JP2005242580A - Parameter estimation method, data prediction method, parameter estimation device, data prediction device, and computer program - Google Patents

Parameter estimation method, data prediction method, parameter estimation device, data prediction device, and computer program Download PDF

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JP2005242580A JP2004050242A JP2004050242A JP2005242580A JP 2005242580 A JP2005242580 A JP 2005242580A JP 2004050242 A JP2004050242 A JP 2004050242A JP 2004050242 A JP2004050242 A JP 2004050242A JP 2005242580 A JP2005242580 A JP 2005242580A
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数博 竹安
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for certainly estimating a parameter of a time series comprising data obtained from a system accompanying input, a method for predicting realistic data, a parameter estimation device, a data prediction device, and a computer program. <P>SOLUTION: This data prediction device (parameter estimation device) sets a cross-correlation function of a present sample time series äx<SB>n</SB>} and a future input time series äu<SB>n</SB>} as 0 to calculate data (S2), generates white noise äe<SB>n</SB>} (S3), calculates the dispersion σ<SB>e</SB><SP>2</SP>of äe<SB>n</SB>} (S4), sets a cross-correlation function of äu<SB>n</SB>} and äe<SB>n</SB>} as 0 and sets a cross-correlation function of present äx<SB>n</SB>} and future äe<SB>n</SB>} as 0 to calculate data (S5), sets an autocorrelation function of äe<SB>n</SB>} as σ<SB>e</SB><SP>2</SP>at lag 0, and as 0 at the other lags, and calculates the parameter of an ARMAX model (S6). The data prediction device decides convergence of the parameter (S7), calculates new white noise when not converging (S8), and repeats the calculation until the parameter converges. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、データの時系列からパラメータを推定する方法、推定されたパラメータを用いて新たなデータを予測する方法、パラメータ推定装置、データ予測装置、コンピュータをパラメータ推定装置又はデータ予測装置として実現するためのコンピュータプログラムに関する。   The present invention realizes a method for estimating parameters from a time series of data, a method for predicting new data using estimated parameters, a parameter estimation device, a data prediction device, and a computer as a parameter estimation device or a data prediction device. Relates to a computer program.

あるシステムから得られるデータの時系列を解析して新たなデータの値を予想する方法は、従来様々な方法が提案されている。その方法の一つとして、データの時系列を離散時間線形モデルに当てはめて解析を行い、データ間の関係を示すパラメータを推定し、推定したパラメータを用いて構成される離散時間線形モデルに基づいて新たなデータの値を予測する方法がある。離散時間線形モデルとしては、AR(Autoregressive:自己回帰)モデル又はARMA(AutoregressiveMoving Average :自己回帰移動平均)モデル等が利用されている。   Various methods have been proposed for predicting new data values by analyzing a time series of data obtained from a certain system. One method is to apply a time series of data to a discrete-time linear model, analyze the parameters, estimate the parameters that indicate the relationship between the data, and based on the discrete-time linear model configured using the estimated parameters. There are methods for predicting new data values. As the discrete-time linear model, an AR (Autoregressive: Autoregressive) model or an ARMA (Autoregressive Moving Average) model is used.

データの時系列{xn :n=1,2,…}を、定常エルゴード的正規過程x(t)の標本時系列であるとすると、(p,q)次のARMAモデルは下記(1)式で表される。 Assuming that the time series of data {x n : n = 1, 2,...} Is a sample time series of a stationary ergodic normal process x (t), the (p, q) -order ARMA model is expressed as It is expressed by a formula.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

ここで、{en }は、平均値0及び分散σe 2の正規性白色雑音である。また、{ai :i=1,2,…,p}及び{bj :j=1,2,…,q}はARMAモデルのパラメータである。また、{ai }及び{bj }は、下記式で与えられるA(Z-1)及びB(Z-1)が規約で夫々定常条件、可逆条件および強正実条件を満たすものとする。
A(Z-1)=1+a1-1+…+ap-p
B(Z-1)=1+b1-1+…+bq-q
Here, {e n } is normal white noise with an average value of 0 and a variance σ e 2 . {A i : i = 1, 2,..., P} and {b j : j = 1, 2,..., Q} are parameters of the ARMA model. In addition, {a i } and {b j } are such that A (Z −1 ) and B (Z −1 ) given by the following equations satisfy the steady-state condition, the reversible condition, and the strongly positive real condition, respectively.
A (Z −1 ) = 1 + a 1 Z −1 +... + A p Z −p
B (Z −1 ) = 1 + b 1 Z −1 +... + B q Z −q

