遺傳子 알고리즘과 神經網의 結合에 의한 流出量 豫測

노경범 전남대학교 대학원 2001 국내석사

강우에 의한 유출예측은 수문학의 주된 관심사의 하나이다. 모형화를 통한 강우-유출현상의 예측에는 개념적 모형과 이론적 모형이 사용된다. 그러나 이러한 모형화는 수문자료의 비선형성과 시공간적 다양성에 의한 많은 오차를 내포하고 있다. 특히, 개념적 모형은 실제 상황을 모형화하는 데 많은 어려움이 있을 뿐만 아니라 모형을 이용하기 위해 많은 노력과 시간이 투자되어야 한다. 이 때문에 본 연구에서는 종의 진화를 모방한 유전자 알고리즘과 인간의 신경계를 수학적으로 모형화한 신경망의 결합을 이용하여 하천의 시 유출량 예측을 위한 이론적 모형을 개발하였다. 유전자 알고리즘과 신경망은 비선형적인 강우-유출과정을 모형화하기 위한 이론적인 방법의 하나이며, 유전자 알고리즘은 최적해를 탐색하기 위한 툴( tool )로, 신경망은 학습에 의한 예측에 뛰어난 것으로 알려져 있다. 본 연구는 영산강 수계의 나주지점을 대상으로 하였으며, 선행 유출량 및 강우량 자료를 이용하여 유전자 알고리즘과 신경망을 결합한 모형에 적용한 결과 매우 우수한 예측력을 보여주었다. 이는 유전자 알고리즘과 신경망의 결합에 의한 방법이 예측에 필요한 최적화된 매개변수를 찾아냄으로써 홍수사상의 예측에 있어 적용성이 뛰어나다는 것을 보여 주고 있다. 본 연구에서 실시한 3시간, 4시간 후 예측의 경우 실시간 홍수 예측을 위한 홍수 예경보시스템의 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다. The flood forecasting still represents an extremely important issue in applied hydrology. The conceptual modeling and the system theoretical modeling have been used to model the rainfall-runoff process. The implementation and calibration of the conceptual models can typically present various difficulties, requiring sophisticated mathematical tools, significant amounts of calibration data, and some degree of expertise and experience with the model. So, a hydrologist may not prefer to expend the time and effort required to develop and implement the conceptual model and instead of implement a simple system theoretical model. In the recent years significant progress in the fields of nonlinear pattern recognition, optimization and system control theory have been made possible through advances in a branch of nonlinear system theoretical modeling called genetic algorithms and neural networks. The genetic algorithm is search procedure based on the mechanics of natural selection and natural genetics, which combines an artificial survival of fittest with genetic operators abstracted from natural. Artificial neural networks(ANNs), which emulate the parallel distributed processing of the human nervous system, have proven to be very successful in dealing with complicated problem, such as function approximation and pattern recognition. The multi-layer networks, specially three-layer neural networks have been used to model the rainfall-runoff process. The case study herein considered is referred to the Young-San River basin. The analysis is carried out with reference to the Young-San River basin, for which five event of flood water at 1998 ∼ 1999 of observations of hourly rainfall and discharge are available. This paper presents the potential of genetic algorithm and neural network for simulating the hydrologic behavior of watersheds. The results of this paper suggest that the genetic algorithm and neural network approach may provide a superior alternative to other methods of modeling for developing input-output simulation and forecasting models in situations that do not require modeling of the internal structure of the watershed.

