Прогнозування динаміки епідемічного процесу COVID19 з використання моделі Ласо регресії
Анотація
У роботі запропоновано об’єднати методи машинного та глибокого навчання для прогнозування пандемії COVID-19.
Актуальність. Глобальний спалах пандемії COVID-19 мав великий вплив на системи здоров’я та соціально-економічні структури в усьому світі, підкреслюючи нагальну потребу в ефективних інструментах прогнозування для допомоги в прийнятті рішень. Робота присвячена побудові мультимодельної структури для прогнозування епідемії шляхом інтеграції передових методів математичного моделювання та теорії прогнозування.
Мета. Метою роботи було проаналізувати методи та алгоритми для кумулятивного прогнозування випадків COVID-19з метою надання наукової підтримки для прийняття рішень у сфері охорони здоров’я.
Методи дослідження. Методи дослідження базуються на сучасних теоріях математичного моделювання, штучного інтелекту, епідеміологічної діагностики, теорії прогнозування, а саме: регресія Лассо, мережі довгострокової короткочасної пам’яті (LSTM) і моделі LSTM-Attention.
Результати. Було досліджено застосування моделі Лассо регресії та мережі довгострокової короткочасної пам’яті (LSTM) для кумулятивного прогнозування випадків COVID-19з метою надання наукової підтримки для прийняття рішень. В роботі детально описано процеси попередньої обробки даних, навчання моделі, оцінювання та візуалізації для підтримки узагальнення та адаптивності в динамічному сценарії пандемії. Крім того, була запропонована модель Multi-Scale LSTM-Attention (MSLA) для вилучення багатоперіодних ознак із вхідних послідовностей. Ці функції є критично важливими для вирішення проблеми нестаціонарності даних.
Висновки. Вирішено задачу розробки системи прогнозування COVID-19 шляхом інтеграції методів машинного та глибокого навчання. Розроблена система поєднує в собі регресію Лассо, мережі довгострокової короткочасної пам’яті (LSTM) і нову багатомасштабну модель кумулятивного прогнозування зараження на основі механізму уваги (MSLA), що значно підвищує точність і надійність прогнозування.
Завантаження
Посилання
/Посилання
Ciotti, M., Ciccozzi, M., Terrinoni, A., Jiang, W. C., Wang, C. B., & Bernardini, S. (2020). The COVID-19 pandemic. Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences, 57(6), 365–388. https://doi.org/10.1080/10408363.2020.1783198
Santosh, K.C. COVID-19 Prediction Models and Unexploited Data. J Med Syst 44, 170 (2020). https://doi.org/10.1007/s10916-020-01645-z
Singh, R. K., Rani, M., Bhagavathula, A. S., Sah, R., Rodriguez-Morales, A. J., Kalita, H., ... & Kumar, P. (2020). Prediction of the COVID-19 pandemic for the top 15 affected countries: Advanced autoregressive integrated moving average (ARIMA) model. JMIR public health and surveillance, 6(2), e19115. https://doi.org/10.2196/19115
Alabdulrazzaq, H., Alenezi, M. N., Rawajfih, Y., Alghannam, B. A., Al-Hassan, A. A., & Al-Anzi, F. S. (2021). On the accuracy of ARIMA based prediction of COVID-19 spread. Results in Physics, 27, 104509. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104509
Heidari, A., Jafari Navimipour, N., Unal, M. et al. Machine learning applications for COVID-19 outbreak management. Neural Comput & Applic 34, 15313–15348 (2022). https://doi.org/10.1007/s00521-022-07424-w
Alakus, T. B., & Turkoglu, I. (2020). Comparison of deep learning approaches to predict COVID-19 infection. Chaos, Solitons & Fractals, 140, 110120. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2020.110120
Shahid, F., Zameer, A., & Muneeb, M. (2020). Predictions for COVID-19 with deep learning models of LSTM, GRU and Bi-LSTM. Chaos, Solitons & Fractals, 140, 110212. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2020.110212
Islam, M. Z., Islam, M. M., & Asraf, A. (2020). A combined deep CNN-LSTM network for the detection of novel coronavirus (COVID-19) using X-ray images. Informatics in medicine unlocked, 20, 100412. https://doi.org/10.1016/j.imu.2020.100412
Shah, P. M., Ullah, F., Shah, D., Gani, A., Maple, C., Wang, Y., & Islam, S. U. (2021). Deep GRU-CNN model for COVID-19 detection from chest X-rays data. Ieee Access, 10, 35094-35105. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3077592
Yu, Y., Si, X., Hu, C., & Zhang, J. (2019). A review of recurrent neural networks: LSTM cells and network architectures. Neural computation, 31(7), 1235-1270. https://doi.org/10.1162/neco_a_01199
Han, K., Xiao, A., Wu, E., Guo, J., Xu, C., & Wang, Y. (2021). Transformer in transformer. Advances in neural information processing systems, 34, 15908-15919.
