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基于滞后效应的多变量LSTM模型对儿童呼吸道疾病就诊人数的预测

秦佳杰 陈聪 关静 刘薇

秦佳杰, 陈聪, 关静, 刘薇. 基于滞后效应的多变量LSTM模型对儿童呼吸道疾病就诊人数的预测[J]. 中华疾病控制杂志, 2022, 26(9): 1057-1064. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2022.09.012
引用本文: 秦佳杰, 陈聪, 关静, 刘薇. 基于滞后效应的多变量LSTM模型对儿童呼吸道疾病就诊人数的预测[J]. 中华疾病控制杂志, 2022, 26(9): 1057-1064. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2022.09.012
QIN Jia-jie, CHEN Cong, GUAN Jing, LIU Wei. Prediction for the outpatient amount of childhood common respiratory diseases based on multivariate LSTM model with lag effect[J]. CHINESE JOURNAL OF DISEASE CONTROL & PREVENTION, 2022, 26(9): 1057-1064. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2022.09.012
Citation: QIN Jia-jie, CHEN Cong, GUAN Jing, LIU Wei. Prediction for the outpatient amount of childhood common respiratory diseases based on multivariate LSTM model with lag effect[J]. CHINESE JOURNAL OF DISEASE CONTROL & PREVENTION, 2022, 26(9): 1057-1064. doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2022.09.012

基于滞后效应的多变量LSTM模型对儿童呼吸道疾病就诊人数的预测

doi: 10.16462/j.cnki.zhjbkz.2022.09.012
基金项目: 

国家自然科学基金 72174138

天津市自然科学基金 20JCZDJC00660

详细信息
    通讯作者:

    刘薇,E-mail: Lance1971@163.com

    关静,E-mail: guanjing@tju.edu.cn

  • 中图分类号: R181;R179

Prediction for the outpatient amount of childhood common respiratory diseases based on multivariate LSTM model with lag effect

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 72174138

National Natural Science Foundation of Tianjin, China 20JCZDJC00660

More Information
  • 摘要:   目的  构建儿童常见呼吸道疾病日就诊人数的预测模型, 分析未来就诊人数的变化趋势, 为儿童常见呼吸道疾病的科学防控提供数据支撑。  方法  利用某医院2017年1月1日-2019年12月31日每日就诊病例及同期气象和大气污染物数据, 采用分布滞后非线性模型(distribution lag nonlinear models, DLNM)分别分析日均气温及污染物浓度对春、秋季学期日就诊人数的影响及滞后效应, 在此基础上构造多变量长短期记忆(long short-term memory, LSTM)模型对春、秋季学期日就诊人数进行预测。  结果  选取春、秋季学期日均气温的中位数进行研究, 发现日均气温对秋季学期日就诊人数的影响滞后7 d其后持续约10 d, 而对春季学期表现为即时效应且持续约4 d。结合滞后效应构造的多变量LSTM模型对春、秋季学期日就诊人数均能较好地预测, 测试集上的平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error, MAPE)分别为4.59%和4.77%。  结论  考虑滞后效应的多变量LSTM模型能够较准确地对儿童常见呼吸道疾病日就诊人数进行预测, 为疾病的预防和控制提供科学依据。
  • 图  1  2017―2019年春季学期和秋季学期的日就诊人数

    注:A:2017―2019春季学期;B:2017―2019秋季学期。

    Figure  1.  Daily outpatient amount in spring and autumn semesters from 2017 to 2019

    图  2  滞后效应分析图

    注:A:RR随日均气温与滞后天数变化3D图;B:RR随NO2浓度与滞后天数变化3D图;C:春季学期气温中位数对日就诊人数的滞后效应;D:秋季学期气温中位数对日就诊人数的滞后效应。

    Figure  2.  Lag effect analysis diagram

    图  3  不同滞后天数下日均气温和NO2浓度对就诊人数的影响

    注:A:日均气温;B:NO2浓度。

    Figure  3.  Effect of daily average temperature and NO2 concentration on the daily outpatient amount under different lag days

    图  4  不同时期日就诊人数预测值与真实值

    注: A: 2018年春季学期; B: 春季学期未来一周; C: 2018年秋季学期; D: 秋季学期未来一周。

    Figure  4.  Predicted value and real value of the daily outpatient amount in different period

    图  5  2019年秋季学期未来14 d就诊人数预测值与真实值

    Figure  5.  Predicted and the true number of visits for the next 14 days of the 2019 autumn semester

    表  1  春季学期数据描述性统计

    Table  1.   Descriptive statistics of spring semesters data

    变量 日就诊人数 日均气温
    (℃)
    PM2.5
    (μg/m3)
    CO
    (μg/m3)
    SO2
    (μg/m3)
    NO2
    (μg/m3)
    最小值 1 228 1.50 0.00 0.30 2.00 14.00
    下四分位数 1 709 13.00 29.00 0.70 7.00 29.25
    中位数 1 912 21.00 44.00 0.90 10.00 37.00
    平均值 1 950 19.34 50.17 0.95 11.98 41.75
    上四分位数 2 156 25.88 65.00 1.10 14.75 50.00
    最大值 3 061 33.50 272.00 3.00 53.00 121.00
    下载: 导出CSV

    表  2  秋季学期数据描述性统计

    Table  2.   Descriptive statistics of autumn semesters data

    变量 日就诊人数 日均气温
    (℃)
    PM2.5
    (μg/m3)
    CO
    (μg/m3)
    SO2
    (μg/m3)
    NO2
    (μg/m3)
    最小值 847 -9.00 0.00 0.40 4.00 17.00
    下四分位数 2 175 1.00 25.00 0.80 8.00 37.00
    中位数 2 690 9.25 45.50 1.10 12.00 52.00
    平均值 2 869 9.97 55.76 1.16 13.26 52.31
    上四分位数 3 347 17.62 72.25 1.40 17.00 66.00
    最大值 6 762 29.00 255.00 3.30 38.00 110.00
    下载: 导出CSV

    表  3  春、秋季预测模型APE

    Table  3.   The absolute percentage error of the spring and autumn semester prediction model

    春季学期 秋季学期
    日期 绝对百分比误差(%) 日期 绝对百分比误差(%)
    6月30日 8.15 12月2日 4.14
    7月1日 0.38 12月3日 4.64
    7月2日 7.04 12月4日 4.85
    7月3日 1.33 12月5日 1.35
    7月4日 3.96 12月6日 2.70
    7月5日 2.16 12月7日 8.37
    7月6日 9.16 12月8日 7.35
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-31
  • 修回日期:  2022-04-27
  • 网络出版日期:  2022-09-17
  • 刊出日期:  2022-09-10

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