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시계열 분석을 이용한 진동만의 용존산소량 예측
Prediction of Dissolved Oxygen in Jindong Bay Using Time Series Analysis 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.26 no.4, 2020년, pp.382 - 391  

한명수 (지오시스템리서치 해양예보사업부) ,  박성은 (국립수산과학원) ,  최영진 (지오시스템리서치 해양예보사업부) ,  김영민 (국립수산과학원) ,  황재동 (국립수산과학원)

초록
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본 연구에서는 인공지능기법을 이용하여 진동만의 용존산소량 예측을 하였다. 관측자료에 존재하는 결측 구간을 보간하기 위해 양방향재귀신경망(BRITS, Bidirectional Recurrent Imputation for Time Series) 딥러닝 알고리즘을 이용하였고, 대표적 시계열 예측 선형모델인 ARIMA(Auto-Regressive Integrated Moving Average)과 비선형모델 중 가장 많이 이용되고 있는 LSTM(Long Short-Term Memory) 모델을 이용하여 진동만의 용존산소량을 예측하고 그 성능을 평가했다. 결측 구간 보정 실험은 표층에서 높은 정확도로 보정이 가능했으나, 저층에서는 그 정확도가 낮았으며, 중층에서는 실험조건에 따라 정확도가 불안정하게 나타났다. 실험조건에 따라 정확도가 불안정하게 나타났다. 결과로부터 LSTM 모델이 중층과 저층에서 ARIMA 모델보다 우세한 정확도를 보였으나, 표층에서는 ARIMA모델의 정확도가 약간 높은 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we used artificial intelligence algorithms for the prediction of dissolved oxygen in Jindong Bay. To determine missing values in the observational data, we used the Bidirectional Recurrent Imputation for Time Series (BRITS) deep learning algorithm, Auto-Regressive Integrated Moving Av...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 진동만은 수심이 얕아 조석의 영향을 크게 받으며 주변에 다수의 양식장이 설치되어있어 빈산소 수괴 형성시 피해가 크게 발생한다. 본 연구에서는 시계열 분석모델 중 가장 널리 사용되고 있는 ARIMA 모델과 최근 딥러닝의 등장과 함께 널리 이용되고 있는 인공신경망 기반 시계열 예측모델인 LSTM을 이용하여 용존산소량의 정량적 예측을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 진동만에 설치한 용존산소 농도 측정센서로부터 수집된 자료로부터 통계적 시계열 예측을 통해 미래의 용존산소량을 예측하였다. 딥러닝 기법의 정확도 평가를 위해 가장 널리 사용되고 있는 ARIMA 모델을 대조군으로 하여 각각 예측을 수행하였다.

가설 설정

  • ARIMA를 구성하는 p, q, d값은 각각의 파라미터가 0일 때 시계열을 설명하는 모델에 대입할 수 있다. d가 0일 때 ARMA(p, q) 모델이라고 하며, 이 모델은 정상성을 만족한다. p가 0일 때 IMA(d, q) 모델이라고 하며, d번 차분하면 MA(q) 모델을 따르게 된다.
  • 또한 ARIMA 모델을 이용할 때는 모수절약의 원칙에 따라 불필요한 계수를 사용하지 않는 최적 모델을 선정하는 것이 원칙이다(Ku, 2013). 추정된 모델이 적절하다면 해당 시계열은 ARIMA모델을 따라 움직인다고 가정하고 예측을 실시한다. 시계열 자료의 노이즈 분산이 작을수록 높은 정확성을 얻을 수 있으므로 일반적으로 50개 이상의 관측값을 확보하는 것이 바람직하다(Kim, 2007).
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ARIMA 모델의 특징은 무엇인가? ARIMA 모델은 확률적 과정(stochastic process)에 의해 생성되는 확률적 시계열 모델이다. 즉, 자기회귀(AR모델)와 이동 평균(MA모델)이라는 확률적 과정과 대부분의 불안정한 시계열을 안정화하기 위한 차분의 과정이 통합된(Integrated) 방법으로서 시계열 예측을 위해 가장 광범위하게 사용되는 모델이다. ARIMA는 AR 모델과 MA 모델, 그리고 차분을 통합한 모델로 ARIMA(p, d, q)로 나타낸다.
빈산소 수괴는 왜 중요한가? 빈산소 수괴의 형성은 적조와 함께 수산분야에서 가장 큰 피해를 발생시키는 현상이다. 육상으로부터 연근 해역으로 유입된 영양염과 유기물이 생태계의 환경수용력을 넘어설 정도로 증가하게 되면 부영양화에 이어 빈산소 수괴가 발생하여 종 다양성과 수산물 생산량에 악영향을 미치게 된다(Diaz and Rosenberg, 1995; Levin, 2003; Monteiro and Plas, 2006).
빈산소 수괴의 원인은 무엇인가? 빈산소 수괴의 형성은 적조와 함께 수산분야에서 가장 큰 피해를 발생시키는 현상이다. 육상으로부터 연근 해역으로 유입된 영양염과 유기물이 생태계의 환경수용력을 넘어설 정도로 증가하게 되면 부영양화에 이어 빈산소 수괴가 발생하여 종 다양성과 수산물 생산량에 악영향을 미치게 된다(Diaz and Rosenberg, 1995; Levin, 2003; Monteiro and Plas, 2006). 이는 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 증가하고 있는 현상으로서 최근 들어 그 심각성에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다(Diaz and Rosenberg, 2008; Rabalais and Gilbert, 2009).
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