딥러닝 오토인코더로 이상 거래 탐지 시스템 구축 🕵️‍♀️💻

금융 사기와 이상 거래가 날로 증가하는 현대 사회에서, 효과적인 탐지 시스템의 필요성이 그 어느 때보다 높아지고 있습니다. 이에 따라 인공지능과 딥러닝 기술을 활용한 고급 탐지 방법론이 주목받고 있죠. 그 중에서도 오토인코더(Autoencoder)는 이상 탐지 분야에서 특히 강력한 성능을 보여주고 있습니다. 이 글에서는 딥러닝 오토인코더를 이용해 이상 거래를 탐지하는 시스템을 어떻게 구축할 수 있는지 상세히 알아보겠습니다. 🚀

오토인코더는 입력 데이터를 압축하고 다시 복원하는 과정에서 데이터의 중요한 특징을 학습합니다. 정상적인 거래 패턴을 학습한 오토인코더는 이상 거래를 마주쳤을 때 높은 복원 오차를 보이게 되고, 이를 통해 우리는 이상 거래를 효과적으로 탐지할 수 있습니다. 이러한 기술은 금융 기관뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며, 재능넷과 같은 온라인 플랫폼에서도 사용자 보호와 시스템 안정성 유지를 위해 중요한 역할을 할 수 있습니다.

1. 오토인코더의 기본 개념 이해하기 🧠

오토인코더는 비지도 학습 신경망의 한 종류로, 입력 데이터를 압축(인코딩)하고 다시 원래의 형태로 복원(디코딩)하는 과정을 통해 데이터의 중요한 특징을 학습합니다. 이 과정에서 네트워크는 입력 데이터의 핵심적인 표현을 찾아내고, 이를 바탕으로 데이터를 재구성하게 됩니다.

오토인코더의 구조는 크게 세 부분으로 나눌 수 있습니다:

인코더(Encoder): 입력 데이터를 저차원의 잠재 공간으로 압축합니다.
잠재 공간(Latent Space): 압축된 데이터의 표현이 저장되는 공간입니다.
디코더(Decoder): 잠재 공간의 데이터를 원래의 차원으로 복원합니다.

오토인코더는 입력과 출력이 동일하도록 학습되며, 이 과정에서 네트워크는 데이터의 중요한 특징을 자동으로 학습하게 됩니다. 이상 탐지에 있어 오토인코더의 강점은 바로 이 점에 있습니다. 정상적인 데이터로 학습된 오토인코더는 비정상적인 데이터를 마주했을 때 높은 복원 오차를 보이게 되고, 이를 통해 이상을 탐지할 수 있는 것입니다.

2. 이상 거래 탐지를 위한 오토인코더의 장점 💪

오토인코더를 이용한 이상 거래 탐지 시스템은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다:

비지도 학습: 레이블이 없는 데이터로도 학습이 가능합니다. 이는 레이블링된 이상 거래 데이터를 구하기 어려운 현실적인 상황에서 큰 장점이 됩니다.
차원 축소: 고차원의 데이터를 저차원으로 압축하여 표현함으로써, 데이터의 중요한 특징을 효과적으로 추출할 수 있습니다.
적응성: 새로운 형태의 이상 거래 패턴에도 유연하게 대응할 수 있습니다.
확장성: 대량의 데이터를 처리할 수 있어 대규모 시스템에도 적용 가능합니다.
특징 학습: 수동으로 특징을 설계할 필요 없이 네트워크가 자동으로 중요한 특징을 학습합니다.

이러한 장점들로 인해 오토인코더는 복잡하고 다양한 패턴을 가진 금융 거래 데이터에서 이상을 탐지하는 데 매우 효과적입니다. 특히 새로운 형태의 사기 거래가 계속해서 등장하는 현대 금융 환경에서, 오토인코더의 적응성은 큰 강점이 됩니다.