유전알고리즘을 이용한 절단토치의 최적 이동경로 결정

권기범 啓明大學校 大學院 2008 국내박사

이 논문에서는 하나의 자유형상 부재(part: 1차부재)속에 절단해야 할 2차부재가 다수 포함된 판재에서 모든 1, 2차부재들을 효과적으로 절단하기 위한 토치의 경로결정문제를 다루고 있다. 이 문제의 목적은 주어진 절단시작점에서 시작하여 모든 부재들을 절단하고 되돌아오는 비생산적 이동 길이를 최소화하는 것이다. 이러한 문제는 절단시작점이 각 부재의 윤곽선상에 어느 곳에 위치하여도 가능하기 때문에 이 절단시작점들의 위치와 부재들의 절단 순서가 동시에 결정되어야 하는 복잡한 조합형 문제의 하나이다. 본 논문에서는 이러한 토치경로 최적화 문제가 순회판매원문제를 확장한 수리모형으로 정형화될 수 있음을 보였고 또한 이 문제의 해를 구하기 위한 유전알고리즘을 제안하였다. 해를 구하는 데 있어서의 어려움을 단계적으로 극복하기 위하여 우선 가장 단순화된 문제로서 1차부재들로만 구성된 판재의 절단가공을 위한 경로 최적화문제를 다루었다. 이 문제의 최적해를 구하기 위하여 계산시간을 절감하는 데 효과적인 혼합형유전알고리즘을 제안하였다. 다음은 동문제의 특수한 형태로서 개곡선만으로 이루어진 1차부재들의 절단경로설정문제에 대한 효과적인 유전알고리즘을 제시하였다. 끝으로 2차부재가 포함된 1차부재들로 구성된 판재의 절단가공 경로최적화 문제에 대하여 기제시된 혼합형 유전알고리즘을 수정?확장한 혼합형 유전알고리즘을 제안하였다. 각 장에서 제시된 유전알고리즘들을 문제의 구조상 쉽게 그 최적해를 알 수 있는 가상의 문제들에게 각각 적용해 본 결과, 모두 최적해에 근접하는 해를 도출할 수 있는 것으로 나타났다. 이로써 제시된 유전알고리즘들의 유용성을 확인할 수 있었다. 이러한 알고리즘들은 향후 판재절단의 자동화 및 최적화를 위한 CAD/CAM 시스템에서 핵심적으로 사용되고 있는 토치경로 자동화 루틴의 성능향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 생각된다. This thesis deals with the problem of generating optimal cutting-torch paths for a stock plate nested with free-formed parts each having a set of sub-parts. The objective of the problem is to minimize the total non-productive traveling distance of a cutting torch starting from a known depot, then cutting all the given parts, and returning back to the depot. Since a piercing point can be positioned anywhere on the contour of each part, sequence and piercing-point locations of the parts should be simultaneously determined. Obviously, the problem is one of very complex mixed combinatorial problems. The torch path optimization problem is shown to be formulated as an extended version of the standard travelling salesman problem. To attack the problem in a hierarchical way, the torch-path optimization problem for cutting the plate without any sub-part is first considered. For the part-only problem a hybrid genetic algorithm which is effective to reduce the computing time is developed. Then, for a special form of the part-only problem in which every part is represented as an open contour, a traditional type of genetic algorithm is suggested. Lastly, the main problem in which each part may have a set of sub-parts is treated. For the problem a new hybrid genetic algorithm which is a extended version of the one proposed for the part-only problem is developed. The genetic algorithms presented for the three problems are tested for the hypothetical problems whose optimal solutions are known in advance due to the special structure of them. The results show that all the algorithms always generate the very near optimal solutions for the test problems, which in turn verifies the validity of the algorithms. These algorithms are believed to be successfully implemented in plate cutting routines of any commercial CAD/CAM system in order to enhance the quality of cutting-torch paths being generated.