標本の時系列{xn }から(1)式のパラメータ{ai}及び{bj }を推定するための方法として、疑似線形回帰法が従来用いられている。従来の疑似線形回帰法では、白色雑音{en}を乱数などを用いて生成し、生成した{en }と時系列{xn }とから、{ai}及び{bj }を計算し、計算した{ai }及び{bj}から(1)式を用いて白色雑音{en }を計算し、パラメータ{ai}及び{bj }が収束するまで計算を繰り返す。この方法によりARMAモデルのパラメータが推定される。非特許文献1には、ARMAモデルのパラメータ{ai }及び{bj }の値の収束を容易にする技術が提案されている。 As a method for estimating the parameters {a i } and {b j } of the equation (1) from the sample time series {x n }, a pseudo linear regression method is conventionally used. In the conventional quasi-linear regression method, white noise {e n } is generated using random numbers and the like, and {a i } and {b j } are calculated from the generated {e n } and the time series {x n }. and, using the calculated {a i} and the {b j} (1) formula to calculate the white noise {e n}, the calculation is repeated until the parameters {a i} and {b j} converges. By this method, the parameters of the ARMA model are estimated. Non-Patent Document 1 proposes a technique that facilitates convergence of values of the parameters {a i } and {b j } of the ARMA model.

以上の如きARMAモデルでは、データの時系列に含まれる一のデータの値は過去のデータの値と過去の雑音とから決定される。しかし現実には、商品の販売量のデータが気温に影響される場合などのように、システムから得られるデータがシステムへの入力に影響されていることも多い。従って、ARMAモデルでは実際の問題に対処しきれないという問題がある。   In the ARMA model as described above, the value of one data included in the time series of data is determined from the past data value and the past noise. In reality, however, the data obtained from the system is often influenced by the input to the system, such as when the sales data of the product is affected by the temperature. Therefore, there is a problem that the ARMA model cannot cope with the actual problem.

システムへの入力を考慮した離散時間線形モデルとして、ARMAX(AutoregressiveMoving Average with exogenous input:外生入力自己回帰移動平均)モデルが従来用いられている。システムから得られた複数のデータからなる標本時系列{xn:n=1,2,…}を定常エルゴード的正規過程x(t)の標本時系列であるとすると、(p,m,q)次のARMAXモデルは、下記(2)式で表される。 As a discrete-time linear model considering the input to the system, an ARMAX (Autoregressive Moving Average with exogenous input) model is conventionally used. If a sample time series {x n : n = 1, 2,...} Consisting of a plurality of data obtained from the system is a sample time series of a stationary ergodic normal process x (t), (p, m, q ) The next ARMAX model is expressed by the following equation (2).

Figure 2005242580
Figure 2005242580

ここで、{en }は平均値0及び分散σe 2の正規性白色雑音であり、{un }はシステムに対する入力時系列である。また{ai :i=1,2,…,p}、{ci :i=1,2,…,m}及び{bi:i=1,2,…,q}はARMAXモデルのパラメータである。また、(2)式は定常条件を満たすとする。現代制御理論では、q≦p,m≦pとなることは周知である。以下、簡単にするためにq=m=pとして議論を進める。
ベクトルZn 及びベクトルθを下記のように定義する。
n =[-xn-1,…,-xn-p,un-1,…,un-p,en-1,…,en-pT
θ=[a1,…,ap,c1,…,cp,b1,…,bpT
(2)式をxn についての式に書き直すと、(2)式は下記(3)式で表すことができる。
n =θTn+en …(3)
Here, {e n } is a normal white noise with mean value 0 and variance σ e 2 , and {u n } is an input time series for the system. {A i : i = 1, 2,..., P}, {c i : i = 1, 2,..., M} and {b i : i = 1, 2,. It is. Further, it is assumed that the equation (2) satisfies a steady condition. In modern control theory, it is well known that q ≦ p and m ≦ p. In the following, for simplicity, the discussion proceeds with q = m = p.
The vector Z n and the vector θ are defined as follows.
Z n = [-x n-1 , ...,-x np , u n-1 , ..., u np , e n-1 , ..., e np ] T
θ = [a 1 , ..., a p , c 1 , ..., c p , b 1 , ..., b p ] T
When formula (2) is rewritten to formula for x n , formula (2) can be expressed by formula (3) below.
x n = θ T Z n + e n (3)

