Долгосрочное прогнозирование ежедневных цен на электроэнергию (пример)

Материал из MachineLearning.

(Различия между версиями)

Текущая версия

Решается задача долгосрочного прогнозирования цен на электроэнергию. Долгосрочное прогнозирование цен является основой для планирования и инвестирования. Для решения задачи рассматривается метод авторегрессии. При построении модели также производится отбор признаков при помощи метода наименьших углов

Полный текст этой работы, PDF

Постановка задачи

Дан временной ряд $\mathbf{s}_1=[x_1,\ldots,x_{T-1}]^T$ , $x\in\mathbb{R}^1$ и матрица признаков, столбцами которой являются $\mathbf{s}_2, \mathbf{s}_3 \ldots \mathbf{s}_m$ . Необходимо спрогнозировать следующую величину $x_{T}$ .

Предполагается, что

1) отсчёты сделаны через равные промежутки времени,

2) ряд имеет периодическую составляющую,

3) ряд не имеет пропущенных значений,

4) длина ряда кратна периоду $k$ .

Составляется $(m \times k)$ — матрица значений временного ряда:

$A = \left( \begin{array}{llll} x_T & x_{T-1} & \ldots & x_{T-k+1} \\ x_{(m-1)k} & x_{(m-1)k-1} & \ldots & x_{(m-2)k+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_{nk} & x_{nk-1} & \ldots & x_{n(k-1)+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_k & x_{k-1} & \ldots & x_1 \\ \end{array} \right),$ в которой длина ряда $T= mk$ .

$A = \left( \begin{array}{l|lll} x_T & x_{T-1} & \ldots & x_{T-k+1} \\ \hline\\ x_{(m-1)k} & x_{(m-1)k-1} & \ldots & x_{(m-2)k+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_{nk} & x_{nk-1} & \ldots & x_{n(k-1)+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_k & x_{k-1} & \ldots & x_1 \\ \end{array} \right).$

Введём обозначения $A= \left( \begin{array}{l|l} x_T & \mathbf{x}^T\\ \hline \\ \mathbf{y} & X \\ \end{array} \right).$

В случае, когда учитываются временные ряды $\mathbf{s}_1, \mathbf{s}_2 \cdots \mathbf{s}_m$ , для каждого $j$ -го временного ряда строится матрица $S_j$ и присоединяется справа. Полученная матрица $A= \begin{bmatrix} S_1 & S_2 & \cdots & S_m \end{bmatrix} .$

Пусть задан набор функций $G=\{g_1,\ldots,g_r\}$ , например,

$g_1=1, g_2=\sqrt{x}, g_3=x, g_4=x\sqrt{x}$ . Матрица порождённых признаков

$A = \left( \begin{array}{l|lllllll} x_T & g_1\circ x_{T-1} & \ldots & g_r\circ x_{T-1} & \ldots & g_1\circ x_{T-k+1} & \ldots & g_r\circ x_{T-k+1}\\ \hline\\ x_{(m-1)k} & g_1\circ x_{(m-1)k-1}& \ldots & g_r\circ x_{(m-1)k-1} & \ldots & g_1\circ x_{(m-2)k+1} & \ldots & g_r\circ x_{(m-2)k+1} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots\\ x_{nk} & g_1\circ x_{nk-1} & \ldots & g_r\circ x_{nk-1} & \ldots & g_1\circ x_{n(k-1)+1} & \ldots & g_r\circ x_{n(k-1)+1}\\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots & \ldots\\ x_k & g_1\circ x_{k-1} & \ldots & g_r\circ x_{k-1} & \ldots & g_1\circ x_1 & \ldots & g_r\circ x_1\\ \end{array} \right).$

Пути решения задачи

Требуется решить задачу линейной регресии $|X\mathbf{w}-\mathbf{y}\|^2\longrightarrow\min.$ Требуется найти такие параметры $\mathbf{w}$ , которые доставляют минимум норме вектора невязок $X\mathbf{w}-\mathbf{y}$ .

$\mathbf{w}=(X^TX)^{-1}(X^T\mathbf{y}).$

В терминах линейной регрессии

$\mathbf{y}= X\mathbf{w}$

$y_T= <\mathbf{x}^{T}, \mathbf{w}>$

Возможны два подхода к нахождению значения $x_T$ . Первый заключается в последовательном построении прогнозируемых значений. В качестве вектора $\mathbf{x}^{T}$ выбираюся $K-1$ предыдущих значений временного ряда, и для каждого следующего значения $x_{T+1}, x_{T+2}, ..., x_{T+l}$ необходимо заново строить авторегрессионную матрицу $X$ . Второй подход заключается в прогнозировании периода ряда по предыдущему. В качестве вектора $\mathbf{x}^{T}$ выбираются $K-1$ значений ряда предшествующего периода. При данном подходе перестраивать авторегрессионную матрицу $X$ не нужно.

