КОМП’ЮТЕРНІ НАУКИ, ШТУЧНИЙ ІНТЕЛЕКТ ТА СИСТЕМНИЙ АНАЛІЗ

СТЕКІНГОВА ГІБРИДНА МОДЕЛЬ ПРОГНОЗУВАННЯ ЧАСОВИХ РЯДІВ

Автор(и)

Д. О. Шмундяк ORCID 0009-0000-3299-7915
Вінницький національний технічний університет ROR
І. В. Варчук ORCID 0009-0007-2317-0108
Вінницький національний технічний університет ROR

Ключові слова

прогнозування часових рядів якість атмосферного повітря PM2.5 гібридна модель Prophet LightGBM градієнтний бустинг стекінг машинне навчання EcoCity

Анотація

В умовах зростання екологічних ризиків задача прогнозування рівнів забруднення набуває все більшої актуальності. Традиційні статистичні моделі, наприклад, ARIMA демонструють високу точність на фонових рівнях забруднення, проте втрачають якість прогнозу у разі пікових концентрацій, що є критичними з погляду впливу на здоров’я. Моделі машинного навчання, зокрема градієнтний бустинг, навпаки, краще відтворюють нелінійні піки, проте їхня точність суттєво знижується зі збільшенням терміну прогнозу через поступове накопичення похибок на кожному кроці розрахунку. Зазначені обмеження зумовлюють необхідність розробки гібридних підходів, здатних поєднати переваги обох класів моделей.

Розроблено та досліджено гібридну стекінгову архітектуру прогнозування погодинного часового ряду, що поєднує структурну модель Prophet та алгоритм градієнтного бустингу LightGBM. На відміну від традиційного підходу корекції залишків, у запропонованій архітектурі прогноз Prophet використовується як детермінована сезонна ознака поряд з авторегресійними та календарними ознаками, на основі яких LightGBM безпосередньо передбачає цільове значення.

Реалізацію та тестування запропонованої моделі виконано з використанням реальних даних моніторингу якості атмосферного повітря, отриманих від мережі громадського моніторингу атмосферного повітря EcoCity. Статистичну значущість результатів підтверджено критерієм Діболда–Маріано. Порівняння з базовими моделями показало, що гібридна модель статистично значуще перевершує моделі-базиси та демонструє найзбалансованішу точність. Отримані результати свідчать про перевагу гібридної архітектури над моделями-базисами як за загальною точністю, так і за стабільністю на довгих горизонтах прогнозування.

1 0

Біографії авторів

автор Д. О. Шмундяк, афіліація Вінницький національний технічний університет

д-р філософії, асистент кафедри системного аналізу та інформаційних технологій

автор І. В. Варчук, афіліація Вінницький національний технічний університет

канд. техн. наук, доцент, викладач кафедри системного аналізу та інформаційних технологій

Посилання

[1] S. J. Taylor, and B. Letham, “Forecasting at scale,” PeerJ Preprints, vol. 5, e3190v2, 2017. https://doi.org/10.7287/peerj.preprints.3190v2 .
[2] Д. О. Шмундяк, «Дослідження впливу параметрів моделі Prophet на точність прогнозування якості атмосферного повітря,» у матеріали LII Науково-технічної конференції факультету інтелектуальних інформаційних технологій та автоматизації, Вінниця, Україна, 2023. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://conferences.vntu.edu.ua/index.php/all-fksa/all-fksa-2023/paper/view/18210/15056 .
[3] V. I. Kontopoulou, A. D. Panagopoulos, I. Kakkos, and G. K. Matsopoulos, “A Review of ARIMA vs. Machine Learning Approaches for Time Series Forecasting in Data Driven Networks,” Future Internet, vol. 15, no. 255, 2023. https://doi.org/10.3390/fi15080255 .
[4] О. Б. Мокін, В. Б. Мокін, і Б. І. Мокін, «Алгоритм методу ідентифікації моделі авторегресії — ковзного середнього, який узагальнює методику Юла–Уокера, та його програмна Python-реалізація,» Вісник Вінницького політехнічного інституту, № 4, с. 41-55, 2022. https://doi.org/10.31649/1997-9266-2022-163-4-41-55 .
[5] P. Lara-Benítez, M. Carranza-García, and J. C. Riquelme, “An Experimental Review on Deep Learning Architectures for Time Series Forecasting," International Journal of Neural Systems, vol. 31, no. 3, 2130001, 2021. https://doi.org/10.1142/S0129065721300011 .
[6] G. Ke, et al., “LightGBM: A Highly Efficient Gradient Boosting Decision Tree,” in Advances in Neural Information Processing Systems 30 (NIPS 2017), Long Beach, CA, USA, 2017, pp. 3146-3154. [Online]. Available: https://proceedings.neurips.cc/paper/6907-lightgbm-a-highly-efficient-gradient-boosting-decision-tree .
[7] J. Oblitas, and E. J. Escobedo Cárdenas, “Prediction of PM2.5 and PM10 Concentrations Using XGBoost and LightGBM Algorithms: A Case Study in Lima, Peru,” Interfases, pp. 183-206, 2024. https://doi.org/10.26439/interfases2024.n020.7417 .
[8] Eco-City, «Громадський моніторинг стану якості повітря» [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://reborn.eco-city.org.ua/ .
[9] F. A. Mohammed, and M. A. Mousa, “Applying Diebold–Mariano Test for Performance Evaluation Between Individual and Hybrid Time-Series Models for Modeling Bivariate Time-Series Data and Forecasting the Unemployment Rate in the USA,” Theory and Applications of Time Series Analysis. ITISE 2019, Contributions to Statistics, O. Valenzuela, F. Rojas, L. J. Herrera, H. Pomares, and I. Rojas, Ed. Cham, Switzerland: Springer, 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-56219-9_29

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають

1 2 > >>