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다중개입 계절형 ARIMA 모형을 이용한 KTX 수송수요 예측
KTX passenger demand forecast with multiple intervention seasonal ARIMA models 원문보기

응용통계연구 = The Korean journal of applied statistics, v.32 no.1, 2019년, pp.139 - 148  

차효영 (한국외국어대학교 통계학과) ,  오윤식 (한국철도공사연구원) ,  송지우 (한국외국어대학교 통계학과) ,  이태욱 (한국외국어대학교 통계학과)

초록
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본 연구는 KTX 수송수요를 예측하기 위한 방법으로 다중개입 시계열 모형을 제안하였다. 구체적으로 2011년 이전의 자료로서 경부 2단계 개통 개입만 고려한 Kim과 Kim (Korean Society for Railway, 14, 470-476, 2011)의 연구를 수정 보완하기 위해 다양한 개입이 추가적으로 발생하고 있는 2011년 이후의 시계열 자료를 효과적으로 모델링하는 한편 KTX 수송수요를 정확히 예측하기 위한 방법으로 다중개입 계절형 ARIMA 모형을 도입하였다. 자료 분석을 통해 KTX 수송수요에 영향을 주었던 경부 및 호남 2단계 개통, 메르스 발병과 설추석 명절 등 다양한 개입의 효과를 효과적으로 해석하는 한편, 이를 통해 예측의 정확성을 높일 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study proposed a multiple intervention time series model to predict KTX passenger demand. In order to revise the research of Kim and Kim (Korean Society for Railway, 14, 470-476, 2011) considering only the intervention of the second phase of Gyeong-bu before November of 2011, we adopted multipl...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • Kim과 Kim (2011) 등은 이를 극복하기 위하여 개입 계절형 ARIMA 모형을 도입하여 경부 2단계 개통 개입 효과를 적절히 설명하였다. 본 연구는 2011년 이전의 자료로서 경부 2단계 개통 개입만 고려한 Kim과 Kim (2011)의 연구를 수정 보완하기 위해 다양한 개입이 발생하고 있는 2011년 이후의 시계열 자료를 효과적으로 모델링하는 한편 KTX 수송수요를 정확히 예측하기 위한 방법으로 다중개입 계절형 ARIMA 모형을 제안한다.
  • 본 연구는 KTX 수송 수요를 예측하기 위한 방법으로 다중개입 시계열 모형을 제안하였다. 구체적으로 2010년 11월 경부 2단계 개통, 2015년 4월 호남 2단계 개통, 2015년 6월과 7월의 메르스 사태 등의 개입 효과를 분석하기 위하여 다중개입 계절형 ARIMA 모형을 도입하였다.

