시계열 예측 신경망 성능 비교

순환신경망(RNN), 장단기 기억망(LSTM), 게이트 순환 유닛(GRU)은 시계열 예측 분야에서 널리 활용되지만, 무작위 가중치 초기화로 인한 성능 변동성은 모델 신뢰성에 의문을 제기합니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고자 바닐라 RNN, LSTM, GRU 및 6가지 하이브리드 모델(RNN-LSTM, RNN-GRU, LSTM-RNN, GRU-RNN, LSTM-GRU, GRU-LSTM)을 포함한 총 9가지 신경망 아키텍처의 성능을 종합적으로 평가했습니다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 100회 반복 실험을 수행했으며, 태양 흑점 활동, 인도네시아 코로나19 확진자 수, 용존 산소 농도 측정치 등 세 가지 실제 데이터셋을 활용했습니다. 통계 분석에는 프리드만 테스트를 적용하여 아키텍처 간 성능 차이를 평가했습니다. 분석 결과, 9가지 아키텍처 간에 통계적으로 유의미한 성능 차이는 발견되지 않았습니다. 그러나 통계적 유의성 부족에도 불구하고, LSTM 기반 하이브리드 아키텍처에서 일관된 성능 패턴이 나타났습니다. 특히 LSTM-GRU 및 LSTM-RNN 구성이 여러 평가 지표에서 우수한 성능을 보였으며, LSTM-RNN은 태양 흑점 및 용존 산소 예측에서, 독립형 LSTM은 코로나19 예측에서 최적의 성능을 나타냈습니다. 이러한 결과는 시계열 예측 애플리케이션에서 아키텍처 선택에 대한 근거 기반 지침을 제공합니다. 통계적으로는 아키텍처 간 동등성이 존재하지만, LSTM 기반 하이브리드 모델이 다양한 시계열 패턴에서 일관성과 견고성 측면에서 실질적인 이점을 제공함을 시사합니다.