Ranstam, J., & Cook, J. A. (2018). LASSO regression. Journal of British Surgery, 105(10), 1348-1348. https://doi.org/10.1002/bjs.10895
Van Tinh, N. (2020). Forecasting of COVID-19 confirmed cases in Vietnam using fuzzy time series model combined with particle swarm optimization. Comput Res Prog Appl Sci Eng, 6(2), 114-120. https://crpase.com/archive/CRPASE-Vol-06-issue-02-20802699.pdf
Song, J., Xie, H., Gao, B., Zhong, Y., Gu, C., & Choi, K. S. (2021). Maximum likelihood-based extended Kalman filter for COVID-19 prediction. Chaos, Solitons & Fractals, 146, 110922. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2021.110922
Chen Guoxin (2024) Prediction of the dynamics covid19 epidemic process of using the Lasso regression model (master diploma) V. N. Karazin Kharkiv National University.
Ciotti, M., Ciccozzi, M., Terrinoni, A., Jiang, W. C., Wang, C. B., & Bernardini, S. (2020). The COVID-19 pandemic. Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences, 57(6), 365–388. https://doi.org/10.1080/10408363.2020.1783198
Santosh, K.C. COVID-19 Prediction Models and Unexploited Data. J Med Syst 44, 170 (2020). https://doi.org/10.1007/s10916-020-01645-z
Singh, R. K., Rani, M., Bhagavathula, A. S., Sah, R., Rodriguez-Morales, A. J., Kalita, H., ... & Kumar, P. (2020). Prediction of the COVID-19 pandemic for the top 15 affected countries: Advanced autoregressive integrated moving average (ARIMA) model. JMIR public health and surveillance, 6(2), e19115. https://doi.org/10.2196/19115
Alabdulrazzaq, H., Alenezi, M. N., Rawajfih, Y., Alghannam, B. A., Al-Hassan, A. A., & Al-Anzi, F. S. (2021). On the accuracy of ARIMA based prediction of COVID-19 spread. Results in Physics, 27, 104509. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104509
Heidari, A., Jafari Navimipour, N., Unal, M. et al. Machine learning applications for COVID-19 outbreak management. Neural Comput & Applic 34, 15313–15348 (2022). https://doi.org/10.1007/s00521-022-07424-w
Alakus, T. B., & Turkoglu, I. (2020). Comparison of deep learning approaches to predict COVID-19 infection. Chaos, Solitons & Fractals, 140, 110120. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2020.110120
Shahid, F., Zameer, A., & Muneeb, M. (2020). Predictions for COVID-19 with deep learning models of LSTM, GRU and Bi-LSTM. Chaos, Solitons & Fractals, 140, 110212. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2020.110212
Islam, M. Z., Islam, M. M., & Asraf, A. (2020). A combined deep CNN-LSTM network for the detection of novel coronavirus (COVID-19) using X-ray images. Informatics in medicine unlocked, 20, 100412. https://doi.org/10.1016/j.imu.2020.100412
Shah, P. M., Ullah, F., Shah, D., Gani, A., Maple, C., Wang, Y., & Islam, S. U. (2021). Deep GRU-CNN model for COVID-19 detection from chest X-rays data. Ieee Access, 10, 35094-35105. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3077592
Yu, Y., Si, X., Hu, C., & Zhang, J. (2019). A review of recurrent neural networks: LSTM cells and network architectures. Neural computation, 31(7), 1235-1270. https://doi.org/10.1162/neco_a_01199
Han, K., Xiao, A., Wu, E., Guo, J., Xu, C., & Wang, Y. (2021). Transformer in transformer. Advances in neural information processing systems, 34, 15908-15919.
Ranstam, J., & Cook, J. A. (2018). LASSO regression. Journal of British Surgery, 105(10), 1348-1348. https://doi.org/10.1002/bjs.10895
Van Tinh, N. (2020). Forecasting of COVID-19 confirmed cases in Vietnam using fuzzy time series model combined with particle swarm optimization. Comput Res Prog Appl Sci Eng, 6(2), 114-120. https://crpase.com/archive/CRPASE-Vol-06-issue-02-20802699.pdf
Song, J., Xie, H., Gao, B., Zhong, Y., Gu, C., & Choi, K. S. (2021). Maximum likelihood-based extended Kalman filter for COVID-19 prediction. Chaos, Solitons & Fractals, 146, 110922. https://doi.org/10.1016/j.chaos.2021.110922
Chen Guoxin (2024) Prediction of the dynamics covid19 epidemic process of using the Lasso regression model (master diploma) V. N. Karazin Kharkiv National University.
