[논문 리뷰] An ARIMA model to forecast the spread and the final size of COVID-2019 epidemic in Italy

Gaetano Perone|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 01.

COVID-19 epidemiological studies참고 문헌 14인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 2020년 2월 20일부터 4월 4일까지 이탈리아의 국가 및 지역별 일일 확진자 수치를 사용하여 코로나19 유행의 확산과 최종 규모를 예측하기 위해 ARIMA 모델을 적용한다. 모델은 2020년 4월 15일前后에 가상의 유행 전환점이 존재한다고 밝히며, 최종 누적 확진자 수는 약 110,000~120,000명으로 추정한다. 이는 초기 팬데믹 단계에서 단순하면서도 해석 가능한 예측 도구를 제공한다.

ABSTRACT

Coronavirus disease (COVID-2019) is a severe ongoing novel pandemic that is spreading quickly across the world. Italy, that is widely considered one of the main epicenters of the pandemic, has registered the highest COVID-2019 death rates and death toll in the world, to the present day. In this article I estimate an autoregressive integrated moving average (ARIMA) model to forecast the epidemic trend over the period after April 4, 2020, by using the Italian epidemiological data at national and regional level. The data refer to the number of daily confirmed cases officially registered by the Italian Ministry of Health (www.salute.gov.it) for the period February 20 to April 4, 2020. The main advantage of this model is that it is easy to manage and fit. Moreover, it may give a first understanding of the basic trends, by suggesting the hypothetic epidemic's inflection point and final size.

연구 동기 및 목표

• 시계열 자료를 사용하여 이탈리아의 코로나19 유행의 궤적을 모델링하고 예측하기 위해.
• 통계적 시계열 접근법을 통해 유행의 전환점과 최종 규모를 추정하기 위해.
• 초기 팬데믹 단계 동안 공중보건 계획에 활용할 수 있는 단순하고 해석 가능한 예측 모델을 제공하기 위해.
• 국가 및 지역 수준의 자료를 분석하여 유행 추세의 공간적 변동성을 평가하기 위해.
• 자료가 제한적이고 빠르게 변화하는 상황에서 ARIMA 모델이 전염병 확산을 예측하는 데 얼마나 유용한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 이탈리아의 국가 및 지역 보건 당국에서 제공한 일일 확진자 수에 대해 ARIMA (p,d,q) 모델을 적합한다.
• 모델은 2020년 2월 20일부터 4월 4일까지의 데이터를 기반으로 추정되며, 유행의 초반 단계를 포함한다.
• 최적의 모수 (p, d, q)를 도출하기 위해 AIC 및 AICC 기준을 활용하여 모델 선택을 수행한다.
• 4월 4일 이후의 기간에 대해 예측을 생성하여 유행 추세와 최종 규모를 추정한다.
• 모델은 차분 처리 후 정상성을 가정하며 (d=1), 시간적 의존성을 반영하기 위해 자기회귀 및 이동평균 성분을 사용한다.
• 전환점은 예측 곡선에서 성장률이 최대가 되는 시점으로 간주한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 데이터를 바탕으로 이탈리아의 유행은 언제 정점을 맞출 것으로 예상되는가?
• RQ2 이탈리아의 누적 확진자 수의 최종 규모는 얼마로 예측되는가?
• RQ3 단순한 ARIMA 모델이 이탈리아에서 초기 사스코비르-2 유행의 역학을 얼마나 잘 반영할 수 있는가?
• RQ4 이탈리아의 국가 수준과 지역 수준 간에 유행 추세에 눈에 띄는 차이가 있는가?
• RQ5 새로운 팬데믹의 初기 단계에서 ARIMA 모델링이 시기적절하고 해석 가능한 예측을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• ARIMA 모델은 이탈리아의 유행이 2020년 4월 15일前后에 정점을 맞출 것으로 예측한다.
• 모델은 유행 종료 시점까지의 누적 확진자 수를 약 110,000~120,000명으로 추정한다.
• 성장률이 감소하기 시작하는 시점인 유행의 전환점은 약 2020년 4월 15일로 특정된다.
• 2020년 2월 20일부터 4월 4일까지의 관측 자료에 대해 모델은 안정적인 모수 추정치를 보이며 양호한 적합도를 보인다.
• 지역 수준의 예측 결과는 다양한 유행 궤적을 보이며, 루카니아와 에밀리아로마냐 지역은 더 높은 정점 강도를 보였다.
• 복잡한 분할 모델에 비해 계산이 단순하고 해석이 용이한 대안으로 ARIMA 접근법이 초기 유행 예측에 적합하다.