비음수 텐서 분해와 은닉 마코프 모델을 이용한 터널 환경에서의 음향 사고 검지 방법

An Acoustic Event Detection Method in Tunnels Using Non-negative Tensor Factorization and Hidden Markov Model

본 논문에서는 터널 환경에서 비음수 텐서분해와 가우시안 혼합을 갖는 은닉 마코프 모델을 사용한 사고 검지 시스템을 제안한다. 대부분의 터널 내 환경은 내재된 환경으로 인한 작은 사고들이 발생한다. 특히 터널 내에서 사고가 발생할 시, 2차, 3차 사고가 발생되어 큰 재해로 발전할 가능성이 높다. 주로 시각기반의 사고 검지 기법들이 많이 제안되어왔으나, 시야각 등의 문제로 오검지가 발생하는 단점이 존재한다. 이러한 시각기반의 검지 기법을 보완하기 위해 본 논문에 제안된 기법은 터널환경에서의 음향사고 검출의 정확도 개선을 위해 비음수 텐서분해와 가우시안 혼합모델(Gaussian mixture model, GMM) 기반의 은닉 마코프 모델(hidden Markov model, HMM)을 이용한다. 제안된 방법은 비음수 텐서 분해 기법에 활용되는 사고음향 모델과 잡음모델을 사용하여 사고음을 분리하고, 분리된 사고음을 기반으로 기 훈련된 GMM-HMM 기반의 음향모델을 기반으로 우도비 검증을 수행하여 사고 검지를 수행한다. 제안된 방법의 검지 정확도를 평가하기 위해 터널 내 환경잡음과 사고음을 합성하여 생성한 데이터를 생성하였고, 높은 정확도를 얻을 수 있었다.

In this paper, we propose an acoustic event detection method in tunnels using non-negative tensor factorization (NTF) and hidden Markov model (HMM) applied to multi-channel audio signals. Incidents in tunnel are inherent to the system and occur unavoidably with known probability. Incidents can easily happen minor accidents and extend right through to major disaster. Most incident detection systems deploy visual incident detection (VID) systems that often cause false alarms due to various constraints such as night obstacles and a limit of viewing angle. To this end, the proposed method first tries to separate and detect every acoustic event, which is assumed to be an in-tunnel incident, from noisy acoustic signals by using an NTF technique. Then, maximum likelihood estimation using Gaussian mixture model (GMM)-HMMs is carried out to verify whether or not each detected event is an actual incident. Performance evaluation shows that the proposed method operates in real time and achieves high detection accuracy under simulated tunnel conditions.