3. 이상 거래 탐지를 위한 오토인코더 모델 설계 🏗️

이상 거래 탐지를 위한 오토인코더 모델을 설계할 때는 다음과 같은 요소들을 고려해야 합니다:

3.1 네트워크 구조

오토인코더의 네트워크 구조는 일반적으로 대칭적입니다. 인코더와 디코더 부분이 서로 대칭을 이루며, 중간의 병목 층(bottleneck layer)에서 데이터가 가장 압축된 형태로 표현됩니다.


# 오토인코더 모델 구조 예시
model = Sequential([
    # 인코더
    Dense(64, activation='relu', input_shape=(input_dim,)),
    Dense(32, activation='relu'),
    Dense(16, activation='relu'),
    Dense(8, activation='relu'),
    
    # 디코더
    Dense(16, activation='relu'),
    Dense(32, activation='relu'),
    Dense(64, activation='relu'),
    Dense(input_dim, activation='linear')
])

이 구조에서 각 층의 뉴런 수와 활성화 함수는 데이터의 특성과 복잡도에 따라 조정될 수 있습니다. 일반적으로 ReLU(Rectified Linear Unit) 활성화 함수를 사용하며, 출력층에서는 선형 활성화 함수를 사용합니다.

3.2 손실 함수

오토인코더의 학습 목표는 입력 데이터를 최대한 정확하게 복원하는 것입니다. 따라서 손실 함수는 입력과 출력 사이의 차이를 측정하는 함수를 사용합니다. 일반적으로 평균 제곱 오차(Mean Squared Error, MSE)나 평균 절대 오차(Mean Absolute Error, MAE)를 사용합니다.


# 손실 함수 정의
model.compile(optimizer='adam', loss='mse')

3.3 정규화

오버피팅을 방지하고 모델의 일반화 성능을 높이기 위해 정규화 기법을 적용할 수 있습니다. L1, L2 정규화나 드롭아웃(Dropout)을 사용할 수 있습니다.


from tensorflow.keras.layers import Dense, Dropout
from tensorflow.keras.regularizers import l2

model = Sequential([
    Dense(64, activation='relu', input_shape=(input_dim,), kernel_regularizer=l2(0.01)),
    Dropout(0.3),
    # ... 나머지 층들
])

3.4 하이퍼파라미터 튜닝

모델의 성능을 최적화하기 위해 다양한 하이퍼파라미터를 조정해야 합니다. 주요 하이퍼파라미터로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

학습률(Learning Rate)
배치 크기(Batch Size)
에폭 수(Number of Epochs)
은닉층의 수와 각 층의 뉴런 수
정규화 강도

이러한 하이퍼파라미터는 그리드 서치(Grid Search)나 랜덤 서치(Random Search) 등의 방법을 통해 최적화할 수 있습니다.

4. 데이터 전처리 및 준비 🧹

오토인코더 모델의 성능을 극대화하기 위해서는 적절한 데이터 전처리가 필수적입니다. 이상 거래 탐지를 위한 데이터 전처리 과정은 다음과 같은 단계를 포함합니다:

4.1 데이터 수집

먼저, 충분한 양의 거래 데이터를 수집해야 합니다. 이 데이터에는 다음과 같은 정보가 포함될 수 있습니다:

거래 금액
거래 시간
거래 유형
거래 당사자 정보
지리적 위치
디바이스 정보

데이터 수집 시 개인정보 보호 규정을 준수하는 것이 중요합니다. 재능넷과 같은 플랫폼에서는 사용자의 프라이버시를 존중하면서도 효과적인 이상 탐지를 위한 데이터를 수집하는 균형이 필요합니다.

