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문제 정의
- 그 이유는 과거 해운업계의 관심도는 수익 증대에 집중되었지만, 2008년 이후 연료유가격의 변동성 확대와 장기 해운불황 지속 영향으로 비용구조 개선에 대한 관심이 최근 들어 본격화되었기 때문이다. 본 연구는 시계열 분석과 같은 기존 연구와는 차별적으로 SD를 활용하여 다양한 변수들간의 인과관계를 바탕으로 예측분석을 수행하는 새로운 방법론을 제시하는데 그 의의가 있다. 특히 해운시장에 영향을 미치는 다양한 변수들 가운데 통계적으로 설명 불가능한 변수들을 활용하여 예측모형을 구축한 것은 SD 기법이 갖는 장점이라고 평가할 수 있다.
- 이에 본 연구에서는 연료유 가격의 정확한 예측을 위한 대안으로 시스템 다이내믹스를 활용하여 중장기 연료유 가격을 추정하는 모델을 구축하였다. 연료유 가격 결정에 영향을 미치는 주요 변수들간의 인과관계를 기반으로 모델을 구축하고 시뮬레이션을 통해 중장기 예측을 수행하였다.
제안 방법
- 1990년부터 2015년까지 연도별 실제 시계열 자료와 모델링을 통해 도출된 예측자료와의 데이터를 와 같이 비교하였다.
- 연료유 가격 결정에 영향을 미치는 주요 변수들간의 인과관계를 기반으로 모델을 구축하고 시뮬레이션을 통해 중장기 예측을 수행하였다. 가격추정을 위한 변수들은 가격결정에 영향을 미치는 유가모델과 해상운임모델 등 하부모델을 구성하여 보다 세부적인 모형을 설정하였다.
- 또한 유가와 해상운 임은 또 다른 외생변수인 원유생산량과 원유소비량과 같은 원유 수급변수들과 경제성장률과 환율과 같은 경제변수, 그리고 화물 수요와 선박공급과 같은 해운시장 변수들로 과 같은 투입변수를 구성하였다.
- 먼저 시간적 개념으로는 와 같이 1990 년부터 2016년까지의 시계열 자료를 바탕으로 2029 년까지의 장기 예측을 수행하였다.
- 타당성 검증은 새롭게 구축한 모델의 오류를 수정하고 객관성을 입증하는데 반드시 필요하며, 주요 투입변수들의 설명력을 강화하고 연구결과의 타당성을 보완하는 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 MAPE 분석을 활용하여 예측치와 실제값과의 오차율을 검증하여 예측의 정확도를 평가하였다.
- 본 연구에서는 연료유 가격 결정에 영향을 미치는 다양한 변수들간의 인과적 관계를 바탕으로 시스템 다이내믹스를 활용한 미래 예측 모델을 구축 하고 2029년까지의 장기 가격 예측을 수행하였다.
- 연료유가격의 정확한 예측을 위해 시스템 다이내믹스 환경 상에서 정확한 추정을 위한 변수들 간의 예측모델을 구축하는 것이 중요하다. 실제 예측모델에서는 인과지도에서 정립한 변수간의 관계를 바탕으로 연료유 가격이 원유 생산량과 소비량의 비율 및 원유가격과 해상운임의 관계에 의해 결정되도록 설정하였다.
- 이에 본 연구에서는 연료유 가격의 정확한 예측을 위한 대안으로 시스템 다이내믹스를 활용하여 중장기 연료유 가격을 추정하는 모델을 구축하였다. 연료유 가격 결정에 영향을 미치는 주요 변수들간의 인과관계를 기반으로 모델을 구축하고 시뮬레이션을 통해 중장기 예측을 수행하였다. 가격추정을 위한 변수들은 가격결정에 영향을 미치는 유가모델과 해상운임모델 등 하부모델을 구성하여 보다 세부적인 모형을 설정하였다.
