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监测预警基础45-这次学透 ARIMA之第6讲:ARMA建模R语言实操

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系列简介

这是我们一系列原创技术贴,从易到难,每天学习一点。所有内容均为疾控数据分析、科研论文相关,或者说很多和现在的热门监测预警相关,所以我们这个系列就叫“监测预警基础”。

今天是第45节,这算是我们一个小专题吧,大概11讲,我们细化,短篇化,彻底把ARIMA模型搞懂。

今天是学透ARIMA专题第6讲的内容,R语言实操。

前面五篇我们把 ARIMA 的核心概念、建模流程全部讲透了,很多同行留言说:理论都懂了,就差上手跑一遍代码。

这一篇我们直接进入实操环节,全程用疾控最常用的周流感病例数做案例,所有代码逐行注释,复制粘贴就能运行。

哪怕你是 R 语言零基础,跟着步骤走,也能跑出自己的第一个 ARIMA 预测模型。


提前做好 2 项准备,就能直接跟着操作:

第一,安装好 R 与 RStudio(第 1 篇有安装地址,免费开源);安装并加载必备分析包,打开 RStudio 在控制台运行以下代码即可:

第二,准备好数据,比如某传染病周数据


library(tseries)    # 时间序列基础工具包


我们用 Excel 格式的手足口病周数据演示,数据放在 R 工作目录下,或填写完整文件路径:


#dataset <- read.csv("文件名称,比如流感周监测数据.csv")


ARIMA 建模必须用ts时间序列格式,普通数据框不能直接建模,两个核心参数:

  • start:数据起始时间,周度数据写c(年份, 起始周次)
  • frequency:周期长度,周度数据设 52,月度数据设 12

     col = "#1E90FF")

拿到图先做业务判断:有没有年度流行高峰?整体趋势是升是降?和你的工作认知是否一致,避免数据导入顺序错误,我们运行完以后大概是下面这个样子:



稳是 ARIMA 建模的前提,我们用 ADF 单位根检验,先检验原始序列,不平稳再做差分。

# adf.test(dif2_hfmd)

我们的检测结果实质上是平稳的,不需要差分了:



(1)第一种方式: 绘制 ACF/PACF 图,手动定阶
tsdisplay()函数一行代码同时输出「时序图 + ACF 自相关图 + PACF 偏自相关图」
(2)那么,怎么看图定 p 和 q?
必须先明确两个基础概念:截尾是到某一阶之后,所有柱子突然全部落入两条虚线(95% 置信区间)里,相关性直接消失。拖尾是柱子慢慢衰减、波动下降,不会突然掉到 0 里,一直拖着尾巴
(3)定阶核心规则
AR (p) 模型:PACF 图 p 阶截尾,ACF 图拖尾 → p 就是 PACF 最后一个显著超出虚线的阶数。MA (q) 模型:ACF 图 q 阶截尾,PACF 图拖尾 → q 就是 ACF 最后一个显著超出虚线的阶数。ARMA (p,q) 模型:ACF 和 PACF 都是拖尾 → p 和 q 都大于 0,需要组合模型。
(4)新手看图提醒
真实疾控数据很少有教材里那样完美的截尾,只要能看出大致范围就可以,比如 PACF 前 2 阶显著,第 3 阶开始基本落入区间,那 p 大概率是 1 或 2,不用死抠完美截尾。
6.2 自动定阶:AIC 准则选最优模型
手动定阶给出范围后,我们用auto.arima()函数,基于 AIC 准则自动筛选最优的 p、d、q 组合,是日常工作最高效的方法:

best_model

我们看看我们的运行结果

左下 ACF 自相关图:前几阶自相关系数很高,随后缓慢衰减、呈波浪式波动,属于拖尾特征;每隔约 52 阶(也就是 1 年)会出现一个明显的高峰,有清晰的周期性波动。ACF 拖尾是 AR(自回归)模型的典型特征。
右下 PACF 偏自相关图:前 3 阶的偏自相关系数显著超出 95% 置信区间(两条虚线),第 3 阶之后,所有柱子基本都落入置信区间内,快速衰减到 0 附近,属于3 阶截尾


best_model 输出结果逐行详细解释


该对结果详细解释如下:





拟合完模型第一步不是预测,而是验证模型合不合格,先做基础的残差诊断:

