의 최종 사용자에게 추천할 수 있다. 예를 들어, 이 모듈에서는 M개 종류의 수자원(340)(예를 들어, 신선한 물, 빗물, 바닷물 등)이 자원 서버에 저장되어 있고, L명의 사용자가 공동체(330) 내에 분포되어 있다고 가정할 수 있다. 최종 사용자의 프로파일(320)과 물 소비 이력에 근거하여 최종 사용자를 위한 수자원(340)을 선택할 수 있다. 실제로 이는 다차원 입력 및 다차원 출력 모델로, 자원의 특성 rm, 컨텍스트 rc, 사용자 프로파일 ru 및 스마트 워터 그리드의 상태 rt 가 입력되고, 시나리오 os, 수자원 om 및 스코어 osc가 출력되며, 이들은 수학식1과 같이 정의될 수 잇다.
Referring to FIG. 3, the recommendation system 310 may recommend water resources to the end user of the community 330 according to the context information 350 and the feedback of the user's water consumption parameters, as shown in FIG. For example, in this module, it is assumed that M kinds of water resources 340 (e.g., fresh water, rainwater, sea water, etc.) are stored in the resource server and L users are distributed within the community 330 . The user may select the water source 340 for the end user based on the end user's profile 320 and the water consumption history. In practice, this is a multidimensional input and multidimensional output model, in which the characteristics r m of the resource, the context r c , the user profile r u, and the state r t of the smart water grid are input and the scenario o s , the water source o m and the score o sc are output , Which can be defined as in Equation (1).

O(os, om, osc) = R(rm, rc, ru, rt) 수학식1
O (o s , o m , o sc ) = R (r m , r c , r u , r t )

단계(230)에서, 추천에 따라 최종 사용자의 요청이 없어도 수자원을 최종 사용자에게 제공할 수 있다. 예를 들어, M개 종류의 수자원이 자원 서버에 저장되어 있을 수 있다. 이들은 네트워크의 가장자리에 위치할 수 있다. 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위하여 두 개의 패턴이 동작할 수 있다. 그 중 하나는, 최종 사용자가 수자원 서버로 요청을 보내고, 수자원 서버는 요청된 수자원을 사용자에게 전달할 수 있다. 다른 하나의 패턴에서, 추천 엔진이 최종 사용자를 위한 수자원을 추천하고, 이에 따라 수자원 서버는 사용자의 요청이 없어도 수자원을 사용자에게 일방적으로 제공할 수 있다.
In step 230, water resources may be provided to the end user without the end user's request, as recommended. For example, M kinds of water resources may be stored in the resource server. These can be located at the edge of the network. Two patterns can work for water distribution in the Smart Water Grid. One of them is that the end user sends a request to the water server, and the water server can deliver the requested water to the user. In another pattern, the recommendation engine recommends water for the end user, so that the water server can unilaterally provide water to the user without the user's request.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨텍스트 인지 추천시스템의 프레임워크를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating a framework of a context aware recommendation system according to an embodiment of the present invention.

다시 도 3을 참조하여, 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 수자원 추천방식에 대하여 상세히 설명한다. Referring again to FIG. 3, the context-sensitive water resource recommendation scheme for water resource distribution in the smart water grid will be described in detail.

제안하는 발명은 예측의 정확도가 높고 시간 지연이 낮은 수자원 추천 시스템을 개발하기 위하여 스마트 워터 그리드를 설계 및 구현하였으며, 이에 따른 추천 시스템(310)을 이용하여 공동체에 속한 최종 사용자에게 근사적인 추천을 제공할 수 있다. 제안하는 발명의 핵심 목표는 추천방식에서 추천의 정확도를 높이는 것이다. 수자원(340)에 대한 최종 사용자의 공통적인 관심사를 근거로 최종 사용자를 각각 다른 공동체(331, 332, 333)로 군집화하기 위하여 스펙트럴 군집화 방법을 채택할 수 있다. 여기에서 다른 공동체는 농업지역(331), 산업단지(332), 주거지역(333) 등을 포함할 수 있다. 그리고, 최종 사용자의 추가 요청을 예측하기 위하여 콘텐트 기반의 방법으로 획득한 수자원 평가를 역전파 신경망으로 입력할 수 있다. The proposed invention designs and implements a Smart Water Grid to develop a water recommendation system with high prediction accuracy and low time delay, and recommends an approximate recommendation to the end users belonging to the community using the recommended system 310 can do. The key goal of the proposed invention is to increase the accuracy of recommendations in recommendation schemes. Spectral clustering methods may be employed to cluster the end users into different communities 331, 332, and 333, respectively, based on the end user's common interests with the water resources 340. Here, the other community may include an agricultural area 331, an industrial estate 332, a residential area 333, and the like. Then, the water resource evaluation obtained by the content-based method can be input to the back propagation neural network to predict the end user's addition request.

이러한 추천방식은 컨텍스트 정보(350)를 이용하여 실시간 풀-푸시 어플리케이션(in-time and pull-push applications)의 요구사항을 충족시킬 수 있다. 컨텍스트 정보(350)를 효과적으로 기술하는 것은 매우 중요한 일이다. 예를 들어, 컨텍스트 정보(350) 모델을 다음과 같이 기술하기 위하여 온톨로지 접근방법을 사용할 수 있다.This recommendation method can satisfy the requirements of in-time and pull-push applications using the context information 350. Describing the context information 350 effectively is very important. For example, an ontology approach may be used to describe the context information 350 model as follows.