При увеличении числа признаков (в случае добавления столбцов $\mathbf{s}_2..., \mathbf{s}_m)$ необходимо уменьшить размерность пространства засчёт отбора признаков. В качестве алгоритма отбора признаков выбран метод наименьших углов. Проверяется, улучшает ли отбор признаков прогнозирование.

Смотри также

Полный текст этой работы, PDF
Исходный код вычислительного эксперимента [1]

Литература

Vadim Strijov Model Generation and its Applications in Financial Sector. — Middle East Technical University, 2009.
Bradley Efron, Trevor Hastie, Iain Johnstone and Robert Tibshirani Least Angle Regression. — 2002.
Стрижов В.В Методы выбора регрессионных моделей. — ВЦ РАН, 2010.
Rafal Weron Modeling and Forecasting Electricity Loads and Prices. — 2006.
Hsiao-Tien Pao A Neural Network Approach to m-Daily-Ahead Electricity Price Prediction. — 2006.
Wei Wu, Jianzhong Zhou,Li Mo and Chengjun Zhu Forecasting Electricity Market Price Spikes Based on Bayesian Expert with Support Vector Machines. — 2006.

Данная статья была создана в рамках учебного задания.

Студент: Раиса Джамтырова

Преподаватель: В.В.Стрижов

Срок: 24 декабря 2010

В настоящее время задание завершено и проверено. Данная страница может свободно правиться другими участниками проекта MachineLearning.ru.

См. также методические указания по использованию Ресурса MachineLearning.ru в учебном процессе.

Источник — «http://machinelearning.ru/wiki/index.php?title=%D0%94%D0%BE%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%81%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D0%BD%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B5%D0%B6%D0%B5%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D1%86%D0%B5%D0%BD_%D0%BD%D0%B0_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8E_%28%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%80%29»

Категория: Практика и вычислительные эксперименты

Долгосрочное прогнозирование ежедневных цен на электроэнергию (пример)

Материал из MachineLearning.