복잡한 윤곽을 위한 동적 윤곽기반의 객체추적 알고리즘에 관한 연구

고현남 배재대학교 대학원 2006 국내박사

본 논문은 스테레오 동영상에서 동적윤곽모델(Active Contour Model)을 이용해 객체 윤곽을 추적하는 방법을 제안한다. 기존의 스테레오 동영상에서의 동적윤곽모델 알고리즘을 이용한 객체추적 방법은 오목한 윤곽에서 스네이크 포인트 수의 부족으로 객체윤곽을 잘 표현하지 못하였다. 기존의 동영상 객체추적에 적용한 동적윤곽모델 알고리즘은 단순히 MCE(Motion Compensation Error)를 스네이크 에너지 함수에 결합하여 관심객체의 윤곽을 추적하였다. 그런데 MCE로 예측된 움직임은 정확한 움직임이라 볼 수 없으며, 예측된 위치가 객체윤곽에서 멀리 떨어져 있을 경우에는 배경의 잡음 및 에지(Edge)들의 영향으로 국부 최소값에(Local Minimum)에 빠질 수 있다. 또한 초기 설정한 스네이크 포인트의 수가 불변하여, 형태가 오목하거나 복잡한 윤곽에서는 잘 표현하지 못하는 문제가 발생한다. 최근에 발표된 알고리즘들은 오목한 윤곽에 적용할 수 있는 방법들이 제안 되었으나 호리병 모양의 윤곽의 좁은 입구에서는 스네이크 포인트가 객체의 안쪽의 윤곽까지 이동하지 못하는 문제점이 있다. 그리고 안쪽의 윤곽까지 이동하더라도 객체의 윤곽이 오목하여 곡률이 심한 곳에서는 스네이크 포인트 수의 부족으로 정확한 영상추적이 잘 안 된다. 따라서 개선된 새로운 방법이 필요하게 되었다. 본 논문에서는 복잡한 배경을 갖는 영상에서 국부 최소값에 빠지는 문제점과 관심객체의 오목한 윤곽에서 스네이크 포인트가 잘 수렴되지 않는 문제점을 해결하기 위한 새로 개선된 동적윤곽 모델기반의 객체추적알고리즘을 제안한다. 즉 고정된 스네이크 포인트 수에 의해 발생하는 문제를 관심객체의 모양에 따른 윤곽선의 특징을 분석하여 적절한 스네이크 포인트의 수를 정의할 수 있는 최적화된 동적윤곽모델 알고리즘을 제안한다. 제안하는 방법은 크게 두 단계로 구성된다. 첫 번째는 스테레오 영상의 변이(Disparity)정보를 이용하여 배경이 복잡한 영상에서 관심 객체의 윤곽에 정확히 수렴하는 후보 스네이크 포인트를 설정한다. 그 방법으로서 MCE를 이용하여 x축, y축에 대한 모션을 예측하고, 변이 히스토그램을 이용하여 d축에 대한 모션을 예측함으로서 실제 포인트에 근접한 후보 포인트를 찾는다. 두 번째는 분할영역기반 스테레오 정합을 통하여 변이 정보를 획득하고, 그 정보를 이용하여 스네이크 알고리즘의 내, 외부에너지를 개선하여 적용함으로써 객체의 윤곽에 스네이크 포인트가 수렴하도록 한다. 제안하는 방법은 스테레오 동영상에서 얻을 수 있는 변이 정보를 이용해 복잡한 배경을 제거하고, 객체의 윤곽에서 곡률이 심한 곳에는 부족한 스네이크 포인트를 추가하고 그렇지 않은 곳은 잉여 스네이크 포인트를 제거하여 윤곽을 잘 검출하도록 하였다. 그리하여 객체의 오목한 윤곽 부분에서 스네이크 포인트 수의 부족으로 인해 정확한 윤곽을 검출하기 힘들었던 문제를 해결할 수 있었고 복잡한 배경을 갖는 영상에서도 동작이 잘 되었다. 또한 폐색구간에서도 객체의 영역 변화에 따라 스네이크 포인트를 최적화하며 추적하였다. 제안한 방법의 성능평가는 RSD(relative shape distortion)를 이용하여 정량화된 측정값으로 기존의 방법들과 비교하였고 실험영상은 스테레오 카메라로부터 얻은 실영상을 이용하여 수행하였다. 제안한 방법은 실험을 통해 그 성능을 확인하였다. In this paper we present a snake-based scheme for tracking object contours in stereo image sequence using disparity information with handling for cluttered backgrounds and concave regions in the object's boundary. The proposed method is composed of two steps. First, 3D motion of the object is estimated and candidate snake points are initialized in disparity space. Second, the object's contour is extracted by using a modified snake algorithm with disparity information. Furthermore, snake points are optimized by inserting new points and deleting unnecessary points to better describe the object's boundary. Specifically, our method uses more points in highly curved parts of the contour, and fewer points in less curved parts. The proposed algorithm can successfully define the object's contour, and can track it in complex images. We can solve the problem which occurs with concave boundary of object of interest, and can prevent the snake from getting stuck in local minima. Performance of the proposed algorithm has been verified by simulation.