- 사용자의 행동 컨텍스트: 시간, 장소, 활동 등- User's behavior context: time, place, activity, etc.

- 사용자의 물 소비 컨텍스트: 물의 종류, 물의 양, 시간, 목적 등- User's water consumption context: type of water, amount of water, time, purpose, etc.

- 워터 그리드 네트워크 컨텍스트: 네트워크의 상태, 커버리지, 용량, 전력 등- Water grid network context: network status, coverage, capacity, power, etc.

수자원에 대한 사용자의 공통적인 관심 사항을 근거로 최종 사용자를 각각 다른 공동체(331, 332, 333)로 군집화할 수 있다. 이때, 스펙트럴 그래프 이론을 이용하여 스펙트럴 군집화 알고리즘을 구축할 수 있다. 이는 기존의 군집화 알고리즘에 비하여 임의의 형태의 샘플 공간에서 군집화를 하는 장점이 있으며 전역적 최적해(global optimal solution)로의 수렴이 양호하다. 공동체를 발견하기 위한 이 새로운 스펙트럴 군집화 방법은 인접행렬과 이득행렬을 구축함으로써 실현될 수 있다. 예를 들어, 스마트 워터 그리드 내에 N명의 사용자가 있는 것으로 가정할 수 있다. 그리고, N명의 사용자를 K개의 공동체로 군집화 하기 위하여 이득 함수 기반의 스펙트럴 군집화 알고리즘을 정의할 수 있다. The end users can be grouped into different communities 331, 332, and 333, respectively, based on the user's common interests in the water resources. At this time, spectral clustering algorithm can be constructed using spectral graph theory. This has the advantages of clustering in arbitrary type of sample space as compared with the conventional clustering algorithm and convergence to the global optimal solution is good. This new spectral clustering method for discovering communities can be realized by building adjacency matrices and gain matrices. For example, it can be assumed that there are N users in the Smart Water Grid. And we can define the spectral clustering algorithm based on the gain function to cluster N users into K communities.

예를 들어, 인접행렬은 네트워크 내에 N명의 최종 사용자가 있는 것으로 가정하며, Λ을 네트워크 내의 인접행렬이라 명명한다. 사용자 i와 j 사이에 연관성이 있다면 이는 공통의 관심사를 나타내며, Λij=1이 되고, 연관성이 없다면 Λij=0이 된다. 상호행렬 집합(mutual matrix set) G를 표현하기 위하여 행렬 G의 원소는 수학식2와 같이 표현될 수 있다.
For example, the adjacency matrix is assumed to have N end users in the network, and Λ is called an adjacency matrix in the network. If there is a relationship between user i and j, this represents a common concern, Λ ij = 1, and if not, Λ ij = 0. In order to express a mutual matrix set G, an element of a matrix G can be expressed by Equation (2).

Figure pat00001
수학식2
Figure pat00001
Equation 2

여기에서, Λij와 Λkj는 인접행렬 Λ의 원소이고, 사용자 i 및 사용자 j 모두가 사용자 k와의 연결면(connection side)이 있다면 ΛikΛij=1이 되고, 이는 사용자 i와 사용자 j 사이의 공통 이웃(공통 관심사항)의 수를 나타낼 수 있다.Here, Λ ij and Λ kj are elements of the adjacency matrix Λ, and if both user i and user j have a connection side with user k, then Λ ik Λ ij = 1, which means that between user i and user j The number of common neighbors (common interests).

예를 들어, 이득행렬은 gi와 gj를 사용자 i와 사용자 j 사이의 등급으로 정의할 수 있다. 이러한 등급은 네트워크 내에서 사용자와 다른 사용자들 사이의 연결면의 수를 나타낼 수 있다. 임의의 사용자 쌍에서 공통 이웃의 수를

Figure pat00002
로 정의할 수 있다. 이득함수는 수학식3과 같이 표현될 수 있다.
For example, the gain matrix can define g i and g j as the rank between user i and user j. This rating can indicate the number of connections between users and other users in the network. The number of common neighbors in any pair of users
Figure pat00002
. The gain function can be expressed as Equation (3).

Figure pat00003
수학식3
Figure pat00003
Equation 3

여기에서,

Figure pat00004
는 공동체 내에서의 회원함수 (membership function)로 정의 한다. 사용자 i와 사용자 j가 동일한 공동체 내에 있으면
Figure pat00005
=1이 되고, 그렇지 않으면
Figure pat00006
=0이 된다. Φ는 공통 관심사에 기반한 공통 이웃의 개수와 임의의 관심사에 기반한 공통 이웃의 개수와의 차이로 정의될 수 있다. 공동체의 마크 벡터(mark vector)는 S = (s1, s2 ... sn)로 표현된다. 사용자 i가 제1 공동체에 속해있으면 si = +1이 되고, 그렇지 않다면 si = -1이 된다.
Figure pat00007
가 되고,
From here,
Figure pat00004
Is defined as a membership function in the community. If user i and user j are in the same community
Figure pat00005
= 1, otherwise
Figure pat00006
= 0. May be defined as the difference between the number of common neighbors based on a common interest and the number of common neighbors based on any interest. The mark vector of the community is expressed as S = (s1, s2 ... sn). If user i belongs to the first community, si = +1, otherwise si = -1.
Figure pat00007
Lt; / RTI &

Figure pat00008
수학식4
Figure pat00008
Equation 4

Figure pat00009
수학식5
Figure pat00009
Equation 5

공동체에 대한 인접 항목만 고려할 수 있다. 여기에서,
Only contiguous items for the community can be considered. From here,

Figure pat00010
수학식6
Figure pat00010
Equation 6

그리고, 이득행렬 C는 다음과 같이 정의될 수 있다.The gain matrix C can be defined as follows.