Текущая версия

Содержание

Постановка задачи

Пути решения задачи

Смотри также

Литература

Просмотры

Личные инструменты

Навигация

Поиск

Инструменты

@@ Строка 1: / Строка 1: @@
+Решается задача долгосрочного прогнозирования цен на электроэнергию. Долгосрочное прогнозирование цен является основой для планирования и инвестирования. Для решения задачи рассматривается метод авторегрессии. При построении модели также производится отбор признаков при помощи
+[[Метод наименьших углов (пример)|метода наименьших углов]]
+{{tip|Полный текст этой работы, [https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/Group774/Dzhamtyrova2010Forecasting/doc/Dzhamtyrova10forecasting.pdf PDF]}}
 == Постановка задачи ==
-У нас есть временной ряд из матрицы <tex>X</tex> признаков и вектора <tex>Y</tex> ответов. Нам необходимо восстановить вектор ответов <tex>\hat{Y}</tex> по матрице признаков <tex>\hat{X}</tex>. Известно, что временной ряд, который необходимо восстановить идет непосредственно после временного ряда, ответы для которого нам известны.
+Дан временной ряд <tex>\mathbf{s}_1=[x_1,\ldots,x_{T-1}]^T</tex>, <tex>x\in\mathbb{R}^1</tex>  и матрица признаков, столбцами которой являются <tex> \mathbf{s}_2, \mathbf{s}_3 \ldots \mathbf{s}_m</tex>. Необходимо спрогнозировать следующую величину <tex>x_{T}</tex>.
-Предлагается использовать функционал качества MAPE:
+Предполагается, что
-: <tex>{ Q(\hat{Y}) = \sum_{i=1}^n \frac{|y_i-\hat{y}_i|}{|y_i|}</tex>,
-где <tex>\hat{Y} = (\hat{y}_1, \hat{y}_2, \dots, \hat{y}_n )</tex> -- восстановленные ответы, а <tex>Y = (y_1, y_2, \dots , y_n)</tex> -- правильные ответы.
-== Описание данных ==
+) отсчёты сделаны через равные промежутки времени,
-У нас есть данные с 01/01/2003 до сегодняшнего дня. Данные для прогнозирования состоят из временного ряда, различных погодных параметров (температура, скорость ветра, относительная влажность, ...) и средних цен на электричество.
+) ряд имеет периодическую составляющую,
-В нашей задаче мы используем следующие данные - матрицу переменных '''xRegression''' и вектор откликов '''yRegression'''. Мы будем обозначать их '''X'''  и '''Y''' соответственно. Размер '''X'''
+) ряд не имеет пропущенных значений,
--- <tex>n\times m</tex>, где <tex>n</tex> -- количество объектов (временной ряд дней), а <tex>m</tex> -- количество переменных. Размер '''Y'''
--- <tex>n\times 1</tex>.
-Первый столбец <tex>X</tex> и <tex>Y</tex> -- временной ряд. Второй столбец <tex>Y</tex> -- вектор откликов. Они нормализованы на среднегодичное значение. Количество переменных в <tex>X</tex> -- 26. Они представлены в таблице ниже.
+) длина ряда кратна периоду  <tex>k</tex>.
-{| class="wikitable" style="text-align: center;"
-|- bgcolor="#cccccc"
-! width=30 % |#
-! width=160 % | Описание
-|-
-| '''1''' || временной ряд
-|-
-| '''2-6''' || день недели
-|-
-| '''7-18''' || месяц
-|-
-| '''19''' || средняя температура
-|-
-| '''20''' || индекс HDD
-|-
-| '''21''' || индексCDD
-|-
-| '''22''' || максимальная температура
-|-
-| '''23''' || минимальная температура
-|-
-| '''24''' || относительная влажность
-|-
-| '''25''' || осадки
-|-
-| '''26''' || скорость ветра
-|-
-|}
-=== Предположения о характере данных ===
-* Предполагается, что отсчеты времени сделаны через равные промежутки.
+Составляется <tex> (m \times k)</tex>&nbsp;&#151; матрица значений временного ряда:
-* Предполагается, что ряд имеет периодическую составляющую.
+<tex>
+A =
-* Предполагается, что ряд имеет пропущенные значения.
+\left(
+\begin{array}{llll}
-* Предполагается, что длина ряда кратна периоду. Это условие можно достичь, присоединив к началу ряда необходимое число пропущенных значений.
+x_T     & x_{T-1}   & \ldots & x_{T-k+1}   \\
+x_{(m-1)k} & x_{(m-1)k-1} & \ldots & x_{(m-2)k+1} \\
-В нашем случае, данные имеют ярко выраженную годовую периодическую составляющyю. Это можно проследить на примере данных о средней температуре за день.
+\ldots  & \ldots    & \ldots & \ldots    \\
-[[Изображение:Data-mean_temp.png|800px]]Data-mean_temp.png
+x_{nk} & x_{nk-1} & \ldots & x_{n(k-1)+1} \\
+\ldots  & \ldots    & \ldots & \ldots    \\