가설 설정

  • 1의 시계열도를 보면 메르스 개입의 효과가 2015년 6월과 7월에 서로 다르다고 볼 수 있기 때문에 이를 구분하여 개입 변수를 설정하였다. 경부 2단계 개통, 운송력 증대 및 호남 2단계 개통 개입은 발생한 시점 이후에 지속적으로 영향을 미친다고 판단하여 계단함수를 사용하고, 마찬가지로 개입의 효과가 바로 반영되어 지연 효과가 없으며 그 크기가 일정한 경우와 선형으로 증가하는 경우를 동시에 가정하여 개입 모형을 설정하였다. 단, 호남축 수송실적 자료에 대한 2011년 11월부터 2015년 3월 기간동안의 운송력 증대 개입 효과는 Figure 2.
  • 다중개입 시계열 분석은 시계열 자료가 장기간에 걸쳐 관측되는 경우에 제어할 수 없는 여러 가지 외부적인 사건들이 발생하면 이에 대한 영향을 모형화한 후 이의 효과를 추정하고 이를 통해 미래를 예측하는 분석법이다. 다중개입 시계열 모형은 개입이 포함되지 않은 시계열에 가해지는 여러 가지 외부적인 충격의 영향이 가법적인 형태로 미친다고 가정하여 다음의 형태로 모형화한다.
  • 따라서 개입으로 인한 결정적 추세 변화를 1차 차분으로 분석하기 보다는 개입 분석을 활용하는 것이 바람직하다고 판단하였다. 둘째, 계절형 차분연산자의 차수는 D = 1을 고려하였다. 이는 본 연구의 선행 연구라고 할 수 있는 Kim과 Kim (2011)에서도 이미 동일한 자료에 대해 1차 계절차분을 시행하였을 뿐만 아니라, 다중개입으로 분석할 수 있는 비계절형 결정적 추세 변화와는 달리 계절형 결정적 추세 변화는 그 존재에 대해설명하기 어려울뿐만 아니라 분석도 매우 복잡하기 때문이다.
  • 본 연구에서는 0 ≤ p, q ≤ 2와 0 ≤ P, Q ≤ 1를 가정하였다.
  • 참고로 경부 2단계 개통은 경부축 뿐만 아니라 호남축의 철도 공급에도 영향을 미쳐 수송실적을 변화 시키기 때문에 공통 개입으로 정의한다. 설 또는 추석 명절 개입과 2015년 6월과 7월에 발생한 메르스 개입은 개입의 효과가 발생 시점에만 영향을 미치는 경우이므로 분석을 위해 펄스함수를 사용하고, 개입의 효과가 바로 반영되어 지연 효과가 없으며 그 크기가 모두 일정한 경우를 가정한다. 참고로 설추석 명절 개입은 주중에만 효과를 미친다고 보아 주중 자료에만 반영하였으며, 명절에 평일이 1–2일이 포함되어 있는 경우와 3일 이상이 포함되어 있는 경우로 구분하여 개입 변수를 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일반적인 시계열 모형인, ARIMA 모형과 계절형 ARIMA 모형의 한계점은? 가장 일반적인 시계열 모형으로 자료의 자기상관성을 분석하는 ARIMA 모형과 계절적인 특성을 함께 분석하는 계절형 ARIMA 모형이 있다. 그러나 시계열 자료에 영향을 미치는 외생변수 또는 개입변수 등이 존재하는 경우에 ARIMA 계열의 모형들은 적절한 모형이 아니므로, 이를 반영하기 위해 전이함수모형 또는 개입 ARIMA 모형 등을 고려한다. 시계열 자료에서 개입은 시계열 자료에 영향을 미칠 수 있는 사건을 의미하며, 이들을 입력변수 또는 설명변수로 반영하여 분석하는 모형을 개입 시계열 모형이라고 한다.
시계열 자료에서 개입은 무엇인가? 그러나 시계열 자료에 영향을 미치는 외생변수 또는 개입변수 등이 존재하는 경우에 ARIMA 계열의 모형들은 적절한 모형이 아니므로, 이를 반영하기 위해 전이함수모형 또는 개입 ARIMA 모형 등을 고려한다. 시계열 자료에서 개입은 시계열 자료에 영향을 미칠 수 있는 사건을 의미하며, 이들을 입력변수 또는 설명변수로 반영하여 분석하는 모형을 개입 시계열 모형이라고 한다. 예를 들어 KTX 수송실적에 영향을 미치는 개입으로 경부고속철도 2단계 개통, 호남고속도로 2단계 개통과 같은 정책의 변화, 그리고 SARS 및 MERS와 같은 국가감염병 등의 사건을 들 수 있다.
일반적인 시계열 자료 분석의 목적은? 일반적으로 시계열 자료 분석의 목적은 자료에 내재되어 있는 다양한 시계열적 성질 및 특성을 효과적으로 설명하는 동시에 미래를 가능한 정확히 예측하는 데 있다. 가장 일반적인 시계열 모형으로 자료의 자기상관성을 분석하는 ARIMA 모형과 계절적인 특성을 함께 분석하는 계절형 ARIMA 모형이 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Box, G. E. P. and Tiao, G. C. (1975). Intervention analysis with application to economic and environmental problems, Journal of the American Statistical Association, 70, 70-79. 

  2. Cho, S., Sohn, Y. and Seong, B (2016). Time Series Analysis using SAS/ETS, Yulgok Books, Seoul. 

  3. Choi, T. and Kim, S. (2004). An empirical comparison among initialization methods of Holt-Winters model for railway passenger demand forecast, Journal of the Korean Society for Railway, 7, 9-13. 

  4. Cryer, J. D. and Chan, K. S. (2008). Time Series Analysis: With Applications in R, Springer-Verlag, New York. 

  5. Hong, C. and Lee, G. (2016). Study of factors affecting the size of government employment in Korea, Korean Public Personnel Administration Review, 15, 29-60. 

  6. Huh, H. J. and Kim, H. C. (2001). Forecasting demand for Jeju-bound tourist: an application of intervention method, Journal of Tourism Sciences, 25, 27-42. 

  7. Kim, K. and Kim, H. (2011). KTX passenger demand forecast with intervention ARIMA model, Korean Society for Railway, 14, 470-476. 

  8. Kim, S. and Seong, B. (2011). Intervention analysis of Korea tourism data, Korean Journal of Applied Statistics, 24, 735-743. 

  9. Kim, Y. and Jo, J. (2014). A study on demand forecasting for KTX passengers by using time series models, Korean Journal of Applied Statistics, 27, 1257-1268. 

  10. Song, J. (2016). A study on demand forecasting for Jeju-bound tourists by travel purpose using seasonal ARIMA-intervention, Journal of the Korean Data & Information Science Society, 27, 725-732. 

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