유전자 알고리즘을 이용한 퍼지 시스템의 계층적 설계

심연숙 서강대학교 대학원 1996 국내석사

충돌비율을 이용한 선박충돌회피 알고리즘의 개발

유영준 서울대학교 대학원 2013 국내박사

해상에서의 충돌로 인한 선박의 손상은 선체구조의 안전과 관련된 문제 일뿐만 아니라 인명과 재산의 손실, 기름 유출로 인한 환경오염과 같은 문제를 일으킬 수 있기 때문에 그 위험성이 매우 크다. 따라서 선박의 안전 운항을 지원할 수 있는 시스템에 대한 요구가 높아져왔으며, 이와 같은 사회적인 요구에 부응하기 위하여 충돌회피알고리즘에 대한 연구가 이루어져왔다. 본 논문에서는 기존의 연구에서 제안되었던 여러 이론과 연구결과를 바탕으로 충돌회피알고리즘을 구성하였다. 본 연구에서 개발된 충돌회피알고리즘은 기존 연구에서 인식되었던 문제점을 해결하는 것과 충돌과 관련된 다양한 인자를 고려하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 다음의 네 가지 목표를 구상하였다. 첫째, 자선의 조종성능을 고려할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 바람과 조류 같은 환경인자가 조종성능에 미치는 영향까지도 고려할 수 있어야 한다. 둘째, 자선과 타선의 속도 비율에 따른 차이를 고려할 수 있어야 한다. 셋째, 피항 행동을 수행할 수 없는 타선과 조우하는 조건을 임계충돌조건이라고 하는데, 임계충돌조건을 고려할 수 있어야 한다. 넷째, 임계충돌조건 중에서 자선에 비해 상대적으로 빠른 타선과 조우하는 경우에 나타난 운항안전성에 관한 문제를 저속선박의 난제라고 하는데, 저속선박의 난제를 해결할 수 있어야 한다. 구성된 충돌회피알고리즘은 크게 세 가지 부분으로 구분된다. 첫째, 다른 선박을 비롯한 각종 장애물을 감지하고, 그 위험성을 객관적인 지수로 평가한다. 본 연구에서는 선박 자동 식별 시스템(Automatic Identification System, AIS)과 선박 자동 레이더 플로팅 장치(Automatic Radar Plotting Aids, ARPA)에서 획득 가능한 정보를 이용하여 충돌위험을 평가하는 지수로써 충돌비율이 제안되었다. 충돌비율은 자선이 선택 가능한 전체 피항 침로 중에서 충돌이 예상되는 침로의 비율로 정의된다. 충돌비율을 계산하는 과정에서 자선과 타선의 위치, 속도, 선수각, 국제해상충돌예방규칙, 조종성능, 환경인자 등이 고려되었다. 둘째, 자선의 안전과 운항계획의 효율성을 고려하여 충돌회피 계획을 수립하고, 계획에 따라 충돌회피 행동을 수행한다. A* 탐색법이 최적 회피 경로를 탐색하기 위하여 이용되었다. A* 탐색을 위한 비용함수는 현재 위치에서 임의의 위치까지 도달하기 위하여 소모된 비용과 임의의 위치에서부터 최종 위치까지 도달하기 위하여 예상되는 비용의 합으로 정의되었으며, 경험적으로 추론되는 충돌위험도의 시간적분값을 비용함수로 이용하였다. 결정된 피항 계획을 수행하기 위한 제어명령은 퍼지제어(fuzzy control)를 이용하여 수행하였다. 이 과정에서 자선의 동적 특성을 고려하기 위하여 조종운동방정식을 풀이하였다. 셋째, 자선의 충돌 위험이 사라졌을 때, 본래 경로에 복귀한다. 만약 또 다른 선박에 의한 충돌 위험이 발생하지 않는다면, 충돌회피 행동을 시작하기 이전의 계획에 의거하여 자동운항을 수행하도록 알고리즘이 구성되었다. 구성된 충돌회피알고리즘을 검증하기 위하여 몇 가지 충돌 시나리오를 구상하였다. 이 시나리오에 대하여 타선에 대한 자선의 충돌회피 궤적, 계산된 충돌비율의 시 계열 자료, 자선과 타선의 상대거리 시 계열 자료를 분석하였다. 또한 충돌비율을 이용한 충돌회피알고리즘과 충돌위험도를 이용한 충돌회피알고리즘의 결과 비교를 통하여, 새롭게 제안된 충돌 비율의 특성을 비교•정리하였다. 본 연구를 통해 충돌비율을 이용한 선박충돌회피알고리즘 개발을 수행하였다. 설계된 충돌회피알고리즘은 국제해상충돌예방규칙을 준수하고 있다. 또한 자선의 조종성능을 고려하여 충돌회피 행동의 시작 시점을 결정하였고, 임계충돌조건 및 저속선박의 난제를 해결하였다.

