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        基于指數(shù)平滑法對羊布魯氏菌病的預(yù)測分析

        2020-04-16 02:30:18林丹丹李愛巧
        家畜生態(tài)學(xué)報(bào) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:烏魯木齊市布魯氏菌插值

        馮 興,林丹丹,李愛巧,王 濤,王 凱

        (1.新疆醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院,新疆 烏魯木齊830011;2.烏魯木齊市動物疾病控制與診斷中心,新疆 烏魯木齊830063;3.新疆醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,新疆 烏魯木齊830011)

        布魯氏菌病(Brucellosis)簡稱布病,是在全球內(nèi)廣泛流行的動物源性疾病,屬于布氏菌屬的小型革蘭氏陰性球菌引起的傳染-變態(tài)反應(yīng)性傳染病[1]。布魯氏菌病對以畜牧業(yè)為主的發(fā)展中國家有很大危害,是非常嚴(yán)重的人畜共患病[2]。布魯氏菌病在中國流行的主要地區(qū)集中在新疆、內(nèi)蒙古、西藏、青海和寧夏5個(gè)牧區(qū),2014年以來內(nèi)蒙古已成為中國患病最嚴(yán)重的疫區(qū)[3-4]。動物本身患病帶毒或處在潛伏期是導(dǎo)致布病流行的重要因素,烏魯木齊市羊布魯氏菌病流通環(huán)節(jié)的陽性率是最高的[5]。因此,建立時(shí)間序列預(yù)測模型來預(yù)測未來幾年羊布病的流行狀況,為下一步羊布魯氏菌病防控工作提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 數(shù)據(jù)來源

        數(shù)據(jù)來源于烏魯木齊市動物疾病控制與診斷中心的 2012~2017 年烏魯木齊市羊布魯氏菌病每年的檢測陽性率見表1。由表1可以看出,2012年羊布魯氏菌病的檢測陽性率最高,呈爆發(fā)狀態(tài),之后快速下降。在2015年羊布魯氏菌病再次爆發(fā),之后迅速下降。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 三次樣條插值算法 三次樣條插值算法與其他的插值方法相比,具有收斂速度快、逼近精度高、穩(wěn)定性好及二階光滑性,并能更好擬合樣本點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)[6]。因此,本研究采用三次樣條插值算法進(jìn)行插值。

        1.2.2 指數(shù)平滑法 考慮到本研究的數(shù)據(jù)沒有季節(jié)性,因此采用指數(shù)平滑中的Holt雙參數(shù)指數(shù)平滑法[9]。Holt雙參數(shù)指數(shù)平滑法適用于含有線性趨勢(或近似線性趨勢),又沒有季節(jié)(周期)變化的時(shí)間序列的預(yù)測。

        由于Holt雙參數(shù)指數(shù)平滑法是對時(shí)間序列各觀察值和序列趨勢進(jìn)行修勻和平滑,因此有兩個(gè)平滑公式:

        St=αXt+(1-α)(St-1+Bt-1

        (1)

        Bt=β(St-St-1)+(1-β)Bt-1

        (2)

        式中:α,β為平滑參數(shù)(取值都在從0~1之間);Xt為實(shí)際觀測值;St為數(shù)據(jù)平滑值;Bt為趨勢平滑值,是相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)平滑值之差;當(dāng)t=1時(shí),St-1是平滑序列的初始值,Bt-1是趨勢序列的初始值,均需要事先給定。公式(1)是利用前一期的趨勢平滑值Bt-1直接修正St,即將Bt-1加在前一期的數(shù)

        表1 羊布魯氏菌病的檢測陽性率Table 1 Positive rate of Brucellosis in sheep

        據(jù)平滑值St-1上,用來消除滯后,且使St值近似達(dá)到最新數(shù)據(jù)Xt;公式(2)是用來修正趨勢平滑值Bt,Bt用相鄰兩次數(shù)據(jù)平滑值之差來表示[10]。

        模型的一般形式是: Ft+m=St+Btm

        該公式用來進(jìn)行預(yù)測,F(xiàn)t為預(yù)測值,m為預(yù)測超前期數(shù)[10]。

        1.3 統(tǒng)計(jì)分析

        應(yīng)用R3.4.1軟件進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)的插值處理,建立時(shí)間序列模型假設(shè)檢驗(yàn)水準(zhǔn)為0.05。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 三次樣條插值結(jié)果

        對現(xiàn)有的2012~2017年的6個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值處理,在每兩個(gè)點(diǎn)之間插入2個(gè)估計(jì)出來的數(shù)據(jù),得到16個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(見圖1)。利用插值以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析。

        2.2 模型的建立和預(yù)測

        2.2.1 模型的建立 從圖2來看,雖然擬合值對觀測值有一點(diǎn)延遲,但觀察曲線和擬合曲線的變化和趨勢大致相同(無滯后的序列為觀察值序列,滯后序列為擬合值序列)。

        從表2可以看出,實(shí)際值與預(yù)測值的差別不大,通過計(jì)算平均百分比誤差 (MAPE) 評估擬合的精度,得到 MAPE為0.013,MAPE比較小,表明模型擬合的效果較好。

