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ARIMA乘积季节模型和LSTM深度神经网络对石家庄市手足口病疫情预测效果的比较

高秋菊 周宇畅 赵树青 张世勇

高秋菊, 周宇畅, 赵树青, 张世勇. ARIMA乘积季节模型和LSTM深度神经网络对石家庄市手足口病疫情预测效果的比较[J]. 中华疾病控制杂志, 2020, 24(1): 73-78. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2020.01.015
引用本文: 高秋菊, 周宇畅, 赵树青, 张世勇. ARIMA乘积季节模型和LSTM深度神经网络对石家庄市手足口病疫情预测效果的比较[J]. 中华疾病控制杂志, 2020, 24(1): 73-78. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2020.01.015
GAO Qiu-ju, ZHOU Yu-chang, ZHAO Shu-qing, ZHANG Shi-yong. Comparison on predictive capacity of ARIMA model and LSTM model for incidence of hand, foot and mouth disease in Shijiazhuang[J]. CHINESE JOURNAL OF DISEASE CONTROL & PREVENTION, 2020, 24(1): 73-78. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2020.01.015
Citation: GAO Qiu-ju, ZHOU Yu-chang, ZHAO Shu-qing, ZHANG Shi-yong. Comparison on predictive capacity of ARIMA model and LSTM model for incidence of hand, foot and mouth disease in Shijiazhuang[J]. CHINESE JOURNAL OF DISEASE CONTROL & PREVENTION, 2020, 24(1): 73-78. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2020.01.015

ARIMA乘积季节模型和LSTM深度神经网络对石家庄市手足口病疫情预测效果的比较

doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2020.01.015
高秋菊和周宇畅为共同第一作者
详细信息
    通讯作者:

    张世勇, E-mail:1263591855@qq.com

  • 中图分类号: R512.57

Comparison on predictive capacity of ARIMA model and LSTM model for incidence of hand, foot and mouth disease in Shijiazhuang

GAO Qiu-ju and ZHOU Yu-chang contributed equally to this article
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  • 摘要:   目的   运用自回归移动平均(autoregressive integrated moving average model, ARIMA)乘积季节模型和长期短期记忆网络(long short term memory, LSTM)对石家庄市手足口病(hand, foot and mouth disease, HFMD)的发病趋势进行预测, 为疫情防控工作提供理论依据。   方法   利用Eviews 8.0和python 3.7.1软件对2013年1月-2018年5月石家庄市HFMD逐月发病数据分别建立ARIMA乘积季节模型和LSTM神经网络, 以2018年6月-2019年5月的发病资料检验模型预测精度, 最后应用模型预测2019年6月-2019年8月的月发病数。   结果   最优模型ARIMA(1, 0, 0)×(1, 1, 2)12和LSTM神经网络外推预测2018年6月-12月的MAPE分别为22.14和10.03, 而外推预测2018年6月至2019年5月的MAPE分别为43.84和25.26, 提示LSTM神经网络的拟合效果和预测精度优于ARIMA模型, 预测结果与实际情况基本一致。   结论   LSTM神经网络对石家庄市HFMD发病趋势的拟合度和预测效果较好, 能够为手足口病疫情的预测预警工作提供指导。
  • 图  1  LSTM神经网络的单元结构

    Figure  1.  The structure of LSTM cell

    图  2  2013年1月-2019年5月石家庄市手足口病逐月发病数时序图

    Figure  2.  Sequence diagram of hand, foot and mouth disease monthly incidence from January 2013 to May 2019 in Shijiazhuang

    图  3  自然对数转换及一阶季节差分后的ACF和PACF函数图

    Figure  3.  ACF and PACF figure based on natural logarithm transformation and the first-order seasonal difference

    图  4  2013年1月-2019年8月石家庄市HFMD逐月发病数拟合及预测效果

    Figure  4.  Fitting degree and forecast figure of hand, foot and month disease incidence from January 2013 to August 2019 in Shijiazhuang

    表  1  ARIMA(1, 0, 0)×(1, 1, 2)12模型参数估计和拟合优度统计量结果

    Table  1.   Parameter estimation and goodness-of-fit statistics for ARIMA(1, 0, 0)×(1, 1, 2)12 models

    指标 系数 t P Rj2 AIC SC
    AR(1) 0.532 5.154 < 0.001 0.838 0.069 0.238
    SAR(1) -0.478 -3.531 0.001
    SMA(1) 1.603 35.652 < 0.001
    SMA(2) 0.828 28.210 < 0.001
    下载: 导出CSV

    表  2  2018年6月-2019年5月石家庄市手足口病发病数实际值与预测值的比较

    Table  2.   Comparison of HFMD monthly incidence between the predicted and observed cases in Shijiazhuang from June 2018 to May 2019

    ARIMA模型 LSTM模型
    年份
    (年)
    月份
    (月)
    观察值
    (人)
    预测值
    (人)
    绝对误差
    (人)
    相对误差
    (%)
    95%置信限 预测值
    (人)
    绝对误差
    (人)
    相对误差
    (%)
    LCL UCL
    2018 6 920 1 240 320 34.78 452 3 401 1 037 117 12.72
    2018 7 909 1 117 208 22.88 419 2 973 1 029 120 13.20
    2018 8 791 882 91 11.50 333 2 337 829 38 4.80
    2018 9 578 438 140 24.22 165 1 166 559 19 3.29
    2018 10 410 383 27 6.59 142 1 032 368 42 10.24
    2018 11 351 365 14 3.99 139 960 285 66 18.80
    2018 12 196 96 100 51.02 36 253 210 14 7.14
    2019 1 63 8 55 87.30 2 24 61 2 3.17
    2019 2 12 25 13 108.33 8 77 25 13 108.33
    2019 3 30 19 11 36.67 6 54 11 19 63.33
    2019 4 54 112 58 107.41 41 302 78 24 44.44
    2019 5 388 266 122 31.44 100 710 441 53 13.65
    下载: 导出CSV

    表  3  ARIMA和LSTM模型对2019年6-8月石家庄市手足口病月发病数的预测结果

    Table  3.   The predicted results of HFMD monthly incidence by the ARIMA and LSTM from June to August 2019 in Shijiazhuang

    ARIMA模型 LSTM模型
    月份
    (月)
    预测值
    (人)
    95%置信区间 预测值(人)
    LCL UCL
    6 720 251 2 064 1 079
    7 623 235 1 649 1 213
    8 574 218 1 513 976
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-26
  • 修回日期:  2019-10-25
  • 刊出日期:  2020-01-10

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