암호알고리즘의 특성 분석 및 최적화 연구

권환우 공주대학교 대학원 2004 국내석사

통신의 발달과 인터넷의 보급에 따른 망의 글로벌화는 모든 서비스 사용자에게 편리함을 주는 반면에 원치 않는 정보의 노출과 악의적인 해킹에 의한 피해를 당할 위험이 커지는 이면성이 존재한다. 오래전부터 정보를 주고받는데 있어서 원치 않는 정보유출을 방지하기 위한 많은 방법이 있어왔는데 최근에는 급격한 하드웨어의 성능 발전에 따라 암복호 알고리즘도 더욱 복잡하고 해독이 난해한 형태로 발전하고 있다. 이러한 암호화에 사용되는 RSA 암호 알고리즘은 1978년에 Rivest, Shamir, 그리고 Adleman에 의해 제안된 이후, 현재 가장 널리 사용되어지고 있는 공개키 암호 알고리즘 중하나이다. RSA는 두개의 큰 소수를 곱하기는 쉽지만, 역으로 큰 수를 소인수분해 하기는 어렵다는 사실을 안전성의 근간으로 하고 있다. 이러한 RSA 암호 알고리즘은 대칭키 암호시스템에 비해 높은 안정성을 제공하는 암호화와 전자서명을 구현할 수 있다는 장점이 있지만, 기본적으로 512비트 이상 되는 큰 수를 취급하기위해 많은 연산을 요구하므로 구현 속도가 느리다는 단점을 갖고 있다. 기본적으로 RSA 암호알고리즘을 구현하기 위해서는 모듈러 연산을 근간으로 하는 덧셈과 뺄셈, 곱셈과 나눗셈 그리고 모듈러 지수승이 반복적으로 사용되어 지며, 모듈러 지수승의 연산에는 효율적인 모듈러 곱셈기가 필요하다. 따라서 보다 효율적인 RSA 암호 알고리즘의 구현을 위해서는 구현의 기본요소인 모듈러 연산의 분석이 필요하다. 본 논문에서는 최근까지 검증되고 상용화가 이루어져 많은 분야에 활용되고 있는 표준화된 알고리즘과 방식에 대한 특성을 분석하고 이에 따른 구현의 최적화 방안에 대해서 고찰한 것이다. 특히 전 세계적으로 매우 많은 응용이 이루어지고 있고 앞으로도 더 많은 사용자를 확보하게 될 것이라고 예상되는 스마트카드 응용분야에서 가장 많이 사용되는 알고리즘중의 하나인 RSA와 3GPP에서 권고하고 IMT-2000망에서 활성화가 예상되는 KASUMI 두 알고리즘에 대한 최적화 구현 방안에 대해서 집중 분석해 보았다. 그리고 암복호 알고리즘이 도입되게 된 배경과 개념에 대해서도 서술하였으며 특히 KASUMI 알고리즘에 대해서는 직접 VHDL 개발 환경을 이용해서 구현하고 시뮬레이션해 봄으로서 성능 향상과 컴팩트화 가능성을 제시하였다.. 그리고 RSA 암호 알고리즘은 알고리즘의 특성 분석과 기존에 제시된 연산 방식을 개선한 모듈러 곱셈 알고리즘 중 가장 효율적이라고 알려진 몽고메리 모듈러 곱셈 알고리즘의 분석을 통해 그 구현 최적화 가능성을 제시하였으며, 개선된 몽고메리 알고리즘들에서 볼 수 있듯이 몽고메리 알고리즘은 하드웨어 구현에서 연산 시간이 많이 소요되는 나눗셈 연산을 단순 shift로 처리하여 구현의 효율성을 제공할 수 있음을 확인해 보았다. 서두에서 기술하였듯이 반도체 기술과 설계 기술의 혁신적인 발전에 힘입어 프로세서의 성능은 하루가 다르게 향상되고 있다. 이에 따른 암호 알고리즘의 해독 시간 또한 짧아지고 있다. 이에 따라 암호 알고리즘도 계속 더 복잡해지고 난해하게 될 것 이므로 이에 대한 하드웨어 구현에 있어서도 더 나은 최적화 구현 방안에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 현재 가장 많이 사용되고 있는 알고리즘을 대상으로 하여 분석하고 그 가능성을 제시하였으며, 더 연구가 필요한 부분으로는 향후 더욱 복잡해질 것으로 예상되는 알고리즘에 대비한 더 나은 방식의 구현 최적화 방안에 대한 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 생각된다. Glowing the telecommunication technologies, the information security is becoming the important area in IT. Information security is based on not only the network technology, but also the various technologies. In the related technologies, the performance of the encryption algorithm is the very important issue in information security. These days, the smart card is used as the security module at large, but it has the problem of the physical constraint attendant upon miniaturization and high performance. It was known that RSA and ECC algorithm is fit for the smart card, and the many research about algorithm performance was done. But the research was performed in side of software. This paper analyzed the various encryption algorithm - RSA, ECC, and KASUMI- in side of hardware. RSA is analyzed centering around the Mongomery algorithm, and ECC is analyzed about the design of operating module design-multiplying and inverse multiplication. Finally, the standard encryption algorithm in IMT-2000, KASUMI is realized as FPGA and simulated for the performance test.

