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支持向量回归联合气象和空气污染指标在细菌性痢疾预测中的应用

韩晓丽 张薇 崔旭东 马汉平 赵祥凯 刘妍琛 张晓宇 任晓卫

韩晓丽, 张薇, 崔旭东, 马汉平, 赵祥凯, 刘妍琛, 张晓宇, 任晓卫. 支持向量回归联合气象和空气污染指标在细菌性痢疾预测中的应用[J]. 中华疾病控制杂志, 2019, 23(9): 1137-1142. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2019.09.023
引用本文: 韩晓丽, 张薇, 崔旭东, 马汉平, 赵祥凯, 刘妍琛, 张晓宇, 任晓卫. 支持向量回归联合气象和空气污染指标在细菌性痢疾预测中的应用[J]. 中华疾病控制杂志, 2019, 23(9): 1137-1142. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2019.09.023
HAN Xiao-li, ZHANG Wei, CUI Xu-dong, MA Han-ping, ZHAO Xiang-kai, LIU Yan-chen, ZHANG Xiao-yu, REN Xiao-wei. Application of a support vector regression on prediction of bacillary dysentery combined with meteorological and air pollutants index[J]. CHINESE JOURNAL OF DISEASE CONTROL & PREVENTION, 2019, 23(9): 1137-1142. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2019.09.023
Citation: HAN Xiao-li, ZHANG Wei, CUI Xu-dong, MA Han-ping, ZHAO Xiang-kai, LIU Yan-chen, ZHANG Xiao-yu, REN Xiao-wei. Application of a support vector regression on prediction of bacillary dysentery combined with meteorological and air pollutants index[J]. CHINESE JOURNAL OF DISEASE CONTROL & PREVENTION, 2019, 23(9): 1137-1142. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2019.09.023

支持向量回归联合气象和空气污染指标在细菌性痢疾预测中的应用

doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2019.09.023
基金项目: 

兰州市人才创新创业项目 2017-RC-16

详细信息
    通讯作者:

    任晓卫, E-mail: renxw@lzu.edu.cn

  • 中图分类号: R516.4

Application of a support vector regression on prediction of bacillary dysentery combined with meteorological and air pollutants index

Funds: 

Talent Innovation and Entrepreneurship Project, Lanzhou 2017-RC-16

More Information
  • 摘要:   目的  探讨支持向量回归(support vector regression,SVR)模型联合气象和空气污染物指标在兰州市细菌性痢疾发病预测中的应用,为细菌性痢疾防控提供科学的参考依据。  方法  利用兰州市2013年12月-2016年8月细菌性痢疾发病时间序列数据,结合同期气象和空气污染物数据作为训练集建立SVR模型,以2016年9月-2017年12月的发病数据及同期气象和空气污染数据作为验证集验证模型,并比较不同来源数据模型的拟合及预测效果。  结果  2013年12月-2017年12月兰州市共报告细菌性痢疾7 192例。除气压外,其他气象和空气污染因子与细菌性痢疾发病数的相关系数均>0.4。基于整合数据对拟合模型的参数进行选择,得到最小测试误差值所对应的三个参数分别为:C=5、γ=0.02和ε=0.000 1。利用验证集对不同来源的拟合模型进行测试显示整合数据模型具有最好的预测精度性和稳健性,均方根误差(root mean squared error,RMSE)为0.164 7,平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)为16.405%。  结论  应用SVR模型联合气象和空气污染指标预测细菌性痢疾效果良好。
  • 图  1  2016年9月-2017年12月细菌性痢疾发病数预测序列图

    Figure  1.  Prediction sequence diagram of the case of BD from September 2016 to December 2017

    表  1  2013年-2017年兰州市空气污染、气象因素和菌痢发病数指标描述

    Table  1.   Description of air pollution, meteorological factors and incidence of bacillary dysentery in Lanzhou from 2013 to 2017