N個のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…,N}及び入力時系列{un:n=1,2,…,N}が得られたとき、ベクトルθを時系列から最小二乗法により求めるためには、(3)式から得られる下記(4)式の右辺を最小にするθを求めればよい。 When a sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} and an input time series {u n : n = 1, 2,. In order to obtain from the time series by the method of least squares, θ that minimizes the right side of the following equation (4) obtained from equation (3) may be obtained.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

従って、(4)式の右辺をθで偏微分して0に等しいとすることにより、N個のデータからなる標本時系列{xn }及び入力時系列{un }から推定したベクトルθの推定値θN は、下記(5)式で与えられる。 Therefore, the right side of the equation (4) is partially differentiated by θ and equal to 0, so that the vector θ estimated from the sample time series {x n } and the input time series {u n } composed of N data is obtained. The estimated value θ N is given by the following equation (5).

Figure 2005242580
Figure 2005242580

k≧0としてラグがkである{xn }の自己相関関数をRkとすると、自己相関関数の定義によりRk 及びR-kは下記式で表すことができる。ここで、E[yn]は、データ列{yn :n=1,2,…}の期待値である。
k =E[xnn+k ], R-k=Rk
If k ≧ 0 and the autocorrelation function of {x n } with a lag of k is R k , R k and R −k can be expressed by the following equations according to the definition of the autocorrelation function. Here, E [y n ] is an expected value of the data string {y n : n = 1, 2,.
R k = E [x n x n + k ], R −k = R k

同様に、{un }の自己相関関数をWk とすると、Wk 及びW-kは下記式で表すことができる。
k =E[unn+k ], W-k=Wk
Similarly, if the autocorrelation function of {u n } is W k , W k and W −k can be expressed by the following equations.
W k = E [u n u + k ], W −k = W k

同様に、{en }の自己相関関数をSとすると、S及びS-kは下記式で表すことができる。
=E[enn+k ], S-k=Sk
Similarly, if the autocorrelation function of {e n } is S k , S k and S −k can be expressed by the following equations.
S k = E [en n + k ], S −k = S k

{xn }と{en}との相互相関関数については、Tk 及びT-kを下記式で定義する。
k =E[enn+k ], T-k=E[enn-k
このとき、{xn }と{en}との夫々の相互相関関数は下記式で表される。
E[xnn-k ]=E[enn+k ]=Tk
E[xnn+k ]=E[enn-k ]=T-k
For the cross-correlation function between {x n } and {e n }, T k and T −k are defined by the following equations.
T k = E [e n x n + k], T -k = E [e n x nk]
At this time, the respective cross-correlation functions of {x n } and {e n } are expressed by the following equations.
E [x n e nk ] = E [e n x n + k ] = T k
E [x n e n + k ] = E [e n x nk ] = T −k

{xn }と{un}との相互相関関数についても、Vk 及びV-kを下記式で定義する。
k =E[unn+k ], V-k=E[unn-k
このとき、{xn }と{un}との夫々の相互相関関数は下記式で表される。
E[xnn-k ]=E[unn+k ]=Vk
E[xnn+k ]=E[unn-k ]=V-k
For the cross-correlation function between {x n } and {u n }, V k and V −k are defined by the following equations.
V k = E [u n x n + k], V -k = E [u n x nk]
At this time, the respective cross-correlation functions of {x n } and {u n } are expressed by the following equations.
E [x n u nk ] = E [u n x n + k ] = V k
E [x n u n + k ] = E [u n x nk ] = V −k