Figure pat00011
수학식7
Figure pat00011
Equation 7

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공동체 네트워크의 구조를 나타내는 도면이다. 위에서 설명한 방법으로 정의된 인접행렬 Λ와 이득행렬 C에 근거하여 도 4에서 보는 바와 같이 복잡한 네트워크를 공동체A(410), 공동체B(420)의 두 개의 공동체로 군집화할 수 있다. 이렇게 공동체로 군집화하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 이득행렬 C의 최대 고유 값 중에서 주(principal) 고유벡터를 계산할 수 있다. 이후, 고유벡터 내 주된 요소의 부호에 기반한 네트워크를 두 개의 공동체로 군집화할 수 있다. 이러한 각각의 공동체는 새로운 스펙트럴 군집화 방법에 의하여 다시 다른 공동체들로 분리될 수 있다. 예를 들어, 공동체A(410)는 복수의 공동체들(411, 412, 413, 414, 415)로 분리될 수 있고, 공동체B(420)는 복수의 공동체들(421, 422, 423, 424, 425)로 분리될 수 있다.
4 is a diagram illustrating a structure of a community network according to an embodiment of the present invention. Based on the adjacency matrix Λ and the gain matrix C defined by the above-described method, a complex network can be grouped into two communities of community A (410) and community B (420), as shown in FIG. The process of clustering into the community is as follows. First, a principal eigenvector can be calculated from the maximum eigenvalues of the gain matrix C. The network based on the sign of the main element in the eigenvector can then be grouped into two communities. Each of these communities can be separated into other communities by a new spectral clustering method. For example, community A 410 may be divided into a plurality of communities 411, 412, 413, 414, 415, and community B 420 may be divided into a plurality of communities 421, 422, 423, 424, 425 < / RTI >

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수자원 컨텍스트 인지 정보의 분류 카테고리를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 수자원 컨텍스트 정보(510)는 시간(520), 장소(530), 활용(540), 네트워크(550) 등으로 분류될 수 있다. 이렇게 분리된 카테고리는 다시 세분화 될 수 있다. 예를 들어, 시간(520)은 오전(521), 오후(522), 저녁(523)으로 세분화 될수 있고, 장소(530)는 주거단지(531), 산업단지(532), 농업지역(533)으로 세분화될 수 있다. 또한, 활용(540)은 빗물(541), 담수(542), 재이용수(543)로 세분화될 수 있고, 네트워크(550)는 양호(551), 보통(552), 불량(533)으로 세분화될 수 있다. FIG. 5 is a view showing a classification category of water resource context information according to an embodiment of the present invention. 5, the water resource context information 510 may be classified into time 520, location 530, utilization 540, network 550, and the like. This separate category can be further subdivided. For example, time 520 may be subdivided into morning 521, afternoon 522, evening 523, and location 530 may be subdivided into residential complex 531, industrial complex 532, agricultural area 533, . ≪ / RTI > In addition, utilization 540 may be subdivided into rainwater 541, fresh water 542, and reuse water 543, and network 550 may be subdivided into good 551, normal 552, poor 533 .

먼저, 컨텍스트 정보 및 최종 사용자의 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하기 위해 수자원에 대한 유사성 산출할 수 있다. 콘텐츠 기반의 추천 시스템은 물 사용 이력에 있어서 수자원에 대하여 유사한 관심을 가지는 최종 사용자에게 수자원을 추천할 수 있다. 예를 들어, 최종 사용자를 기술하는 파라미터가 n개 있다고 가정하면, 초기 특성에 대한 사용자 i의 선호도 가중치는 w = (w1, w2, ...,wn)로 표현될 수 있다. 그리고, 수자원에 대한 초기 특성 사이의 상관관계는 벡터 c = (c1, c2, ,,,, cn)로 표현될 수 있다. 사용자 성향과 수자원 특성 사이의 유사도는 콘텐츠 기반의 접근방법을 통하여 계산될 수 있다. 여현 유사성 방정식은 수학식8과 같이 정의된다.
First, the similarity of the water resources can be calculated to recommend water resources to the end users of the community according to the context information and the feedback of the end user's water consumption propensity parameter. The content-based recommendation system can recommend water resources to end users who have similar interests in water resources in water use history. For example, assuming that there are n parameters describing the end user, the preference weights of user i for the initial characteristics can be expressed as w = (w1, w2, ..., wn). Then, the correlation between the initial characteristics for the water resources can be expressed by the vector c = (c1, c2,,,, cn). The similarity between user propensity and water resource characteristics can be calculated through a content - based approach. The cosine similarity equation is defined as Equation (8).