+x_k     & x_{k-1}   & \ldots & x_1       \\
+\end{array}
-==Пути решения задачи==
+\right),
+</tex>
+в которой длина ряда <tex> T= mk </tex>.
-* Данные имеют годовую периодику. Будем выполнять прогноз с горизонтом прогноза, равным длине периода, при помощи авторегрессии.
-* Параметры модели, с помощью которых выполняется прогноз вектора Y, находятся с помощью алгоритма [[Метод наименьших углов (пример)|LARS]].
-===Авторегрессия===
-Построение авторегрессионной матрицы. Дан временной ряд <tex>
-x=\begin{Vmatrix}
-x_1 \\
-x_2 \\
-\vdots \\
-x_T
-\end{Vmatrix}
-</tex>.
-Составляется <tex> (m {X} k) </tex>  -матрица значений временного ряда:
 <tex>
-X=\begin{Vmatrix}
+A =
-x_T    & x_T-1 \cdots & x_T-k+1 \\
+\left(
-x_(m-1)k & x_(m-1)k-1   \cdots & x_(m-2)k+1  \\
+\begin{array}{l|lll}
-\vdots
+x_T     & x_{T-1}   & \ldots & x_{T-k+1}   \\
-\\
+\hline\\
-x_k & x_k-1  \cdots & x_1\\
+x_{(m-1)k} & x_{(m-1)k-1} & \ldots & x_{(m-2)k+1} \\
-\end{Vmatrix}
+\ldots  & \ldots    & \ldots & \ldots    \\
-</tex>, в которой длина ряда <tex> T= mk </tex>.
+x_{nk} & x_{nk-1} & \ldots & x_{n(k-1)+1} \\
+\ldots  & \ldots    & \ldots & \ldots    \\
-Обозначим столбцы матрицы <tex> x_k, \cdots  x_1\\ </tex>. Для каждого столбца <tex> i </tex> матрицы <tex> X </tex> построим набор моделей-предикатов. Для это зафиксируем столбец <tex> x_i </tex> , считая, что прогнозируеем значение ряда в момент времени <tex> i+k </tex>.
+x_k     & x_{k-1}   & \ldots & x_1       \\
+\end{array}
-Для каждого из прочих столбцов <tex> x_j, j= 1 \cdots  ,k\\ </tex> решим задачу линейной регрессии <tex> |x_i-\mathbf{G_jw}\|^2\longrightarrow\min </tex>, где матрица
+\right).
+</tex>
+Введём обозначения
 <tex>
-X=\begin{Vmatrix}
+A=
-g_1(x_mj)    & g_2(x_mj) \cdots & g_r(x_mj) \\
+\left(
-g_1(x_(m-1)j & g_2(x_(m-1)j)   \cdots & g_r(x_(m-1)j  \\
+\begin{array}{l|l}
-\vdots
+x_T     & \mathbf{x}^T\\
-\\
+\hline \\
-g_1(x_j) & g_2(x_j)  \cdots & g_r(x_j)\\
+\mathbf{y} & X \\
-\end{Vmatrix}
+\end{array}
+\right).
 </tex>
-Функции <tex> g_1, \cdots , g_r </tex> заданы или определены, исходя из дополнительных условий.
-Выбирается заданное число <tex> p </tex> векторов <tex> G_jw </tex> , доставляющих наибольшее значение функционалу качества. Обозначим <tex> P </tex> - множество выбранных индексов <tex> {j} </tex>. Строится корректор над множеством моделей-предикатов- линейная регрессия   <tex> |x_i-\mathbf{H_pb}\|^2\longrightarrow\min </tex> с ограничением на неотрицательность векторов <tex> b </tex>. Матрица <tex> H_p </tex> - присоединённые векторы <tex> G_jw </tex>. Прогнозируемое значение ряда <tex> x </tex> в момент времени <tex> k+i </tex> равно значению первого элемента  вектора <tex> H_pb </tex>.
+В случае, когда учитываются временные ряды <tex> \mathbf{s}_1, \mathbf{s}_2 \cdots \mathbf{s}_m</tex>, для каждого <tex>j</tex>-го временного ряда строится матрица <tex>S_j</tex> и присоединяется справа. Полученная матрица <tex> A= \begin{bmatrix} S_1 & S_2 & \cdots & S_m \end{bmatrix} .</tex>
+Пусть задан набор функций <tex>G=\{g_1,\ldots,g_r\}</tex>, например,
+<tex>g_1=1, g_2=\sqrt{x}, g_3=x, g_4=x\sqrt{x}</tex>. Матрица порождённых признаков
-==Вычислительный эксперимент==
+<tex>
+A =
+\left(
+\begin{array}{l|lllllll}
+x_T  & g_1\circ x_{T-1}    & \ldots & g_r\circ x_{T-1}        & \ldots & g_1\circ x_{T-k+1} & \ldots   & g_r\circ x_{T-k+1}\\
+\hline\\
+x_{(m-1)k} & g_1\circ x_{(m-1)k-1}& \ldots & g_r\circ x_{(m-1)k-1}   & \ldots & g_1\circ x_{(m-2)k+1} & \ldots & g_r\circ x_{(m-2)k+1} \\
+\ldots & \ldots      & \ldots & \ldots        & \ldots & \ldots  & \ldots      & \ldots\\
+x_{nk} & g_1\circ x_{nk-1}    & \ldots & g_r\circ x_{nk-1}       & \ldots & g_1\circ x_{n(k-1)+1} & \ldots & g_r\circ x_{n(k-1)+1}\\
+\ldots & \ldots      & \ldots & \ldots        & \ldots & \ldots  & \ldots      & \ldots\\
+x_k & g_1\circ x_{k-1}     & \ldots & g_r\circ x_{k-1}        & \ldots & g_1\circ x_1  & \ldots         & g_r\circ x_1\\
+\end{array}
+\right).
+</tex>
-===Авторегрессия===
+==Пути решения задачи==
+Требуется решить задачу линейной регресии  <tex>|X\mathbf{w}-\mathbf{y}\|^2\longrightarrow\min. </tex>