{un }と{en}との相互相関関数についても、Qk 及びQ-kを下記式で定義する。
k =E[enn+k ], Q-k=E[unn+k
このとき、{un }と{en}との夫々の相互相関関数は下記式で表される。
E[unn-k ]=E[enn+k ]=Qk
E[unn+k ]=E[enn-k ]=Q-k
Also for the cross-correlation function between {u n } and {e n }, Q k and Q −k are defined by the following equations.
Q k = E [e n u n + k], Q -k = E [u n e n + k]
At this time, the respective cross-correlation functions of {u n } and {e n } are expressed by the following equations.
E [u n e nk ] = E [e n u n + k ] = Q k
E [u n e + k ] = E [e n u nk ] = Q −k

ベクトルa,b,cを下記式で定義する。
a=[a1 ,a2 ,…,apT
b=[b1 ,b2 ,…,bpT
c=[c1 ,c2 ,…,cpT
Vectors a, b, and c are defined by the following equations.
a = [a 1 , a 2 ,..., a p ] T
b = [b 1 , b 2 ,..., b p ] T
c = [c 1 , c 2 ,..., c p ] T

(5)式においてN→∞とすると、(5)式の左辺はθN →θとなり、(5)式の右辺は{xn },{un },{en }の自己相関関数及び相互相関関数で記述できる。従って、(5)式は下記(6)式で表すことができる。 If N → ∞ in equation (5), the left side of equation (5) is θ N → θ, and the right side of equation (5) is the autocorrelation function of {x n }, {u n }, {e n } and It can be described by a cross-correlation function. Therefore, the formula (5) can be expressed by the following formula (6).

Figure 2005242580
Figure 2005242580

但し、R,V’,T’,W,S’,Q’はp行p列の行列であって、夫々下記(7),,(8),(9),(10),(11),(12)式で表される。また、r,v,tはp行一列の行列であって、下記(13)式で表される。   Here, R, V ′, T ′, W, S ′, and Q ′ are p-by-p matrix, and (7), (8), (9), (10), and (11) below. , (12). Further, r, v, and t are p rows and columns, and are expressed by the following equation (13).

Figure 2005242580
Figure 2005242580

Figure 2005242580
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Figure 2005242580
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Figure 2005242580
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Figure 2005242580
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Figure 2005242580
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Figure 2005242580
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(6)式を書き直すと、下記の連立方程式が得られる。
Ra−V’c−T’b=−r …(14)
−V’T a+Wc+Q’b=v …(15)
−T’T a+Q’T c+S’b=t …(16)
この連立方程式(14)〜(16)を解くことにより、ベクトルa,b,cを計算することができる。
When the equation (6) is rewritten, the following simultaneous equations are obtained.
Ra−V′c−T′b = −r (14)
−V ′ T a + Wc + Q′b = v (15)
−T ′ T a + Q ′ T c + S′b = t (16)
The vectors a, b, and c can be calculated by solving the simultaneous equations (14) to (16).

疑似線形回帰法を用いてARMAXモデルのパラメータの推定値であるベクトルa,b,cを求めるためには、白色雑音{en }を乱数などを用いて生成し、生成した{en}と{xn }及び{un}とから、ベクトルa,b,cを(14)〜(16)式により計算し、計算したベクトルa,b,cから(2)式を用いて新たな白色雑音{en }を計算し、ベクトルa,b,cが収束するまで計算を繰り返す。
竹安数博、外3名,「ロバストなブートストラップ型システム同定アルゴリズム」,Journal of Signal Processing,信号処理学会,2003年3月,第7巻,第2号,p.167−176
In order to obtain the vectors a, b, and c that are estimated values of the parameters of the ARMAX model using the pseudo linear regression method, white noise {e n } is generated using random numbers and the generated {e n } and From {x n } and {u n }, vectors a, b, and c are calculated according to equations (14) to (16), and a new white color is calculated from the calculated vectors a, b, and c using equation (2). Noise {e n } is calculated, and the calculation is repeated until the vectors a, b, and c converge.
Kazuhiro Takeyasu, 3 others, “Robust Bootstrap System Identification Algorithm”, Journal of Signal Processing, Signal Processing Society of Japan, March 2003, Vol. 7, No. 2, p. 167-176