Figure pat00012
수학식8
Figure pat00012
Equation 8

이러한 방법으로 유사성 고유벡터 공간 S = {s1, s2, ..., sm}를 얻을 수 있고, 이는 사용자 i와 M개 수자원 사이의 유사성을 나타낼 수 있다.In this way, a similarity eigenvector space S = {s1, s2, ..., sm} can be obtained, which can represent the similarity between user i and M water resources.

다음으로, 수자원의 평가를 예측할 수 있다. 이러한 수자원의 평가는 역전파 신경망에 의하여 학습되고 예측된다. 또한, 컨텍스트 정보는 베이즈 네트워크(naive Bayes network)에 의해 분류될 수 있다. 그리고, 수자원의 평가를 예측하기 위하여 역전파 신경망이 설계되었다. 베이즈 네트워크는 분류되지 않은 항목에 대한 현재의 네트워크 상태에서 각 카테고리의 발생확률을 계산할 수 있다. 그리고, 확률이 가장 높은 항목이 해당 카테고리에 속하는 것으로 분류될 수 있다. 베이즈 네트워크는 그림 5에서 보는 바와 같이 컨텍스트 인지 정보를 분류하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 베이즈 네트워크를 기반으로 컨텍스트 인지 정보를 k개의 카테고리로 분류하면, 이는 {λ1, λ2, ..., λk}, k = 1, 2, ..., n로 정의될 수 잇다. 컨텍스트 상황 λi에서 사용자가 수자원 xj를 요청할 확률은 사용자의 이력에 근거하여 수학식9 내지 수학시11을 이용하여 계산될 수 있다.
Next, the evaluation of water resources can be predicted. The evaluation of these water resources is learned and predicted by back propagation neural networks. In addition, the context information may be classified by a naive Bayes network. And back propagation neural network was designed to predict the evaluation of water resources. The Bayesian network can calculate the probability of occurrence of each category in the current network state for unclassified items. And, the item with the highest probability can be classified as belonging to the category. The Bayesian network can be used to classify context sensitive information as shown in Figure 5. For example, classification of context-aware information into k categories based on the Bayesian network is defined as {λ 1 , λ 2 , ..., λ k }, k = 1, 2, ..., It can be. The probability that the user requests the water source x j in the context situation? I can be calculated using Equations 9 to 11 based on the user's history.

P(λi|xi ) = P(xji)P(λi)/P(xj) 수학식9P (x i | x i ) = P (x j | λ i ) P (λ i ) / P (x j )

Figure pat00013
수학식10
Figure pat00013
Equation 10

Figure pat00014
수학식11
Figure pat00014
Equation 11

여기에서, {tv}는 수자원 xj의 N개의 특성, r(λi)는 시나리오 내 요청의 수, T는 xj와 유사한 요청된 수자원의 수, T(tv)는 특성 tv를 가지는 수자원을 요청한 횟수, T(λi)는 시나리오 λi에서 물을 요청한 횟수를 나타낼 수 있다. 나머지는 이와 동일한 방식으로 나타낼 수 있으며, {p(λ1 | xj), p(λ2 | xj), ..., p(λk | xj)}로 표현되는 K차원의 컨텍스트 벡터를 얻을 수 있다.
Here, a {t v} is the N characteristic of water x j, r (λ i) is the number of my request scenario, T is the number of similar requests water and x j, T (t v) is a characteristic t v The number of requests for water resources, T (λ i ), can indicate the number of times water is requested in the scenario λ i . The rest may be represented in the same way, {p (λ 1 | x j), p (λ 2 | x j), ..., p (λ k | x j)} in K-dimensional context, represented by the vector Can be obtained.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역전파 신경망의 구조를 나타내는 도면이다.6 is a diagram showing a structure of a back propagation neural network according to an embodiment of the present invention.

역전파 신경망은 세 가지의 계층, 즉 입력층(610), 은닉층(620), 출력층(630)을 포함할 수 있다. 이러한 세가지 계층에서의 사용자의 행위(performance)에 대한 피드백을 고려하여 가중치를 조절할 수 있다는 큰 장점이 있다. 입력 신경세포들(611, 612, 613)의 수는 컨텍스트 벡터 λ의 요소의 수와 동일하고, 서로 다른 컨텍스트 상황에서의 확률 값 p(λk | xj)은 입력층에 대한 입력으로 사용될 수 있다. 은닉층(620) 에서의 신경세포의 수는 상수 값이 아니며 예측 결과의 평균 제곱 오차(MSE: Mean Squared Error)에 따라 달라질 수 있다. 역전파 신경망의 목적은 수자원의 평가를 획득하는 것이므로, 출력층(630)을 위해서는 하나의 노드 만을 설계하였다. 또한, 트랜잭션 함수로 시그모이드(sigmoid) 함수를 채택할 수 있다. 하나의 신경세포에 여러 개의 입력이 있다면, 이러한 입력은 입력 값 X의 가중치 합을 통하여 얻을 수 있다. 출력은 수학식12를 통하여 계산할 수 있다.
The back propagation neural network may include three layers: an input layer 610, a hidden layer 620, and an output layer 630. There is a great advantage that weights can be adjusted by considering the feedback on the performance of the user in these three layers. The number of input neurons 611, 612, 613 is equal to the number of elements of the context vector [lambda], and probability values p (λ k | x j ) in different context situations can be used as inputs to the input layer have. The number of neurons in the hidden layer 620 is not a constant value and may vary according to the mean squared error (MSE) of the prediction result. Since the purpose of the back propagation neural network is to obtain an evaluation of the water resources, only one node is designed for the output layer 630. In addition, the sigmoid function can be adopted as a transaction function. If there are multiple inputs to a single neuron, these inputs can be obtained through the weighted sum of the input values X. The output can be calculated through Equation (12).

