Введение к работе
Актуальность исследования. Диссертация посвящена
экспериментальному исследованию теоретико-информационных методов прогнозирования сложных прикладных процессов.
Известно, что методы прогнозирования служат для исследования системных связей и закономерностей функционирования и развития объектов и процессов с использованием современных методов обработки информации и являются важным средством в анализе сложных прикладных систем, обработке информации, целенаправленном воздействии человека на объекты исследования, с целью повышения эффективности их функционирования.
Методы прогнозирования, т.е. специального научного исследования конкретных перспектив развития какого-либо процесса, находят самое широкое применение на практике в различных областях. К их числу можно отнести, например, анализ социальных, экономических и геофизических событий.
Особое внимание уделяется проблеме прогнозирования временных рядов, т. е. функции, определённой на оси времени, так как этот класс задач широко связан с многими проблемами экономики, геофизики и других областей. Эти методы играют ключевую роль в повышения эффективности, надежности и качества технических, экономических, биологических, медицинских и социальных систем.
Благодаря практической важности методов прогнозирования их разработке и совершенствованию посвящены работы многих исследователей в нашей стране и за рубежом, среди которых можно отметить К. Гаусса, К. Пирсона, Дж. Бокса, Г. Дженкинса, Р. Шамвей, В. Вандаеле, Л. Вей, Р. Хиндмана. Также с целью развития исследований в области прогнозирования и его использования для решения прикладных задач был создан Международный Институт Прогнозистов (International Institute of Forecasters), организовывающий ежегодные международные тематические конференции; на различных уровнях на регулярной основе проводятся конкурсы для определения наиболее точных методов прогнозирования.
Среди наиболее известных методов прогнозирования мы отметим многомерную регрессию, в том числе с использованием непараметрических оценок плотности распределения, которая представляет на настоящий момент основной статистический аппарат прогнозирования. Отметим также, что для автоматизации и контроля части операций при построении прогноза возможно использование специальных компьютерных программ. Среди подобных инструментов прогнозирования можно выделить такие программы как Autobox, Statistica.
Несмотря на наличие многих эффективных методов прогнозирования, связанных с разнообразным математическим аппаратом (спектральный анализ, регрессивный анализ и другое), алгоритмов, связанных с построением экспертных оценок, многие проблемы еще далеки от своего разрешения. Одна из
важнейших таких проблема - повышение качества прогнозирования характеристик систем, описываемых временными рядами. Например, в журнале «Международный журнал прогнозирования» («International Journal of Forecasting») более половины статей посвящены вопросам прогнозирования временных рядов. В специализированных журналах, посвященных системному анализу и прогнозированию экономических процессов, таких как, например, «Журнал экономического прогнозирования» ("Journal for Economic Forecasting"), этому направлению уделяется большое внимание.
Число публикаций, посвященных методам прогнозирования временных рядов, постоянно увеличивается. Полученные в них новые научные знания постоянно применяются для решения задач в сложных прикладных системах.
Объектом исследования являются методы и алгоритмы прогнозирования временных характеристик сложных прикладных систем в экономике, геофизике и других областях.
Целью работы является экспериментальное исследование теоретико-информационных методов прогнозирования применительно к задачам анализа временных характеристик сложных прикладных систем, обработке информации, целенаправленном воздействии человека на процессы с целью повышения
эффективности их функционирования. Ранее в работах ' Рябко Б.Я. было
доказано, что разработанные методы прогнозирования являются
асимптотически оптимальными (т.е. оптимальны при объеме наблюдений стремящемся к бесконечности), однако сведения об оценке качества получаемых на их основе прогнозов при решении практически важных задач отсутствовали.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Анализ известных методов прогнозирования характеристик сложных систем.
Разработка алгоритмов и программных реализаций теоретико-информационных методов прогнозирования.
Прогнозирование характеристик экономических систем, описывающих интегральные показатели их эффективности (на примере показателей безработицы, курсов валют, показателей ВВП).
Рябко Б. Я. Прогноз случайных последовательностей и универсальное кодирование // Проблемы передачи информации. 1988. Т. 24, № 2. Р. 3-14.
2 Ryabko В. Compression-Based Methods for Nonparametric Prediction and Estimation of Some Characteristics of Time Series II IEEE Transactions on Information Theory. 2009. V. 55, № 9. P. 4309-4315.
Прогнозирование характеристик геофизических процессов, влияющих на функционирование экономических систем.
Разработка практических рекомендаций по применению теоретико-информационных методов прогнозирования.
Достоверность результатов обеспечивается корректным применением методов математической статистики и теории вероятностей.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Разработан алгоритм прогнозирования временных рядов, основанный на универсальных кодах, время работы которого близко к линейному, что позволяет использовать его при прогнозировании практически важных процессов.
Разработана методика применения данного алгоритма к прогнозированию характеристик сложных экономических систем и показано, что получаемые прогнозы обладают более высоким качеством, чем ранее известные методы.
Разработана методика применения данного алгоритма к прогнозированию характеристик сложных геофизических систем и показано, что получаемые прогнозы обладают более высоким качеством, используемые в настоящее время методы.
Выработаны практические рекомендации по применению теоретико-информационного подхода к прогнозированию временных характеристик различных сложных систем.
Практическая ценность полученных результатов
Разработанные алгоритмы являются важными методами интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в различных сложных системах с целью повышения эффективности их функционирования. При решении ряда задач прогнозирования разработанные методы обеспечивают на порядок более высокое, чем ранее известные методы, качество прогнозов.
Внедрение результатов исследования в практику Основные результаты использованы при выполнении следующих проектов и государственных программ:
Проект Федеральной целевой программы «Разработка эффективных методов кодирования, передачи, защиты и хранения информации, основанных на теоретико-информационном подходе». Государственный контракт№ 02.740.11.0396
Проект РФФИ 09-07-00005-а «Разработка эффективных методов стеганографии и стегоанализа» (руководитель - Рябко Б. Я.)
Гранты для выполнения научных исследований аспирантами, магистрантами и молодыми преподавателями ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2009 и 2010 гг.
Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре ПМиК в программах курсов «Защита информации» (бакалавриат) и «Современные
проблемы информатики» (магистратура) по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника».
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:
XIII Российская конференция «Распределенные информационные и
вычислительные ресурсы» (Новосибирск, 2010)
XLIX Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2011)
«Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2011)
Applied Methods of Statistical Analysis. Simulations and Statistical Inference (Russia, Novosibirsk, 2011)
International Symposium on Forecasting (Czech Republic, Prague, 2011)
Предложенные методы были представлены на международный конкурс по прогнозированию, где показали высокую точность.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 работы в научных журналах и изданиях, внесённых в перечень журналов и изданий, утвержденных ВАК. Результаты работы отражены в отчетах по грантам и НИР. Список работ приведен на странице 16-17 автореферата.
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментально доказано, что теоретико-информационные методы прогнозирования, основанные на универсальном кодировании, обеспечивают высокое качество прогноза при их практическом применении к сложным системам.
Качество результатов разработанного метода при прогнозировании сложных прикладных экономических и геофизических систем выше, чем у ранее известных методов.
Разработанные методы целесообразно применять при прогнозировании характеристик сложных систем в экономике, геофизике и других областях при решении задач управления и обработки информации.
Структура диссертации. Диссертация занимает 153 страницы текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 18 таблиц и 29 рисунков. Список литературы включает 102 источника.
