Построение регрессионных моделей для прогнозирования метеорологических величин

Представлен обзор и классификация моделей и методов прогнозирования временных рядов. Проведено исследование и программные эксперименты по построению прогнозных моделей. Разработана архитектура программного комплекса по построению регрессионных моделей для прогнозирования метеорологических величин. Описана технологическая схема развертывания и использование программного комплекса по построению регрессионных моделей для прогнозирования метеорологических величин. Приведены результаты по расчету экономической составляющей разработанного программного обеспечения. Оценены риски возникновения опасных факторов.

Введение…………………………………………………………………………………………… 18

1 Обзор и классификация моделей и методов прогнозирования
временных рядов …………………………………………………………………………………………. 20

1.1 Регрессионные модели ………………………………………………………………. 21

1.2 Авторегрессионные модели ……………………………………………………….. 24

1.3 Модели экспоненциального сглаживания …………………………………… 27

1.4 Нейросетевые модели ………………………………………………………………… 29

1.5 Модели на базе цепей Маркова ………………………………………………….. 30

1.6 Модели на базе классификационно-регрессионных деревьев ……… 30

1.7 Другие модели и методы прогнозирования ………………………………… 31

1.8 Комбинированные модели …………………………………………………………. 32

1.9 Сравнение моделей прогнозирования ………………………………………… 34

1.10 Вывод по разделу ………………………………………………………………………. 35

2 Исследование и программные эксперименты по построению
прогнозных моделей ……………………………………………………………………………………. 37

2.1 Аддитивная регрессионная модель …………………………………………….. 37

2.2 Оценка качества аддитивной регрессионной модели ………………….. 42

2.3 Сезонная интегрированная модель авторегрессии – скользящего
среднего (SARIMA)……………………………………………………………………………………… 43

2.4 Вывод по разделу ………………………………………………………………………. 51

3 Архитектура программных модулей вычислительного комплекса по
построению регрессионных моделей для прогнозирования метеорологических
величин 52

3.1 Среда разработки ………………………………………………………………………. 52

3.2 Метеорологические данные ……………………………………………………….. 52
3.3 Взаимодействие модулей программного комплекса …………………… 55

4 Программная реализация модулей комплекса по построению
регрессионных моделей ……………………………………………………………………………….. 60

4.1 Программная реализация модели Prophet …………………………………… 61

4.2 Программная реализация модели SARIMA ………………………………… 68

4.3 Вывод по разделу ………………………………………………………………………. 76

5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение………………………………………………………………………………………. 78

5.1 Предпроектный анализ ………………………………………………………………. 78

5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ….. 78
5.2 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………. 78

5.3 Инициация проекта ……………………………………………………………………. 79

5.3.1 Организация и планирование работ…………………………………. 80
5.3.2 Продолжительность этапов работ ……………………………………. 82
5.3.3 Расчет нарастания технической готовности работ……………. 85
5.4 Расчет сметы затрат на разработку ПО и проведение эксперимента
5.4.1 Расчет затрат на материалы …………………………………………….. 87
5.4.2 Расчет основной заработной платы …………………………………. 87
5.4.3 Расчет отчислений от заработной платы ………………………….. 88
5.4.4 Расчет затрат на электроэнергию …………………………………….. 89
5.4.5 Расчет прочих расходов ………………………………………………….. 90
5.4.6 Расчет общей себестоимости разработки …………………………. 90
5.5 Оценка экономической эффективности проекта …………………………. 90

5.5.1 Оценка научно-технического уровня НИР ………………………. 91
5.6 Вывод по разделу ………………………………………………………………………. 95

6 Социальная ответственность ……………………………………………………… 96
6.1 Введение …………………………………………………………………………………… 96

6.2 Производственная безопасность ………………………………………………… 96

6.2.1 Вредные производственные факторы ………………………………. 98
6.2.2 Опасные производственные факторы…………………………….. 104
6.2.3 Минимизация воздействия вредных и опасных факторов . 105
6.3 Экологическая безопасность ……………………………………………………. 107

6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………. 109

6.4.1 Минимизация возможности возникновения пожара ………. 109
6.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности
6.5.1 Правовые нормы трудового законодательства ……………….. 111
6.5.2 Организация рабочего места при работе с ПЭВМ ………….. 114
6.6 Вывод по разделу …………………………………………………………………….. 114

Заключение …………………………………………………………………………………….. 116

Список источников …………………………………………………………………………. 117

ПРИЛОЖЕНИЕ А ………………………………………………………………………… 123

РАЗДЕЛЫ НА ИНОСТРАННОМ ЯЗЫКЕ ……………………………………….. 123

1 Overview and classification of models and methods of time series
forecasting… ………………………………………………………………………………………………. 124

1.1 Regression models …………………………………………………………………….. 125

1.2 Autoregressive models ……………………………………………………………….. 128

1.3 Models of exponential smoothing………………………………………………… 130

Был произведен анализ открытых источников метеорологических
данных, в частности использовались данные Всероссийским научно
исследовательским институтом гидрометеорологической информации.
Данные собраны за последние пятьдесят лет. Данные собраны по основным
метеостанциям стран СНГ. Данные взяты за различные интервалы времени
(сроки, года, месяцы, дни и часы). Структурирована и разработана
метеорологическая база данных.
Был осуществлен обзор моделей и методов прогнозирования
временных рядов, были выявлены достоинства и недостатки каждого класса
моделей.
Произведен анализ базовых алгоритмов статистического анализа
данных. Разработаны улучшенные алгоритмы для построения прогнозных
моделей.
Разработан программный вычислительный комплекс с возможностью
построения регрессионных моделей для прогнозирования метеорологических
величин.
Построенные прогнозные модели не показали себя довольно
эффективными. Возможно, нужно увеличить выборку временного ряда или
прибегнуть к другим моделям прогнозирования, т.к. модуль SARIMA пакета
statsmodels и библиотека Facebook Prophet достаточно новые. В целом для
исследованные подходы вполне пригоден для научной работы.