- 연료유 가격 결정에는 유가에 영향을 미치는 원유 소비와 생산, 경제변화에 영향을 미치는 GDP, 환율 등은 물론 해상운송시장의 수요와 공급에 의해 결정되는 해상운임 등 다양한 구성 변수들을 기반으로 시스템 다이내믹 시뮬레이션을 실시하여 연료유 가격을 예측하였다.
- 연료유 가격 예측을 위한 변수들을 의미와 용도에 따라 구분하기 위해 목적변수인 연료유 가격을 기반으로 목적변수를 결정하는 외생변수인 유가와 해상운임 모델을 구성하였다. 또한 유가와 해상운 임은 또 다른 외생변수인 원유생산량과 원유소비량과 같은 원유 수급변수들과 경제성장률과 환율과 같은 경제변수, 그리고 화물 수요와 선박공급과 같은 해운시장 변수들로 <표 1>과 같은 투입변수를 구성하였다.
- 3장은 연료유 가격 예측을 위한 평가모델을 구축하여 주요 투입 변수들간의 관계를 정립하였다. 이를 바탕으로 4장에서는 시스템 다이내믹스를 활용한 연료유 가격 예측을 통해 2029년까지의 가격 변화에 대한 평가를 수행하고, 예측값과 과거 실제값과의 정확도를 검증하였다. 마지막으로 5장인 결론에서는 연구결과 요약, 제언 및 연구의 한계점에 대하여 제시하였다.
- 이를 바탕으로 원유 가격 변수와 경제변수, 해상운임 결정에 영향을 미치는 화물 수요와 공급변수등 각종 변수들의 인과관계를 활용하여 정량적 모델을 구축하고 이를 바탕으로 2029년까지의 연료유 가격을 예측하였다.
- 이를 수행할 프로그램으로는 Powesim Studio 10을 사용하며, 기존 연구들과의 차별성을 확보하기 위해 연료유가의 결정에 영향을 미치는 주요 요인으로 운임과 유가에 대한 하부 모델을 구축하여 예측의 정확도를 제고시켰다. 이후 예측 결과를 토대로 MAPE 분석을 통해 예측의 정확도를 검증하고 본 연구의 의의를 도출하였다.
- 이를 수행할 프로그램으로는 Powesim Studio 10을 사용하며, 기존 연구들과의 차별성을 확보하기 위해 연료유가의 결정에 영향을 미치는 주요 요인으로 운임과 유가에 대한 하부 모델을 구축하여 예측의 정확도를 제고시켰다. 이후 예측 결과를 토대로 MAPE 분석을 통해 예측의 정확도를 검증하고 본 연구의 의의를 도출하였다.
- 정성적 관점의 인과지도를 바탕으로 실제 시뮬레이션 예측수행을 위한 시스템 다이내믹스의 정량적 모델을 구축한다. 최종 예측값인 연료유 가격이 라는 저장변수를 결정하는 하부 변수로 유가와 해상운임 모델을 설정하고 각각의 하부모델 결정에 영향을 미치는 구성변수들의 값을 연료유 가격 예측의 시작 시점인 1990년부터의 데이터를 입력한후 2029년까지의 장기예측을 수행하였다.
- 첫째, 문제의 정의를 통해 전반적인 모델링 계획을 설계하고 연료유가 예측을 위한 변수와 시스템 구조를 설정하는 것이다. 연료유가의 정확한 예측을 위해 목표로 하는 변수의 개념을 정립하고, 명확한 분류를 통해 모델링의 기초를 확립하는 단계이다.
- 정성적 관점의 인과지도를 바탕으로 실제 시뮬레이션 예측수행을 위한 시스템 다이내믹스의 정량적 모델을 구축한다. 최종 예측값인 연료유 가격이 라는 저장변수를 결정하는 하부 변수로 유가와 해상운임 모델을 설정하고 각각의 하부모델 결정에 영향을 미치는 구성변수들의 값을 연료유 가격 예측의 시작 시점인 1990년부터의 데이터를 입력한후 2029년까지의 장기예측을 수행하였다. 연료유 가격 예측을 위한 시뮬레이션 모델은 [그림 3]과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서 시스템 다이내믹스를 활용한 모델 구축 대상은 선박 연료유 가격이다.