+Требуется найти такие параметры <tex>\mathbf{w}</tex>, которые доставляют минимум норме вектора невязок <tex>X\mathbf{w}-\mathbf{y}</tex>.
-Выборка разбивается на обучающую и тестовую. Тестовой выборкой являются данные за последний год. Прогнозирование выполняется с помощью построения авторегрессионной матрицы. На примере нескольких временных рядом посмотрим, как реальные данные соотносятся с прогнозируемыми.
+<tex> \mathbf{w}=(X^TX)^{-1}(X^T\mathbf{y}).</tex>
-====Cредняя температура====
+В терминах линейной регрессии
-[[Изображение:Mean temp.png#filelinks|800px]]
+<tex>\mathbf{y}= X\mathbf{w}</tex>
-====Минимальная температура====
+<tex>y_T=  <\mathbf{x}^{T}, \mathbf{w}></tex>
-[[Изображение:Low temp.png#filelinks|800px]]
+Возможны два подхода к нахождению значения <tex>x_T</tex>. Первый заключается в последовательном построении прогнозируемых значений. В качестве вектора <tex>\mathbf{x}^{T}</tex> выбираюся <tex>K-1</tex> предыдущих значений временного ряда, и для каждого следующего значения <tex>x_{T+1}, x_{T+2}, ..., x_{T+l}</tex>   необходимо заново строить авторегрессионную матрицу <tex>X</tex>. Второй подход заключается в прогнозировании периода ряда по предыдущему. В качестве вектора <tex>\mathbf{x}^{T}</tex> выбираются <tex>K-1</tex> значений ряда предшествующего периода. При данном подходе перестраивать авторегрессионную матрицу <tex>X</tex> не нужно.
-====Индекс HDD====
+При увеличении числа признаков (в случае добавления столбцов <tex>\mathbf{s}_2..., \mathbf{s}_m)</tex> необходимо уменьшить размерность пространства засчёт отбора признаков. В качестве алгоритма отбора признаков выбран [[Метод наименьших углов (пример)|метод наименьших углов]]. Проверяется, улучшает ли отбор признаков прогнозирование.
-[[Изображение:Heating days.png#filelinks|800px]]
-====Осадки====
-[[Изображение:Precipitation.png#filelinks|800px]]
-===LARS===
-Выборка разбивается на обучающую и тестовую. Тестовой выборкой являются данные за последний год. Вектор Y находим с помощью алгоритма LARS.Проверим, насколько реальные данные соотносятся с прогнозируемыми.
-====График LARS====
-[[Изображение:Price.png#filelinks|800px]]
-====График MAPE====
-[[Изображение:Mape.png#filelinks|800px]]
-==Код==
-[https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/electricity%20forcasting/autoregression.m autoregression.m]
-[https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/FeatureSelectionStep/lars.m lars.m]
 ==Смотри также==
+* Полный текст этой работы, [https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/Group774/Dzhamtyrova2010Forecasting/doc/Dzhamtyrova10forecasting.pdf PDF]
-* [[Прогнозирование ежедневных цен на электроэнергию (отчет)]]
+* Исходный код вычислительного эксперимента [https://mlalgorithms.svn.sourceforge.net/svnroot/mlalgorithms/Group774/Dzhamtyrova2010Forecasting]
-* [[Метод наименьших углов (пример)|Метод наименьших углов]]
 ==Литература==
@@ Строка 167: / Строка 112: @@
 |ссылка       = http://www3.iam.metu.edu.tr/iam/images/9/9b/Strijov-ankara.pdf
 |заглавие     = Model Generation and  its Applications  in Financial Sector
+|издательство = Middle East Technical University
 |год          = 2009
 }}
@@ Строка 178: / Строка 124: @@
 |автор        = Стрижов В.В
 |заглавие     =  Методы выбора регрессионных моделей
+|издательство = ВЦ РАН
 |год          = 2010
 }}
@@ Строка 186: / Строка 133: @@
 |год          = 2006
 }}
+# {{книга
+|автор        = Hsiao-Tien Pao
+|ссылка       = http://www.springerlink.com/content/h422246780708564
+|заглавие     = A Neural Network Approach to m-Daily-Ahead  Electricity Price Prediction
+|год          = 2006
+}}
+# {{книга
+|автор        = Wei Wu, Jianzhong Zhou,Li Mo and Chengjun Zhu
+|ссылка       = http://www.springerlink.com/content/m321712571941311/
+|заглавие     = Forecasting Electricity Market Price Spikes Based on Bayesian Expert with Support Vector Machines
+|год          = 2006
+}}
+{{ЗаданиеВыполнено|Раиса Джамтырова|В.В.Стрижов|24 декабря 2010|Раиса Джамтырова|Strijov}}
+[[Категория:Практика и вычислительные эксперименты]]