그래프 컬러링을 활용한 개념적 알고리즘 학습이 아동의 알고리즘 흥미도와 절차적 사고 발달에 미치는 영향

박윤정 대구교육대학교 교육대학원 2014 국내석사

본 연구는 개념적 알고리즘 학습을 초등학생에게 적용하여 알고리즘에 대한 흥미도와 컴퓨터과학의 주요 사고 중 절차적 사고 발달에 미치는 영향을 알아봄으로써, 초등컴퓨터교육이 알고리즘 기반의 컴퓨터과학 교육으로 나아가는 데 기여하는 교육 방법을 제시하는 것에 그 목적이 있다. 본 연구의 대상은 대구광역시 서구에 위치한 J초등학교의 6학년 일반학급 35명으로, 알고리즘 학습에 대한 사전 경험이 없는 학생을 선정하여 실험집단 17명, 비교집단 18명으로 구성하였다. 본 연구의 과제로 실험집단은 4주간 총 11회의 그래프 컬러링 문제를 활용한 개념적 알고리즘 학습을 실시하였고, 비교집단은 국가 수준 교육과정의 일반적인 수업을 실시하였다. 4주간의 실험 후 대상자들은 사전검사와 동일한 검사지로 알고리즘 흥미도와 절차적 사고 능력의 변화를 검사하였다. 본 연구의 자료 분석은 Windows용 SPSS 22.0 프로그램을 사용하였으며, 그래프 컬러링을 활용한 개념적 알고리즘 학습이 실험집단과 비교집단의 알고리즘 흥미도와 절차적 사고 발달에 미치는 영향을 알아보기 위해 모든 자료의 유의수준을 .05로 설정하여 독립표본 t-검정을 실시하였다. 이와 같은 자료 분석을 통해 얻어진 본 연구의 결과는 다음과 같다. 첫째, 알고리즘 흥미도의 하위요인으로 알고리즘 학습 태도는 비교집단보다 실험집단에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그래프 컬러링을 활용한 개념적 알고리즘 학습은 알고리즘에 대한 학습만족감, 학습태도, 학습필요성을 포함한 학습자의 알고리즘 흥미도를 향상시키며, 알고리즘 흥미도의 하위요인 중 학습필요성을 높이는 데는 효과적인 것으로 나타났다. 둘째, 컴퓨터 과학의 주요 사고 중 하나인 절차적 사고는 비교집단보다 실험집단에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그래프 컬러링을 활용한 개념적 알고리즘 학습은 학습자의 절차적 사고 능력을 향상시키는 것으로 나타났다. 따라서 개념적 알고리즘 학습은 초등학생의 절차적 사고 발달에 도움이 되며, 알고리즘 흥미도를 높이는데 효과를 입증함으로써 초등 교육 현장에서의 새로운 알고리즘 교육 방법을 제시하는데 의미가 있다.