- 본 연구에서는 싱가폴항의 380CST 선박연료유 가격을 실증분석의 대상으로 선정하였다. 싱가폴항은 유럽과 아시아를 연결하는 관문항으로서 유럽의 로테르담항과 함께 가장 높은 선박 연료유 수급지역으로 전 세계 연료유 가격을 결정하는 대표성을 갖고 있는 장소이다.
데이터처리
- 또한 실제 자료와 예측값 사이의 분산 비율을 검토하는 상관관계 분석을 수행하여 시뮬레이션 모델 결과값과 실제 자료와의 정합성을 검증하였다. 연료유 가격에 대한 검증결과 상관 계수값은 <표 5>와 같았으며, 상관 계수값이 0.
- 시뮬레이션 분석 후에는 예측 결과에 대한 정확도를 검증하기 위해 MAPE와 상관분석등을 통해 실제 과거 시계열 자료와의 비교분석을 실시하였다. 검증 결과 MAPE값이 모든 변수에서 10% 이내의 낮은 오차율을 기록했으며, 상관계수 역시 0.
- 연료유 가격 예측의 정확도를 제고시키기 위해 과거 시계열 실제 자료와의 정합성을 측정하고자 MAPEs2) 와 신뢰성 검증을 수행하였다.
성능/효과
- 시뮬레이션 분석 후에는 예측 결과에 대한 정확도를 검증하기 위해 MAPE와 상관분석등을 통해 실제 과거 시계열 자료와의 비교분석을 실시하였다. 검증 결과 MAPE값이 모든 변수에서 10% 이내의 낮은 오차율을 기록했으며, 상관계수 역시 0.9 이상의 높은 정합성을 나타냈다. 종합적으로 시스템 다이내믹스를 활용한 연료유 가격 예측은 주요 변수들간의 관계를 고려한 모델정립을 통해 미래 가격을 예측하였으며, 예측결과는 IMF나 World Bank 와 같은 전문기관의 정성적 예측 분석결과는 물론 통계적으로도 실제 시계열 자료와 높은 상관성을 보이는 등 정확한 예측 결과를 나타냈다.
- 검증결과 유가모델의 경우 유가 예측값이 4.54% 로 높은 정합성을 보였으며, 유가 예측을 위해 투입된 원유소비량과 원유생산량 예측 모델 역시 각각 4.79%와 1.60%의 높은 정합성을 나타냈다. 이에 대한 신뢰성 역시 모두 95% 이상의 높은 수준을 기록했다.
- 둘째, 연료유 가격 결정에 영향을 미치는 개별 변수들 간의 인과관계를 한 눈에 파악하고 각각의 변수들이 상호간에 영향을 발생시키는 구조적 관계를 손쉽게 파악함으로써 각각의 구성변수별 변화에 대한 종합적인 관리가 가능하다.
- 셋째, 시스템 다이내믹스는 계량화된 변수 이외에 정책, 기술적 변화 등 다양한 외생변수의 변화들도 시장상황의 예측 또는 변화를 분석하는데 활용될수 있는 유연하고 포괄적인 방법론이다. 그럼에도 불구하고 연료유 가격 예측을 위해 투입된 변수들이 특정 외생변수에 국한된 점은 연구의 아쉬움으로 남으며, 향후 연구의 완성도를 제고시키기 위해 다양한 시나리오 분석 등이 추가되었으면 한다.
- 셋째, 연료유 가격의 객관적인 추정을 통해 선박 운항비용의 효율적 관리 능력을 제고시킬 수 있다.
- 시스템 다이내믹스를 활용한 연료유 가격 예측 결과 싱가폴 380CST기준 2017년부터 2029년까지의 평균 예측 가격은 USD 329.42/Ton 수준으로 예측 되었다.
- 연료유 가격에 대한 검증결과 상관 계수값은 와 같았으며, 상관 계수값이 0.9이상의 높은 정합성을 나타내는 것으로 검증되었다.