Box.test(residuals(final_model), type = "Ljung-Box", lag = 10)

我们看一下我们的运行结果:



第一张图:Standardized Residuals(标准化残差时序图)

这是残差的原始波动走势图,看 3 个核心点:

第一,均值是否稳定:你的残差整体围绕 0 水平线上下随机波动,没有持续的上升 / 下降趋势,也没有固定的周期性高峰低谷,符合白噪声「均值恒定为 0」的特征。

第二,方差是否稳定:整体波动幅度基本一致,只有个别时间点出现小幅尖峰(对应手足口流行高峰的波动),没有出现某一阶段暴涨暴跌的情况,方差整体稳定。

第三,异常值情况:没有极端异常的离群点,残差都在合理范围内。

最后这张图结论:残差的基础波动特征符合平稳白噪声的要求。

第二张图:ACF of Residuals(残差的自相关图)

这是判断残差有没有自相关的核心图,判断规则非常明确:除了滞后 0 阶(lag=0)之外,所有滞后阶数的柱子,全部落在两条蓝色虚线(95% 置信区间)以内,就说明残差没有显著自相关性。

我们的图里,lag=1 到 lag=10 + 的所有柱子,全部都在蓝色虚线范围内,没有任何一阶显著超出置信区间,所以这张图结论是残差不存在显著的自相关性,序列里的自回归规律已经被模型提取干净了。

第三张图:p values for Ljung-Box statistic(Ljung-Box 检验 P 值图)

这是白噪声检验的统计验证图,对应不同滞后阶数的检验 P 值,横轴是滞后阶数(lag),纵轴是对应阶数的检验 P 值。判断标准只有一个:图中所有的点,全部都在 0.05 的蓝色虚线以上(也就是 P 值 > 0.05),就通过白噪声检验。

我们的图中所有点的 P 值都在 0.8 以上,远高于 0.05 的阈值,说明从滞后 1 阶到滞后 10 阶,残差都不存在显著的自相关性。结论就是统计层面验证残差为白噪声,模型信息提取充分。




模型通过基础检验后,就可以做预测了,周度传染病数据建议预测 1-4 周,最多不超过一个季度:当我们举例为了作图明显,预测了40周。

     col = "#ff1e1e")

看不看我们最终的结果,准确不准确姑且不论,我们只讲怎么看:


右边的图其实很清楚,左边的数值每一列分别是什么呢?

第1列:时间轴,对应预测的周次,匹配监测周期

第2列:点预测值,模型预测的该周病例数的「最可能数值」,是预测的核心结果,作为趋势预判的核心参考值.

第3-4列:80% 置信区间下限 / 上限,有 80% 的概率,该周的真实病例数会落在这个区间内,区间范围更窄。

第5-6列:95% 置信区间下限 / 上限列,有 95% 的概率,该周的真实病例数会落在这个区间内,区间更宽、可信度更高,传染病预警最常用:把 Hi 95(95% 置信区间上限)作为预警阈值,真实病例超过上限就提示发病超出正常波动范围,可能触发预警。

另外需要特别说明,结果中出现负数是正常现象,ARIMA 是线性统计模型,默认没有「病例数不能为负数」的约束,当预测期变长、不确定性变大,区间下限就会跌破 0;此外,我们用的是无季节性的基础 ARIMA,没有捕捉手足口病的年度周期规律,模型对低谷期的预测偏差更大,更容易出现负数。

实际应用处理方法就是直接把负数的下限替换为 0 即可,病例数不可能为负;后续换成 SARIMA 季节性模型后,预测区间会更贴合真实发病规律,负数出现的概率会大幅降低。

完整代码如下:

     col = "#ff1e1e")

跑通第一个模型只是开始,模型合不合格、预测精度够不够、能不能用于预警,必须靠系统的诊断和评价来判断。

下一篇我们会专门讲ARIMA 模型诊断与效果评价,拆解残差白噪声检验、训练集 / 测试集误差评价的完整方法,以及诊断不通过的问题排查方案,确保你建出来的模型可信、可用。

参考:

《时间序列分析-基于R》. [M] .王燕.中国人民大学出版社出版

传染病预测预警技术及实践案例分析. [M]. 杨鹏, 王小莉. 人民卫生出版社



编辑:普通疾控人 | 审核:诗酒趁年华

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