신뢰할 수있는 개인 건강 모니터링을위한 경량 알고리즘의 설계

아델루이 올루페미 올루월이 조선대학교 2015 국내박사

Patient monitoring techniques are fast evolving from the traditional curative, doctor-centered approach to one that is preventive and patient-centered. A number of factors have influenced this transition; notable among these are the spiraling costs of healthcare management, the ageing of society and the advances in sensor technology. Personalized Health Monitoring Healthcare (PHM) systems play an important role in this new approach. PHM systems are usually implemented in resource constrained environments such as embedded systems running on limited battery power. As such, any algorithm used for diagnosing and classifying diseases should be lightweight and reliable. The cardiovascular and neurologic domains were used for the analysis in this thesis. For the neurologic domain we proposed an algorithm known as Bio-inspired electroceptive Compressive System (BeCoS). BeCoS was inspired by wave-type active electroception used by weakly electric fish. It was used for the sensing, processing, telemetry and reconstruction of neural signals. BeCoS was compared with the well regarded Block Sparse Bayesian Learning-Bound Optimization (BSBL-BO) and it gave higher quality results. BeCoS resulted in coherence, average latency, compression ratio and estimated per epoch power values that were 35.38%, 62.85%, 53.26% and 13mW better than BSBL-BO, respectively, while structural-similarity was only 6.295% worse. The original and reconstructed signals still remain visually similar. The identification of the R-peaks of electrocardiograms (ECG) represents one of the most important steps for the successful monitoring of cardiovascular health. The Pan-Tompkins (P-T) algorithm has been used as a key reference in the design and testing of algorithms used for the detection of R-peaks. The P-T algorithm uses a cascade of filters to process the ECG signals prior to the identification of the R-peaks. This filtration process results in a large overhead. A Rapid-Ramp Effective Algorithm for Detection of ECG R-peaks (R-READER) has been proposed as an alternative to P-T. It is an intuitive algorithm that uses ECG slopes and inflexion points as a basis for the identification of R-peaks without the need to pass the signals through the filters used in traditional approaches. R-READER gave average accuracy, positive predictivity and sensitivity values of 97.79%, 98.23% and 99.54% when compared to values of 87.47%, 88.57% and 98.59% for the P-T algorithm. In this dissertation we demonstrate that the BeCoS and R-READER algorithms provide reliable and lightweight alternative for health monitoring in the neurologic and cardiovascular domains respectively. Experimental results also demonstrate a potential for significant performance enhancements when compared to the main algorithms used in the domains. 환자 모니터링 기술은, 의사 중심적인 치료 위주의 전통적 접근법에서, 환자 중심적인 예방 위주의 새로운 접근법으로 빠르게 진화하고 있다. 헬스케어 관리 비용의 증가, 사회의 노령화와 센서 기술의 발달 등이 이러한 변화에 영향을 미치는 요소들이다. 개인 맞춤형 건강 모니터링 헬스케어 (PHM) 시스템은 이러한 새로운 접근법에서 중요한 역할을 하고 있다. 제한된 배터리 전력으로 작동하는 embedded 시스템과 유사하게, PHM 시스템은 통상적으로 자원이 제한된 환경에서 구현 되기 때문에, 질병을 진단하고 분류하는 알고리즘은 신뢰성은 물론이고, 연산처리량이 가벼워야 한다. 본 논문에서는 신경계 및 심혈관 영역에서 신뢰성을 유지하면서도 연산처리량을 가볍게 하는 알고리즘을 제안한다. 신경계 영역에서는 Bio-inspired electroceptive Compressive System (BeCoS)라는 알고리즘을 제안한다. BeCoS의 개념은 약한 전기를 사용하는 어류의 파동형(wave-type) 활성 전기인식(electroception)에서 착안하였다. 이 알고리즘은 신경 신호의 감지, 처리, 원격 측정 그리고 신호 복원을 위해 사용되었다. BeCoS 알고리즘은 잘 알려진 Block Sparse Bayesian Learning-Bound Optimization (BSBL-BO)와 비교했을 때 보다 높은 품질의 결과를 제공하였다. BeCoS는 BSBL-BO 보다 62.85% 증가한 일관성, 35.38% 감소한 평균 처리시간, 53.26% 증가한 압축비, 13mW 감소한 추정 epoch 당 전력값을 보였고, 구조적 유사성에서는 6.295% 감소하였지만, 원래 신호와 복원된 신호는 시각적 유사성을 유지했다. 심혈관 영역에서는, 심혈관 건강의 성공적 모니터링에 가장 중요한 단계들 중 하나인, 심전도 R-peaks의 검출에 중점을 두었다. 주요 비교대상으로 Pan-Tompkins (P-T) 알고리즘을 활용하면서, R-peaks을 찾기 위한 경량 알고리즘을 설계하고 실험하였다. P-T 알고리즘은 R-peaks의 확인 이전에 ECG 신호를 처리하기 위해 연속적인 필터를 사용하는데, 이 과정이 큰 오버헤드(overhead)를 초래한다. 본 논문에서는 P-T 알고리즘의 대안으로 ECG R-peaks의 발견을 위한 Rapid-Ramp Effective 알고리즘, R-READER를 제안한다. R-READER 는 R-peaks 검출 기반으로, 전통적 접근법이 사용하는 필터가 아닌, ECG의 기울기와 만곡점(inflexion point)을 사용하는 직관적 알고리즘이다. R-READER 는, P-T 알고리즘이 보인 각각 87.47%, 88.57%, 그리고 98.59%의 평균 정확성, 긍정적 예측도 그리고 감도 값과 비교할 때, 각각 97.79%, 98.23% 그리고 99.54% 값을 제공했다. 본 논문에서는, 신경계 및 심혈관 영역에서의 건강 모니터링을 위하여, 신뢰성을 유지하면서도 연산처리량이 가벼운 대안으로 BeCoS 와 R-READER 알고리즘을 제시하였으며, 이 영역들에서 사용된 기존의 주요 알고리즘과 비교해 보았을 때, 제시된 BeCoS 와 R-READER 알고리즘의 성능이 향상됨을 실험 결과를 통하여 보였다.