Figure pat00015
수학식12
Figure pat00015
Equation 12

이때, 출력 노드의 출력 값이 예상 치와 다른 경우 가중치를 변경할 수 있다. 역전파 네트워크의 역전파 단계(phase)에서, 출력층(630)의 오류 신호는 전방으로 전파되어 가중치를 오류함수 네트워크의 음의 기울기(negative gradient) 방향으로 수정할 수 있다. 예를 들어, 은닉 노드 j에서 출력으로의 가중치 수정 양은 시간 t에서 wj(t)라고 가정하고, 이는 수학식13과 같이 표현할 수 있다.
At this time, if the output value of the output node is different from the expected value, the weight value can be changed. In the back propagation phase of the back propagation network, the error signal of the output layer 630 may propagate forward to modify the weight to a negative gradient direction of the error function network. For example, it is assumed that the amount of weight modification from the hidden node j to the output is w j (t) at time t, which can be expressed as shown in equation (13).

Figure pat00016
수학식13
Figure pat00016
Equation 13

여기에서, wj(t+1) = wj(t) - ?wj(t)는 오류 함수이고, O'(t)는 기대 출력이다. 은닉층(620)에서 출력층(630)으로 수정된 가중치는 수학식14와 같이 계산할 수 있다.
Where w j (t + 1) = w j (t) -? W j (t) is the error function and O '(t) is the expected output. The modified weight from the hidden layer 620 to the output layer 630 can be calculated as shown in Equation (14).

wj(t+1) = wj(t) - ηwj(t) 수학식14
w j (t + 1) = w j (t) - ηw j (t) equation (14)

여기에서, η는 학습 보정율(learning correction rate)을 나타낸다. 이와 유사하게, 입력 노드 l에서 은닉 노드 j로의 상관값 wlj(t)를 얻을 수 있고, 이는 수학식15 내지 수학식17을 이용하여 계산할 수 있다.
Here,? Represents a learning correction rate. Similarly, the correlation value w lj (t) from the input node l to the hidden node j can be obtained, which can be calculated using Equations (15) to (17).

h(t) = [O'(t) - O(t)]{O(t)[1 - O(t)]} 수학식15O (t) = [O '(t) - O (t)] {O

Figure pat00017
수학식16
Figure pat00017
Equation 16

wlj(t + 1) = wlj(t) - ηwlj(t) 수학식17
w lj (t + 1) = w lj (t) - ηw lj (t) Equation (17)

마지막으로, 수학식18을 이용하여 수자원 xj에 대한 예측 평가를 계산할 수 있다.
Finally, a prediction estimate for the water source x j can be calculated using equation (18).

δ= wpSim + wcP*(λi |xj|) + wn 수학식18
? = w p Sim + w c P * (? i | x j |) + w n Equation 18

여기에서, wp는 유사도의 가중치이고, wc는 컨텍스트 예측 확률의 가중치이고, wn은 네트워크 상태 (wp +wc +wn = 1)의 가중치를 나타낸다. 가중치는 고정된 것이 아니며, 각각 다른 요구사항과 네트워크 상황을 고려하여 조절할 수 있다. 따라서, 이와 같은 추천방식을 사용하여 M개의 수자원을 학습하고 예측할 수 있으며, 이러한 방식을 통하여 사용자에 대한 자원 추천 수준을 나타내는 예측 자원의 평가 목록을 얻을 수 있다. 또한, 가장 높은 예측 평가를 가지는 수자원을 사용자에게 추천할 수 있다.
Where w p is the weight of the similarity, w c is the weight of the context prediction probability, and w n is the weight of the network state (w p + w c + w n = 1). The weights are not fixed, but can be adjusted to account for different requirements and network conditions. Thus, using such a recommendation method, M water resources can be learned and predicted, and an evaluation list of predicted resources indicating the resource recommendation level for the user can be obtained through this method. Also, water resources with the highest predictive rating can be recommended to the user.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천장치의 구성을 나타내는 블록도이다.7 is a block diagram illustrating a configuration of a context recognition recommendation apparatus for distributing water resources in a smart water grid according to an embodiment of the present invention.

스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천장치는 공동체 모듈(710), 추천 시스템(720), 수자원 서버(730)를 포함할 수 있다. The context awareness recommendation device for water resource distribution in the smart water grid may include a community module 710, a recommendation system 720, and a water resource server 730.

공동체 모듈(710)은 복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 최종 사용자를 공동체로 군집화할 수 있다. 이때, 컨텍스트 정보를 이용하여 인접행렬 및 이득행렬을 생성하고, 인접행렬 및 이득행렬을 이용하는 스펙트럴 군집화 알고리즘으로 최종 사용자를 군집화할 수 있다. 다시 말해, 최종 사용자들의 성향에 따라, 서로 유사한 관심사를 가지는 사용자는 동일한 종류의 수자원을 필요로 할 수 있다. 최종 사용자는 사용자의 물 소비 성향을 고려하여 각기 다른 공동체로 군집화될 수 있다. 이것은 각기 다른 사용자의 수자원에 대한 요구를 처리하기 위한 방안일 수 있다. The community module 710 may group the end user into a community in consideration of the water consumption propensity of a plurality of end users. At this time, an adjacent matrix and a gain matrix are generated using the context information, and the end user can be clustered by a spectral clustering algorithm using an adjacent matrix and a gain matrix. In other words, depending on the propensity of end users, users with similar interests may need the same kind of water resources. End users can be grouped into different communities considering the user's water consumption propensity. This could be a way to address the needs of different users' water resources.