    变量 (x±s) 极小值 P25 P50 P75 极大值
    菌痢月发病数 146.8±93.31 44.00 80.00 120.00 185.00 503.00
    空气污染物
      PM2.5(μg/m3) 53.73±16.66 30.23 42.13 50.19 63.97 97.32
      PM10(μg/m3) 124.83±38.09 72.81 96.20 116.71 146.37 264.17
      CO(mg/m3) 1.35±0.56 0.68 0.92 1.16 1.86 2.64
      NO2(μg/m3) 51.24±14.42 30.83 42.65 47.97 53.55 97.32
      O3_8h/(μg/m3) 85.13±29.30 28.97 66.03 80.23 108.77 145.17
    气象因素
      平均气温(℃) 7.55±9.30 -7.74 -1.43 8.93 14.65 21.94
      平均最高气温(℃) 14.85±8.94 -0.36 6.58 16.07 22.03 29.45
      平均最低气温(℃) 1.69±8.87 -13.04 -7.15 3.27 9.35 15.67
      平均地表温度(℃) 11.26±11.02 -5.69 0.79 12.11 20.43 29.21
      平均气压(hPa) 811.62±0.95 809.50 811.00 811.60 812.30 813.80
      平均相对湿度(%) 60.48±10.09 38.06 52.74 59.00 66.94 80.58
      平均风速(m/s) 1.94±0.30 1.47 1.69 1.93 2.21 2.65
      平均日照时数(h) 7.06±1.15 4.80 6.19 6.95 7.71 9.54
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    表  2  气象和污染物因子与不同滞后时期发病数的相关性分析

    Table  2.   Correlation analysis between meteorological and pollutants factors and incidence in different lag periods

    气象和污染物 相同时期 滞后一月 滞后两月 滞后三月
    PM2.5(μg/m3) -0.577b -0.404a 0.109 0.586b
    PM10(μg/m3) -0.561b -0.465b 0.038 0.329a
    SO2(μg/m3) -0.570b -0.410a 0.002 0.452a
    CO(mg/m3) -0.465b -0.298a 0.085 0.559b
    NO2(μg/m3) -0.411a -0.266 0.097 0.537b
    O3(μg/m3) 0.399a 0.076 -0.269 -0.593b
    平均气温(℃) 0.723b 0.471b 0.081 -0.364a
    平均最高气温(℃) 0.717b 0.455a 0.070 -0.375a
    平均最低气温(℃) 0.735b 0.510b 0.123 -0.320a
    平均气压(hPa) -0.332a -0.387a 0.007 0.061
    平均地表温度(℃) 0.702b 0.429a 0.034 -0.413a
    平均相对湿度(%) 0.381a 0.652b 0.578b 0.398a
    平均日照时间(h) 0.200 -0.218 -0.355a -0.480b
    平均风速(m/s) 0.396a 0.006 -0.338a -0.625b
        注:a表示P值小于0.05;b表示P值小于0.001。
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    表  3  不同滞后时期发病数与报告发病数之间的相关性

    Table  3.   Correlation between the number of cases in different lag periods and reported cases

    滞后时期 r P
    1月 0.676 < 0.001
    2月 0.263 0.064
    3月 -0.051 0.737
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    表  4  不同Cγε值时SVR模型的预测精度

    Table  4.   The SVR model precision of different C, γ and ε values

    参数值 训练误差 测试误差
    C值(γ= 0.071,ε=0.1)
      1 0.008 55 0.017 16
      2 0.005 38 0.015 73
      3 0.003 55 0.014 84
      4 0.002 35 0.014 25
      5 0.001 54 0.014 09
      10 0.000 45 0.014 69
      100 0.000 45 0.014 61
    γ值(C= 1,ε=0.1)
      0.01 0.011 54 0.014 55
      0.02 0.010 34 0.013 41
      0.03 0.009 74 0.014 24
      0.04 0.009 36 0.014 98
      0.05 0.009 11 0.015 73
      0.10 0.007 97 0.019 10
      1.00 0.009 72 0.049 51
    ε值(C= 1,γ=0.071)
      0.000 1 0.008 60 0.016 58
      0.001 0 0.008 59 0.016 59
      0.010 0 0.008 52 0.016 70
      0.050 0 0.008 38 0.016 89
      0.100 0 0.008 55 0.017 16
      0.500 0 0.013 87 0.022 67
      1.000 0 0.026 14 0.035 74
        注:C值表示惩罚参数(cost),γ值代表径向基核参数(gamma),ε值代表损失函数(epsilon)。
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    表  5  不同数据源SVR模型拟合效能的比较

    Table  5.   Comparison of fitting efficiency of SVR models from different data sources

    模型 MSE RMSE RMSPE(%) MAPE(%)
    滞后一个月发病数 0.028 7 0.169 3 34.574 29.675
    污染物数据 0.052 3 0.228 8 34.531 27.735
    气象数据 0.032 6 0.180 6 25.576 18.375
    整合数据 0.027 1 0.164 7 22.838 16.405
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-25
  • 修回日期:  2019-07-09
  • 刊出日期:  2019-09-10

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