        表2 羊布魯氏菌病的檢測率預(yù)測值Table 2 Predicted detection rate of Brucellosis in sheep

        2.2.2 模型的檢測 從圖3可以看出,羊布魯氏菌病檢測率預(yù)測誤差序列的自相關(guān)系數(shù)比較小,始終控制在2倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍以內(nèi),可以認(rèn)為該序列自始至終都在零軸附近波動,其預(yù)測誤差是不相關(guān)的。Ljung-Box檢驗(yàn)時(shí),P=0.3821,顯著大于α,可以認(rèn)為相關(guān)系數(shù)為零,其預(yù)測誤差是不相關(guān)的,與自相關(guān)圖的結(jié)果一致。其次,檢測預(yù)測誤差是否服從零均值、方差不變的正態(tài)分布。從圖4可看出預(yù)測誤差在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的方差是大致不變的。由圖5可見,預(yù)測誤差是零均值的正態(tài)分布。綜上所述,用指數(shù)平滑建立模型來預(yù)測羊布魯氏菌病的檢測率是合理的。

        2.2.3 模型的預(yù)測 利用之前建立好的模型來預(yù)測未來兩年羊布魯氏菌病的檢測率,預(yù)測結(jié)果見圖6。圖6中預(yù)測部分使用藍(lán)色的線條標(biāo)識出來,深灰色的陰影區(qū)域?yàn)?0%預(yù)測區(qū)間,淺灰色陰影區(qū)為95%的預(yù)測區(qū)間。從圖6可以看出,羊布魯氏菌病的檢測率呈持續(xù)上升狀態(tài)??偟念A(yù)測結(jié)果為:2018年羊布魯氏菌病的檢測率為1.02%(95%CI:0.25%,4.18%);2019年羊布魯氏菌病的檢測率為1.51%(95%CI:0.04%,54.94%)。

        3 討 論

        新疆屬于布魯氏菌病疫情嚴(yán)重的地區(qū)之一,而作為新疆首府的烏魯木齊市,牲畜流通量非常大,流通過程中的監(jiān)管不到位,在一定程度增加了布魯氏菌病感染概率。此病已成為重要的公共問題之一,不僅導(dǎo)致動物發(fā)熱、流產(chǎn)、不育等,增加了養(yǎng)殖者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),而且此病傳染給人以后,嚴(yán)重影響到了人的健康、生活和工作質(zhì)量。羊是該病的易感群體,加強(qiáng)羊布魯氏菌病的防控可以很好地控制布魯氏菌病的流行[11]。

        時(shí)間序列分析是觀察時(shí)間序列,研究它的特點(diǎn),找出其變化發(fā)展的規(guī)律,并對這種規(guī)律進(jìn)行分析,來預(yù)測其將來的發(fā)展趨勢。指數(shù)平滑法是時(shí)間序列分析中常用的一種分析方法。Holt雙參數(shù)指數(shù)平滑法適用于有線性趨勢無季節(jié)性的序列,因其結(jié)構(gòu)簡單、總體效果好被廣泛應(yīng)用。本研究的時(shí)間序列分析主要研究了烏魯木齊市羊布魯氏菌病的檢測陽性率隨時(shí)間變化的規(guī)律,并檢測了模型的擬合效果,計(jì)算出MAPE為0.013,MAPE比較小,表明模型擬合的效果較好??梢岳迷撃P皖A(yù)測烏魯木齊市2018-2019年的羊布魯氏菌病檢測陽性率,預(yù)測結(jié)果顯示羊布魯氏菌病檢測陽性率呈緩慢上升趨勢。

        根據(jù)烏魯木齊市動物疾病控制與診斷中心統(tǒng)計(jì)的2012~2017年烏魯木齊市羊布魯氏菌病每年的檢測陽性率,2012年的檢測陽性率是近幾年中最高的,由于烏魯木齊市動物疾病控制與診斷中心針對這種情況,采取了對高發(fā)地區(qū)之一的達(dá)坂城區(qū)進(jìn)行布魯氏菌病疫苗全面免疫,同時(shí)提高監(jiān)測陽性畜的撲殺率,使2013~2014年的檢測陽性率迅速下降;2015年的羊布魯氏菌病的檢測陽性率又迅速上升,可能原因是達(dá)坂城區(qū)的家畜布魯氏菌病未能實(shí)施連續(xù)免疫3年[12]。綜合上述情況,烏魯木齊市實(shí)施疫苗免疫的力度不夠,應(yīng)免畜的免疫密度達(dá)不到要求,可能是2018~2019年羊布魯氏菌病上升的主要原因。另外,還可能有以下幾個(gè)方面的原因:①烏魯木齊市的動物流通量很大,且對這些外來流動的動物的監(jiān)管和檢測工作未做到位;②由于撲殺經(jīng)費(fèi)比較低造成實(shí)際撲殺率低,使轄區(qū)內(nèi)存在大量的陽性家畜;③防疫人員的待遇不高,影響了從業(yè)積極性;④布魯氏菌病防控知識的宣傳力度不夠[13]。

        綜上所述,建議相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)采取以下措施:第一,控制外來陽性家畜的輸入,加大監(jiān)測力度;第二,對陽性家畜及時(shí)進(jìn)行撲殺;第三,加強(qiáng)預(yù)防免疫,對重點(diǎn)區(qū)域加檢測力度。第四,政府加強(qiáng)重視,提高防疫人員待遇;第五,提高宣傳力度和健康教育,做好宣傳培訓(xùn)工作[13]。

        時(shí)間序列模型應(yīng)用于短期預(yù)測的精度比較高,然而隨著預(yù)測時(shí)間的延長,模型的精度也隨之下降。本文未考慮羊布魯氏菌病流行的影響因素以及對布魯氏菌病采取預(yù)防措施后產(chǎn)生的效果對模型預(yù)測精度的影響。因此,根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特征,應(yīng)建立不同的預(yù)測模型,并檢驗(yàn)其預(yù)測效果。

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