추천 시스템(720)은 컨텍스트 정보 및 최종 사용자의 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천할 수 있다. 추천 시스템(720)은 콘텐츠 기반 접근방법을 이용하여 최종 사용자의 물 소비 성향과 수자원 특성 사이의 유사성을 산출하고, 역전파 신경망에 의한 학습을 통해 수자원의 평가를 예측할 수 있다. 이때, 컨텍스트 정보 중 분류되지 않은 항목에 대해 현재의 네트워크 상태에서 각 카테고리의 발생확률을 계산할 수 있다. 그리고, 계산된 발생확률이 가장 높은 항목을 해당 카테고리에 포함하여 컨텍스 정보를 분류할 수 있다. 또한, 역전파 신경망에 의해 학습되어 수자원의 평가를 예측할 수 있다. Recommendation system 720 may recommend water resources to end users of the community based on contextual information and feedback of the end user's water consumption propensity parameter. The recommendation system 720 may use the content-based approach to calculate the similarity between the end user's water consumption propensity and the water resource characteristics and predict the evaluation of the water resources through learning by the back propagation neural network. At this time, the occurrence probability of each category in the current network state can be calculated for the unclassified items in the context information. Then, the context information can be classified by including the item having the highest probability of occurrence in the category. It can also be trained by back propagation neural networks to predict the evaluation of water resources.

수자원 서버(730)는 추천에 따라 최종 사용자의 요청이 없어도 수자원을 최종 사용자에게 제공할 수 있다. 예를 들어, M개 종류의 수자원이 자원 서버에 저장되어 있을 수 있다. 이들은 네트워크의 가장자리에 위치할 수 있다. 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위하여 두 개의 패턴이 동작할 수 있다. 그 중 하나는, 최종 사용자가 수자원 서버로 요청을 보내고, 수자원 서버는 요청된 수자원을 사용자에게 전달할 수 있다. 다른 하나의 패턴에서, 추천 엔진이 최종 사용자를 위한 수자원을 추천하고, 이에 따라 수자원 서버는 사용자의 요청이 없어도 수자원을 사용자에게 일방적으로 제공할 수 있다.
The water resource server 730 can provide water resources to the end user even if there is no request from the end user as recommended. For example, M kinds of water resources may be stored in the resource server. These can be located at the edge of the network. Two patterns can work for water distribution in the Smart Water Grid. One of them is that the end user sends a request to the water server, and the water server can deliver the requested water to the user. In another pattern, the recommendation engine recommends water for the end user, so that the water server can unilaterally provide water to the user without the user's request.

다음으로, 제안하는 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천방법 및 장치를 이용하여 측정한 평가 결과에 대하여 설명한다. Next, the results of the evaluation using the context recognition recommendation method and apparatus for water resource distribution in the proposed smart water grid will be described.

먼저, 파라미터 설계에 대하여 설명한다. 관련되는 표준 플랫폼과 물 공동체 네트워크(water community network) 내 사용자의 실험 데이터를 이용할 수 없음 고려하여, 본 시뮬레이션에서는 스마트 워터 그리드로부터 실험 데이터를 얻기 위하여 샘플 방법을 채택할 수 있다. 자원 특성, 컨텍스트 인지 정보 (시간, 장소, 활동) 및 워터 그리드 네트워크 상태를 포함하는 세 가지 종류의 컨텍스트 정보를 고려할 수 있다. 300개의 컨텍스트 정보 실험 데이터, 공동체 내 50명의 사용자, 그리고 10가지 종류의 수자원이 시뮬레이션의 파라미터로 주어진다. 사용자는 시뮬레이션이 시작할 때 시스템에 합류하고 시뮬레이션 종료 시에 시스템을 떠난다. 이와 같은 파라미터를 고려하여, 5개의 입력층 노드, 7개의 은닉층 노드 및 1개의 출력층 노드를 포함하는 역전파 신경망을 설계할 수 있다. 또한, 서로 다른 수자원 추천 시스템에 대하여 일정한 기준을 정하기 어렵기 때문에, 세 개의 평가 기준을 정하여 수자원 추천방식의 품질을 표시할 수 있다. 정밀도 Pr과 회수도(recall) Re를 포함하는 추천모델의 품질 나타내기 위하여 추천 수자원의 수 Nr와 관심 수자원의 수 Ni를 사용하며, 이는 수학식19와 같이 표현될 수 있다.
First, the parameter design will be described. Considering that the user's experimental data is not available on the relevant standard platform and the water community network, the simulation method can be adapted to obtain the experimental data from the Smart Water Grid. Three kinds of context information including resource characteristics, context recognition information (time, place, activity) and water grid network status can be considered. 300 contextual experimental data, 50 users in the community, and 10 types of water resources are given as parameters of the simulation. The user joins the system at the start of the simulation and leaves the system at the end of the simulation. Taking these parameters into consideration, it is possible to design a back propagation neural network including five input layer nodes, seven hidden layer nodes, and one output layer node. In addition, since it is difficult to set a standard for different water resource recommendation systems, it is possible to designate three evaluation criteria and display the quality of the water resource recommendation system. The number of recommended water sources Nr and the number of water sources of interest Ni are used to represent the quality of the recommended model, including the precision Pr and the recall Re, which can be expressed as Equation 19.

