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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43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4讲的内容,拆开每一部分讲,这样就彻底清楚了。
上一篇我们学习了 ARIMA 定阶的核心工具,但很多新手还是会犯嘀咕:
AR、MA 这两个模型,到底分别在拟合什么规律?难道要先做 AR 才有 MA?两个模型合在一起的 ARMA,又解决了什么问题?
这一篇我们就把三个基础模型彻底拆开讲,全程用传染病监测场景举例,避开复杂数学推导,看完就能搞懂每个模型的本质,以及阶数 p、q 的实际含义。
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1. 大白话本质理解
AR 是 Autoregression(自回归)的缩写,核心逻辑非常简单:用过去几期的真实发病数,来预测当期的发病数
这个逻辑完全贴合我们对传染病的常识:传染病发病有连续性,本周的病例数,一定和前几周的病例数直接相关 —— 上周病例多,本周大概率不会突然降下来;上周进入流行期,本周会继续上升。
2. 模型公式与疾控场景解读
p 阶自回归模型记作 AR (p),公式非常好懂:
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我们用疾控的场景对应翻译如下:
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3. 现在来理解一下,P阶到底是什么意思?
p 就是自回归的阶数,p 等于几,就代表模型用了前几期的发病数来预测当期
AR (1):只用上周 1 期的病例数预测本周,适合连续性极强的序列
AR (2):用上周 + 上上周 2 期的病例数预测本周
AR (3):用前三周的病例数预测本周
在疾控实际数据里,流感、手足口这类有连续流行趋势的传染病,大多符合低阶 AR 模型的特征,一般 p 在 1-3 之间就足够。
4. 对应定阶特征:
呼应上一篇的知识点:AR (p) 模型的 PACF 图(偏自相关图)会在 p 阶截尾,ACF 图呈拖尾状态。比如平稳序列的 PACF 在第 3 阶之后全部落入置信区间,我们就初步判断是 AR (3) 模型,p=3。
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MA 是整个 ARIMA 体系里最容易被误解的模型,我们先澄清两个最常见的误区:
第一,MA 的 “移动平均”,不是对病例数的滑动平均,和我们之前讲的做数据平滑用的 7 天移动平均完全不是一回事;
第二,MA 是完全独立的模型,不需要先做 AR 才能得到残差,不存在 “先 AR 后 MA” 的先后顺序。
1. 大白话本质
MA 是 Moving Average(移动平均)的缩写,它的核心逻辑是:用过去几期的突发随机冲击,来预测当期的发病数
什么是突发随机冲击?就是不在常规流行趋势里的意外因素,也是疾控工作里最常见的变量:
正冲击:某周突然出现学校聚集性疫情、境外输入病例引发本地传播、大规模筛查检出大量病例。
负冲击:某周恰逢假期检测量骤降、防控措施落地快速压制了传播。
这些突发因素的影响,不会只持续 1 周。比如一次学校聚集疫情,当周会出现大量病例,第二周还会有续发病例,第三周影响才完全消失 ——MA 模型捕捉的,就是这种 “突发冲击的滞后影响”。
2. 模型公式与疾控场景解读
q 阶移动平均模型记作 MA (q),公式如下:
我们采用疾控常见的场景翻译一下:
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3. q 阶到底是什么意思?
q 就是移动平均的阶数,q 等于几,就代表突发冲击的影响会持续 q 期
MA (1):突发冲击只影响当期和下一期,第二周就完全消失
MA (2):突发冲击会持续影响两期,第三周才消失
MA (q):冲击的影响持续 q 期
4. 大家最关心的问题:这些冲击(ε)从哪来?
理论上,这些随机冲击是构成时间序列的原生因素,是我们假设的、影响发病的意外变量;实操中,软件拟合 MA 模型时,会通过迭代算法,一边计算冲击的权重 θ,一边同步推算出每一期的冲击值,全程不需要我们手动计算,也不需要依赖 AR 模型的结果 —— 你只需要输入原始发病数据,指定 q 的阶数,软件就能自动完成全部计算。
5. 对应定阶特征
同样呼应上一篇知识点:MA (q) 模型的 ACF 图(自相关图)会在 q 阶截尾,PACF 图呈拖尾状态。比如平稳序列的 ACF 在第 2 阶之后全部落入置信区间,我们就初步判断是 MA (2) 模型,q=2。
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1. 为什么需要组合模型?
单独的 AR 模型,只能捕捉 “发病自身的延续趋势”;单独的 MA 模型,只能捕捉 “突发冲击的滞后影响”。
但我们疾控的真实监测数据,往往两种规律同时存在:
比如流感流行期,病例数既有自身的持续上升趋势(AR 项捕捉);同时又会受到聚集疫情、寒潮、假期等突发因素的干扰,冲击的影响会持续数周(MA 项捕捉)。
这时候单独用 AR 或者 MA,都没法完整拟合数据的规律,就需要把两者结合起来,也就是 ARMA 模型。
2. 模型本质
ARMA (p,q) = AR (p) + MA (q),同时用「前 p 期的发病数」和「前 q 期的突发冲击」,共同预测当期的发病数。
它的公式就是把两个模型拼在一起,同时包含自回归项和移动平均项,兼顾了序列的自身延续性和突发波动的滞后影响,是适配性最强的基础平稳序列模型。
3. 对应定阶特征
当 ACF 图和 PACF 图都呈现拖尾状态,没有明显的截尾时,就说明序列同时有自回归和移动平均特征,适合用 ARMA (p,q) 组合模型。
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我总结一下,大家可以记住一个最朴素的区分:AR 是 “用过去的病情,推现在的病情”,看的是发病的延续性;MA 是 “用过去的意外,推现在的病情”,看的是突发因素的滞后影响。
很多新手会陷入 “必须手动定阶完美” 的误区,盯着 ACF/PACF 图反复纠结 p 和 q 到底选几。
这里给大家两个疾控建模的实用建议:
第一,手动定阶只是初步参考:真实监测数据很少有理论上完美的截尾,初步定出 p 和 q 的范围就可以,比如 p 可能是 2 或 3,q 可能是 0 或 1;
第二,最终用 AIC 准则筛选最优模型:把初步范围内的组合都试一遍,选 AIC 值最小的模型,就是拟合效果最优的。后面我们讲实操的时候,会教大家用auto.arima()函数一键完成自动筛选,非常方便。
到这里,我们已经把 AR、MA、ARMA 三个平稳序列模型,以及差分(d)都讲完了。
下一篇我们就把三个参数 p、d、q 合在一起,串起完整的 ARIMA (p,d,q) 建模全流程,给大家一套标准化的 5 步建模法,拿到任何监测数据,都知道从哪下手、每一步做什么。
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
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编辑:普通疾控人 | 审核:诗酒趁年华
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