유전 알고리즘을 이용한 보안 대책 생성 및 적용

박준형 韓南大學校 大學院 2004 국내석사

조직은 위험 분석을 통해서 핵심 자산들에 대한 위협과 취약점을 파악하고 위험 정도를 계산한다. 위험 분석을 통해 얻을 수 있는 결과는 보안 대책의 생성을 통한 핵심자산의 보호가 가장 큰 목적이며, 이와 함께 조직의 업무 연속성 유지와 위협으로부터 노출된 자산에 대해 노출을 막고 노출로 인한 비용 손실을 막고자 하는 것이다. 그러나 조직에서 할 수 있는 보안 대책 수립 비용에는 한계가 존재하므로 모든 보안 대책을 수립한다는 것은 처음부터 힘들다. 따라서 이런 비용 한계의 범위 안에서 보안 대책을 적절하게 수립하여 효과를 최대로 높이는 것이 중요하다. 이런 문제를 해결하기 위하여 유전 알고리즘을 이용한다. 1975년 홀랜드(Holland)의 논문 “Adaptation in Natural and Artificial Systems"에서 처음으로 소개된 유전 알고리즘은 찰스 다윈이 주장한 자연 진화 법칙인 적자 생존(survival of fittest)과 자연 도태(natural selection)의 원리를 토대로 하여 정립된 최적화 알고리즘이다. 결국 진화의 과정을 되풀이하는 동안 주어진 환경에서 가장 적합한 형질의 개체들이 형성될 것이라는 것이 주요 내용이다. 이런 유전 알고리즘은 최적화 문제에 대한 해결 능력이 뛰어난 것으로 알려져 있다. 기존의 위험 분석 방법론이나 도구에서는 평가자의 능력에 의존한 보안 대책 수립 과정을 겪었다. 하지만 평가자에 의존하는 보안 대책 선택 및 수립은 주관적인 개입이 많아 상황에 따른 적절한 대처가 불가능하다. 하지만 본 논문에서 제시한 유전 알고리즘을 이용한 보안 대책 선택 및 제시 방법은 좀더 실제 조직의 상황에 맞는 보안 대책의 선택 및 제시가 가능하므로 평가자의 능력에 배가 될 것이다. Organization identified vulnerability, threat and risk about critical asset by risk analysis. The purpose of risk analysis is the protection of a critical asset through the generation of a security countermeasure. Risk analysis hold business continuous of organization and keep the exposure about the asset to be exposed, keep the charge loss. It is difficult to establish all security countermeasure in the organization because the limit of the security countermeasure establish charge exists. Therefore we establish in a charge limit inside appropriately the security countermeasure and it is important that we make the effectiveness to the maximum. In this paper used an genetic algorithm to solve such problem. An genetic algorithm was announced for the first time in the paper of Halland in 1975 and are an optimization algorithm which is made of the principle of a survival of fittest and natural selection. This algorithm formed suitable to the environment individual through the evolution. An genetic algorithm is known for the thing by solving an optimization problem well. Existing risk analysis method or tool depended much on the ability of the people to evaluate. But the method or tool can not do suitable according to the situation because it evaluates subjectively. Security countermeasure generation and presentation method by genetic algorithm which presents in the paper are possible and are of service more suitable at the situation a security countermeasure selection to the people to evaluate.

알고리즘 지도 방향에 관한 연구

김현정 이화여자대학교 대학원 2004 국내석사

본 논문의 문제인식은 일련의 사실과 기능을 주로 암기하여 푸는 과목으로 생각되는 학교 수학에 대한 인식의 변화와 21세기에 필요한 수학교육과정의 목표와 주제 정립에 도움을 줄 수 있는 해답을 알고리즘 지도에서 찾아보고자 한다. 프로이덴탈은 학생들에게 가르쳐야 할 것은 수학 그 자체가 아니라 수학화라고 말한다. 이와 같은 입장에서 볼 때 알고리즘의 지도에서 가르쳐야 할 것은 마찬가지로 알고리즘 그 자체가 아니라 알고리즘의 자기 구성화이어야 한다. 이를 실현하기 위해서는 학생 자신의 알고리즘을 구성할 수 있도록 하는 것이 학교수학의 목표로 인식되어야 하고 이것은 알고리즘 지도의 방향을 알고리즘 사고의 강조로 맞추어지게 해야 할 것이다. 따라서 알고리즘과 알고리즘적 사고를 교육과정에 의미 있게 통합시키는 방법은 알고리즘 그 자체를 목적으로 보기보다는 자신의 알고리즘을 구성하는 도구로 보도록 하며, 문제해결과정 속에서 알고리즘적 사고를 통해 알고리즘을 분석하고 발견하는 방법을 가르치는 것이다. 이러한 알고리즘적 사고의 개발은 학생에게 수학적 힘을 기를 수 있는 기회를 줄 뿐만 아니라, 수학을 하는데 있어서 자신의 능력에 대한 자신감을 얻게 해준다. 또한 알고리즘을 의미 있게 배움으로써 문제를 해결함과 동시에 개념적으로도 이해할 수 있게 된다. This thesis is to search for a helpful answer to establish goals and topics appropriation for a mathematics curriculum on the 21th century and to change our thoughts on school mathematics by researching on teaching algorithms. Freudenthal says that mathematizing, not mathematics itself, must be learned. From the same viewpoint, itself-construction of algorithms, not algorithms itself, must be learned in teaching algorithm, for its realization, the goal of school mathematics must be teaching the students to construct their own algorithm. If it is so, the goal of teaching algorithms will be emphasized on algorithmic thinking. To meaningfully unify algorithms and algorithmic thinking in curriculum, we must regard algorithms itself as not be end but a method for constructing its algorithms, and we should teach how to analyze and discover algorithms through a algorithmic thinking in problem solving These algorithmic thinking provides for students to improve their mathematical power and confidence in their ability to do mathematics. hence, for learning algorithms meaningfully, they should be taught with problem solving and conceptual understanding.