4.2 데이터 정제

수집된 데이터에서 노이즈를 제거하고 품질을 향상시키는 과정입니다. 주요 단계는 다음과 같습니다:

결측치 처리: 데이터에 빈 값이 있는 경우, 이를 적절히 처리해야 합니다. 평균값, 중앙값으로 대체하거나, 더 복잡한 방법으로 예측하여 채울 수 있습니다.
이상치 제거: 극단적인 값들은 모델의 학습을 방해할 수 있으므로, 통계적 방법이나 도메인 지식을 활용하여 이를 제거하거나 조정해야 합니다.
중복 데이터 제거: 동일한 거래가 중복으로 기록된 경우 이를 제거합니다.


import pandas as pd
import numpy as np

# 데이터 로드
df = pd.read_csv('transactions.csv')

# 결측치 처리
df['amount'].fillna(df['amount'].mean(), inplace=True)

# 이상치 제거 (예: Z-score 방법)
from scipy import stats
z_scores = np.abs(stats.zscore(df['amount']))
df = df[(z_scores < 3)]

# 중복 데이터 제거
df.drop_duplicates(inplace=True)

4.3 특성 엔지니어링

원본 데이터에서 새로운 특성을 생성하거나 기존 특성을 변환하여 모델의 성능을 향상시키는 과정입니다. 이상 거래 탐지에 유용한 특성 엔지니어링 예시는 다음과 같습니다:

시간 기반 특성: 거래 시간을 시간대, 요일, 주말/평일 등으로 변환
금액 기반 특성: 로그 변환, 표준화된 금액 등
빈도 기반 특성: 특정 기간 내 거래 횟수, 평균 거래 간격 등
카테고리 인코딩: 범주형 변수를 수치형으로 변환 (예: One-hot 인코딩)


# 시간 기반 특성 생성
df['hour'] = pd.to_datetime(df['timestamp']).dt.hour
df['is_weekend'] = pd.to_datetime(df['timestamp']).dt.dayofweek.isin([5,6]).astype(int)

# 금액 기반 특성
df['log_amount'] = np.log1p(df['amount'])

# 빈도 기반 특성
df['transaction_count'] = df.groupby('user_id')['timestamp'].transform('count')

# 카테고리 인코딩
df = pd.get_dummies(df, columns=['transaction_type'])

4.4 데이터 정규화

오토인코더의 학습을 안정화하고 성능을 향상시키기 위해 입력 데이터를 정규화하는 것이 중요합니다. 주로 사용되는 정규화 방법은 다음과 같습니다:

Min-Max 정규화: 데이터를 0과 1 사이의 값으로 변환합니다.
Z-score 정규화: 데이터를 평균 0, 표준편차 1을 갖도록 변환합니다.


from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler, StandardScaler

# Min-Max 정규화
scaler = MinMaxScaler()
df_normalized = scaler.fit_transform(df)

# 또는 Z-score 정규화
# scaler = StandardScaler()
# df_normalized = scaler.fit_transform(df)

정규화된 데이터는 모델 학습에 사용되며, 이상 탐지 시에도 같은 스케일러를 사용하여 새로운 데이터를 변환해야 합니다.

4.5 데이터 분할

마지막으로, 전처리된 데이터를 학습 세트와 검증 세트로 분할합니다. 이상 거래 탐지의 경우, 정상 거래 데이터만을 사용하여 모델을 학습시키는 것이 일반적입니다.


from sklearn.model_selection import train_test_split

# 정상 거래 데이터만 선택
normal_data = df[df['is_fraud'] == 0]

# 학습 세트와 검증 세트로 분할
train_data, val_data = train_test_split(normal_data, test_size=0.2, random_state=42)

이렇게 전처리된 데이터는 오토인코더 모델의 학습에 사용됩니다. 적절한 데이터 전처리는 모델의 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 특히 이상 거래 탐지와 같은 민감한 작업에서는 더욱 중요합니다.

5. 오토인코더 모델 구현 및 학습 🛠️

이제 실제로 오토인코더 모델을 구현하고 학습시키는 과정을 살펴보겠습니다. 여기서는 TensorFlow와 Keras를 사용하여 모델을 구현하겠습니다.