Pr = Nr n Ni Nr 수학식19
Pr = NrnNiNr Equation 19

기준 1: 정밀도 값은 추천되는 자원의 양에 대한 사용자가 관심을 가지며 이에 따라 추천되는 수자원의 양의 비율이며, 수학식20과 같이 주어진다.
Criterion 1: The precision value is the ratio of the amount of water recommended by the user to the amount of recommended resource, and is thus given, as shown in equation (20).

Figure pat00018
수학식20
Figure pat00018
Equation 20

기준 2: 회수도는 수집된 관심대상 자원의 양에 대한 추천되는 관심대상 수자원의 양의 비율이며, 수학식21과 같이 주어진다.
Criterion 2: Recovery rate is the ratio of the amount of water of interest that is recommended to the amount of collected interest resources,

Figure pat00019
수학식21
Figure pat00019
21

기준 3: 사용자의 만족도 값은 수자원의 용적 Qsp, 수자원의 인기도 Qpp, 수자원의 품질 Qqp 및 가중치 Sci에 대한 정도의 합으로 계산되며, 수학식22와 같이 주어진다.
Criterion 3: The satisfaction value of the user is calculated as the sum of the volume Q sp of the water resources, the popularity Q pp of the water resources, the quality Q qp of the water resources, and the weight S ci , and is given by Equation (22).

score = Sc1Qsp + Sc2Qpp + Sc3Qqp 수학식22
score = Sc1Qsp + Sc2Qpp + Sc3Qqp Equation 22

정밀도 값은 추천 시스템의 정확도를 나타낸다. 회수도는 관심 있는 수자원의 추천 비율을 나타내며, Qos 값은 추천에 대한 사용자의 만족도를 나타낸다.The precision value indicates the accuracy of the recommendation system. The recall value represents the recommended percentage of water resources of interest and the Q os value represents the user's satisfaction with the recommendation.

다음으로, 평가 결과에 대해 설명한다. 수자원 분배 방식의 설계된 파라미터에 근거하여, 먼저, 정밀도와 회수에 대한 값을 계산할 수 있다. 예를 들어, 본 추천방식은 예측 값이 0.82이고 회수도가 0.36일 때 0.84의 사용자 만족도를 달성할 수 있다. 사용자마다 각각의 성향이 다르기 때문에 수자원의 평가는 사용자에 있어서 불공정 대상일 수 있다. 정규화된 평가 기준(NRC)을 수학식23과 같이 정의한다.
Next, evaluation results will be described. Based on the designed parameters of the water distribution method, first, the values for the precision and the number of times can be calculated. For example, this recommendation method can achieve a user satisfaction of 0.84 when the predicted value is 0.82 and the recall is 0.36. Since each user has a different tendency, the evaluation of the water resources may be an unfair target for the user. The normalized evaluation criterion (NRC) is defined as Equation (23).

Figure pat00020
수학식23
Figure pat00020
Equation 23

여기에서, L은 물 이용 공동체 내의 최종 사용자의 수를 나타내고, L = 50이다.
Here, L represents the number of end users in the water use community, and L = 50.

표 1은 NRC 대 물 종류의 수를 나타낸 표이다.
Table 1 is a table showing the number of NRC versus water types.

<표 1><Table 1>

Figure pat00021

Figure pat00021

도 8 및 도 9은 측정 결과를 나타낸 도면이다.Figs. 8 and 9 are diagrams showing measurement results. Fig.

제안된 추천 시스템의 성능을 NRC와 MSE에 대한 시뮬레이션을 통하여 평가하였다. 표 1은 NRC에 대한 물 종류의 수를 다양하게 보여준다. 제안된 시스템의 NRC는 무작위 추천 시스템의 NRC보다 높다. 도 8은 제안된 시스템의 확장성(scalability)과 수렴도(convergence)를 보여주며, 이는 본 논문의 추천 시스템이 설계된 역전파 신경망에 대하여 빠른 수렴도와 높은 확장성을 가지고 있다는 것을 시사한다. 도 9는 추천방식의 예측 성능을 보여준다. 제안된 방식이 수자원을 추천함에 있어서 수자원 평가 예측에 대하여 양호한 성능을 가진다는 것을 나타낸다.The performance of the proposed recommendation system is evaluated through simulation for NRC and MSE. Table 1 shows the number of water species for NRC in various ways. The NRC of the proposed system is higher than the NRC of the random recommendation system. Figure 8 shows the scalability and convergence of the proposed system, suggesting that the proposed system has fast convergence and high scalability for the designed backpropagation neural network. Figure 9 shows the prediction performance of the recommendation scheme. It is shown that the proposed method has good performance for water resource estimation in recommending water resources.