- 예측결과 2017년부터 2029년까지의 평균 연료유 가격은 USD329.42/Ton으로 1990년부터 2015년까지의 평균 가격 대비 26% 높은 수준이지만 역대 최고치를 기록했던 2012년에 비해서는 50% 가량 낮은 수준을 보일 것으로 전망되었다.
- Stefanakos & Schinas(2014)는 대략 24년에 해당하는 로테르담과 휴스톤항의 380cst 연료유 가격과 340주에 해당하는 LS 380cst 연료유 가격에 대해 Fuzzy 모형을 통한 시계열 분석을 활용하여 예측모델을 구축하였다. 예측결과에 대한 MAPE 검증결과 오차율이 5%~15% 수준을 나타냈다.
- 이러한 결과값은 지난 2016년 연평균 가격인 USD232.76/Ton에 비해 42% 가량 높은 수준이며, 예측을 위해 투입되었던 1990년부터 2016년 3월까지의 평균값인 USD261.0/Ton에 비해서도 26% 가량 높게 예측되었다.
- 이를 바탕으로 도출된 연료유 가격 예측값에 대한 MAPE값 역시 10.01%로 높은 정합도를 보였으며, 신뢰성은 89.91%로 90% 수준을 기록했다.
- 9 이상의 높은 정합성을 나타냈다. 종합적으로 시스템 다이내믹스를 활용한 연료유 가격 예측은 주요 변수들간의 관계를 고려한 모델정립을 통해 미래 가격을 예측하였으며, 예측결과는 IMF나 World Bank 와 같은 전문기관의 정성적 예측 분석결과는 물론 통계적으로도 실제 시계열 자료와 높은 상관성을 보이는 등 정확한 예측 결과를 나타냈다.
- 첫째, 각종 환경 변수들간의 동적인 인과관계를 활용하여 합리적 추정결과를 유도할 수 있다는 점에서 예측의 정확도와 객관성을 제고시킬 수 있다.
후속연구
- 셋째, 시스템 다이내믹스는 계량화된 변수 이외에 정책, 기술적 변화 등 다양한 외생변수의 변화들도 시장상황의 예측 또는 변화를 분석하는데 활용될수 있는 유연하고 포괄적인 방법론이다. 그럼에도 불구하고 연료유 가격 예측을 위해 투입된 변수들이 특정 외생변수에 국한된 점은 연구의 아쉬움으로 남으며, 향후 연구의 완성도를 제고시키기 위해 다양한 시나리오 분석 등이 추가되었으면 한다.
- 둘째, 연료유 가격 결정에 영향을 미치는 구성변수들을 보다 다양하고 광범위한 영역까지 확장할수 있음에도 불구하고 모델 구축의 어려움과 평가 결과의 신뢰성 등을 이유로 투입변수를 제한한 점은 연구의 한계점으로 남고 있다.
- 첫째, 각각의 구성변수들이 연료유 가격 결정에 영향을 미치는데 있어서 시스템적 사고에 근거한 정성적 판단을 통해 분석이 수행된 점은 여전히 가격 예측의 객관성을 입증하고 인과구조 설정이 자의적이라는 비판에서 벗어나기 힘들다는 한계점을 내포하고 있다. 따라서 구성변수의 선정과정과 인과적 관계 구성에 있어서 전문가 집단의 감수나 추가적인 분석방법 등의 보완이 필요할 것으로 사료 된다.
- 따라서 연료유 가격에 대한 중장기 예측이 가능하다면 보다 원활한 연료유 수급 계획을 수립하여 운항선사의 비용절감에 큰 도움이 될 것으로 사료된다.
- 따라서 향후 본 연구의 한계점으로 제시된 문제점들을 보완하고 해결하기 위한 후속 연구가 진행 되기를 바라고 있다.
- 반면 시스템 다이내믹스를 활용한 연료유 가격 예측 역시 몇 가지 부분에서 연구의 한계점을 보이고 있으므로 향후 보완을 통해 개선이 필요하다.
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