5.1 모델 구조 정의

먼저, 오토인코더의 구조를 정의합니다. 입력 차원, 은닉층의 수와 각 층의 뉴런 수, 활성화 함수 등을 결정해야 합니다.


from tensorflow.keras.models import Model
from tensorflow.keras.layers import Input, Dense

def build_autoencoder(input_dim):
    # 인코더
    input_layer = Input(shape=(input_dim,))
    encoded = Dense(64, activation='relu')(input_layer)
    encoded = Dense(32, activation='relu')(encoded)
    encoded = Dense(16, activation='relu')(encoded)
    
    # 디코더
    decoded = Dense(32, activation='relu')(encoded)
    decoded = Dense(64, activation='relu')(decoded)
    decoded = Dense(input_dim, activation='linear')(decoded)
    
    # 전체 오토인코더 모델
    autoencoder = Model(input_layer, decoded)
    
    return autoencoder

# 입력 차원 설정
input_dim = train_data.shape[1]

# 모델 생성
model = build_autoencoder(input_dim)
model.summary()

5.2 모델 컴파일

모델을 컴파일할 때 최적화 알고리즘, 손실 함수, 평가 지표를 지정합니다.


model.compile(optimizer='adam', loss='mse', metrics=['mae'])

5.3 모델 학습

컴파일된 모델을 학습 데이터로 학습시킵니다. 이 때 배치 크기, 에폭 수, 검증 데이터 등을 지정합니다.


history = model.fit(
    train_data, train_data,
    epochs=100,
    batch_size=32,
    validation_data=(val_data, val_data),
    shuffle=True
)

5.4 학습 과정 시각화

학습이 완료된 후, 학습 과정을 시각화하여 모델의 성능 변화를 확인할 수 있습니다.


import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=(12, 4))

plt.subplot(121)
plt.plot(history.history['loss'], label='Train Loss')
plt.plot(history.history['val_loss'], label='Validation Loss')
plt.title('Model Loss')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('Loss')
plt.legend()

plt.subplot(122)
plt.plot(history.history['mae'], label='Train MAE')
plt.plot(history.history['val_mae'], label='Validation MAE')
plt.title('Model MAE')
plt.xlabel('Epoch')
plt.ylabel('MAE')
plt.legend()

plt.tight_layout()
plt.show()

5.5 모델 평가

학습된 모델의 성능을 평가하기 위해 검증 데이터셋을 사용합니다.


val_loss, val_mae = model.evaluate(val_data, val_data)
print(f"Validation Loss: {val_loss}")
print(f"Validation MAE: {val_mae}")

5.6 재구성 오차 분포 확인

이상 탐지를 위해 정상 데이터의 재구성 오차 분포를 확인합니다. 이를 통해 이상 탐지를 위한 임계값을 설정할 수 있습니다.


reconstructions = model.predict(val_data)
mse = np.mean(np.power(val_data - reconstructions, 2), axis=1)

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.hist(mse, bins=50)
plt.title('Reconstruction Error Distribution')
plt.xlabel('Mean Squared Error')
plt.ylabel('Count')
plt.show()

# 임계값 설정 (예: 95 퍼센타일)
threshold = np.percentile(mse, 95)
print(f"Anomaly threshold: {threshold}")

이렇게 학습된 오토인코더 모델은 새로운 거래 데이터의 이상 여부를 판단하는 데 사용될 수 있습니다. 재구성 오차가 설정한 임계값을 초과하는 경우, 해당 거래를 이상 거래로 판단할 수 있습니다.

6. 이상 거래 탐지 시스템 구축 🏗️

학습된 오토인코더 모델을 바탕으로 실제 이상 거래 탐지 시스템을 구축하는 과정을 살펴보겠습니다. 이 시스템은 새로운 거래 데이터를 입력받아 이상 여부를 판단하고, 필요한 경우 알림을 발생시키는 기능을 포함합니다.

6.1 이상 탐지 함수 구현

먼저, 학습된 모델을 사용하여 새로운 데이터의 이상 여부를 판단하는 함수를 구현합니다.


def detect_anomalies(model, data, threshold):
    reconstructions = model.predict(data)
    mse = np.mean(np.power(data - reconstructions, 2), axis=1)
    return mse > threshold

# 사용 예시
anomalies = detect_anomalies(model, new_data, threshold)