제안하는 스마트 워터 그리드에서의 수자원 분배를 위한 컨텍스트 인지 추천방법 및 장치는 최종 사용자의 만족도와 물 네트워크 운용의 효율성을 높이기 위한 스마트 워터 그리드의 컨텍스트 인지 정보에 기반한 수자원 분배 추천방식을 제안한다. 컨텍스트 정보와 함께 최종 사용자의 프로파일을 고려하여 사용자를 스마트 워터 그리드 내의 물 사용 공동체로 군집화하기 위한 새로운 스펙트럴 군집화 방법을 개발하였다. 수자원 추천을 위하여 역전파 신경망을 개발하였으며, 이는 수자원 평가 예측에 대하여 보다 양호한 성능을 보여주었다. 또한, 서로 다른 시나리오에서 NRC와 MSE의 측면에서 추천의 정확성을 판단하기 위하여 이러한 방식의 성능을 평가하였다.
Context recognition recommendation method and device for water resource distribution in the proposed smart water grid propose water resource distribution recommendation method based on context awareness information of Smart Water Grid to improve end user satisfaction and water network operation efficiency. A new spectral clustering method has been developed to group users into a water use community in the Smart Water Grid, taking into account the context information and the end user 's profile. We developed a backpropagation neural network for the recommendation of water resources, which showed better performance for water resource estimation. We also evaluated the performance of this approach to determine the accuracy of recommendation in terms of NRC and MSE in different scenarios.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the apparatus and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA) A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing unit may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.

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.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, and may be configured to configure the processing device to operate as desired or to process it collectively or collectively Device can be commanded. The software and / or data may be in the form of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage media, or device , Or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave. The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

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 코드뿐만 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 an embodiment may be implemented in the form of a program command 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, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code 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.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI &gt; or equivalents, even if it is replaced or replaced.

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

Claims (5)

복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 상기 최종 사용자를 공동체로 군집화하는 단계;
컨텍스트 정보 및 상기 최종 사용자의 상기 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 상기 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하는 단계; 및
상기 추천에 따라 상기 최종 사용자의 요청이 없어도 수자원을 상기 최종 사용자에게 제공하는 단계
를 포함하는 수자원 분배 방법.
Clustering the end user into a community in consideration of the water consumption propensity of a plurality of end users;
Recommending water resources to end users of the community in accordance with context information and feedback of the end user's water consumption propensity parameter; And
Providing the water resource to the end user without the request of the end user according to the recommendation
Lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서,
상기 복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 상기 최종 사용자를 공동체로 군집화하는 단계는,
상기 컨텍스트 정보를 이용하여 인접행렬 및 이득행렬을 생성하고, 상기 인접행렬 및 이득행렬을 이용하는 스펙트럴 군집화 알고리즘으로 최종 사용자를 군집화하는
수자원 분배 방법.
The method according to claim 1,
The step of clustering the end user into the community in consideration of the water consumption propensity of the plurality of end users comprises:
Generating an adjacency matrix and a gain matrix using the context information, and clustering the end user with a spectral clustering algorithm using the adjacency matrix and the gain matrix
Water distribution method.
제1항에 있어서,
컨텍스트 정보 및 상기 최종 사용자의 상기 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 상기 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하는 단계는,
콘텐츠 기반 접근방법을 이용하여 상기 최종 사용자의 물 소비 성향과 상기 수자원 특성 사이의 유사성을 산출하는 단계; 및
역전파 신경망에 의한 학습을 통해 수자원의 평가를 예측하는 단계
를 포함하는 수자원 분배 방법.
The method according to claim 1,
Recommending water resources to end users of the community in accordance with context information and feedback of the end user's water consumption propensity parameter comprises:
Calculating a similarity between the end-user's water consumption propensity and the water resource characteristics using a content-based approach; And
Predicting the evaluation of water resources through learning by back propagation neural network
Lt; / RTI &gt;
제3항에 있어서,
상기 역전파 신경망에 의한 학습을 통해 수자원의 평가를 예측하는 단계
는,
상기 컨텍스트 정보 중 분류되지 않은 항목에 대해 현재의 네트워크 상태에서 각 카테고리의 발생확률을 계산하고, 상기 계산된 발생확률이 가장 높은 항목을 해당 카테고리에 포함하여 상기 컨텍스 정보를 분류하고, 역전파 신경망에 의해 학습되어 예측하는
수자원 분배 방법.
The method of claim 3,
Estimating the evaluation of the water resources through learning by the back propagation neural network
Quot;
The method includes calculating the probability of occurrence of each category in the current network state for the unclassified items in the context information, classifying the context information by including the calculated highest occurrence probability item in the corresponding category, &Lt; / RTI &gt;
Water distribution method.
복수의 최종 사용자들의 물 소비 성향을 고려하여 상기 최종 사용자를 공동체로 군집화하는 공동체 모듈;
컨텍스트 정보 및 상기 최종 사용자의 상기 물 소비 성향 파라미터의 피드백에 따라 상기 공동체의 최종 사용자들에게 수자원을 추천하는 추천 시스템; 및
상기 추천에 따라 상기 최종 사용자의 요청이 없어도 수자원을 상기 최종 사용자에게 제공하는 수자원 서버
를 포함하는 수자원 분배 장치.
A community module for grouping the end user into a community in consideration of a water consumption propensity of a plurality of end users;
A recommendation system that recommends water resources to end users of the community in accordance with context information and feedback of the end user's water consumption propensity parameter; And
According to the recommendation, a water resource server that provides water resources to the end user without requesting the end user
.
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