前述の如き疑似線形回帰法は、問題の性質によっては、求めるべきパラメータであるベクトルa,b,cが収束せず、パラメータの推定ができない場合があるという問題がある。また、前述の方法では、ベクトルa,b,cを計算するためにp行p列の行列R,V’,T’,W,S’,Q’を用いた行列計算を行う必要があるため、計算時間が長いという問題があった。   The pseudo linear regression method as described above has a problem that, depending on the nature of the problem, the vectors a, b, and c, which are parameters to be obtained, do not converge and the parameters cannot be estimated. Further, in the above-described method, it is necessary to perform matrix calculation using p-by-p matrix R, V ′, T ′, W, S ′, Q ′ in order to calculate vectors a, b, c. There was a problem that the calculation time was long.

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、外部入力を考慮に入れたARMAXモデルのパラメータの値の収束を容易にし、同時に計算時間の短縮を図ることができるパラメータ推定方法、データ予測方法、パラメータ推定装置、データ予測装置、及びコンピュータプログラムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to facilitate convergence of parameter values of the ARMAX model taking external input into account while simultaneously reducing calculation time. A parameter estimation method, a data prediction method, a parameter estimation device, a data prediction device, and a computer program are provided.

第1発明に係るパラメータ推定方法は、記憶部及び演算部を備えたコンピュータを用いて、複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}及び入力時系列{un:n=1,2,…}を(p,p,p)次(但し、pは自然数)のARMAXモデルに当てはめたときのパラメータを推定する方法において、前記標本時系列及び前記入力時系列を前記記憶部で記憶し、下記式で定義される行列R,W,V,r,vを前記記憶部で記憶し、 The parameter estimation method according to the first aspect of the present invention uses a computer including a storage unit and a calculation unit, and a sample time series {x n : n = 1, 2,...} And an input time series {u n consisting of a plurality of data. In the method of estimating parameters when n = 1, 2,...} Is applied to a (p, p, p) order (where p is a natural number) ARMAX model, the sample time series and the input time series are Storing in the storage unit, storing the matrix R, W, V, r, v defined by the following formula in the storage unit;

Figure 2005242580
Figure 2005242580

平均値が0である複数のランダムなデータからなる白色雑音{en :n=1,2,…}を前記演算部で生成し、前記演算部で生成した白色雑音の分散σe 2を前記演算部で計算し、下記式で定義される行列T及びtを前記演算部で計算し、 White noise {e n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of random data having an average value of 0 is generated by the arithmetic unit, and the variance σ e 2 of the white noise generated by the arithmetic unit is The calculation unit calculates the matrices T and t defined by the following formulas in the calculation unit,

Figure 2005242580
Figure 2005242580

前記ARMAXモデルにおける前記標本時系列に係るp個のパラメータを行列要素とするベクトルa=[a1 ,a2 ,…,apT、前記入力時系列に係るp個のパラメータを行列要素とする行列c=[c1 ,c2 ,…,cpT及び前記白色雑音に係るp個のパラメータを行列要素とする行列b=[b1 ,b2 ,…,bpTを、下記式に基づいて前記演算部で計算し、 Vector a = [a 1 , a 2 ,..., A p ] T with p parameters related to the sample time series in the ARMAX model as matrix elements, and p parameters related to the input time series as matrix elements C = [c 1 , c 2 ,..., C p ] T and a matrix b = [b 1 , b 2 ,..., B p ] T having p parameters related to the white noise as matrix elements, Calculated by the calculation unit based on the following formula,

Figure 2005242580
Figure 2005242580

前記演算部で計算したベクトルa、b及びcに含まれる前記ARMAXモデルのパラメータ、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列値を前記ARMAモデルの式に代入して、新たな白色雑音を前記演算部で計算し、前記演算部で計算した新たな白色雑音を用いて新たなベクトルa、b及びcを前記演算部で計算し、ベクトルa、b及びcが収束するまでベクトルa、b及びcの計算を前記演算部で繰り返すことを特徴とする。   Substituting the parameters of the ARMAX model included in the vectors a, b and c calculated by the arithmetic unit, the sample time series and the input time series value into the formula of the ARMA model, and calculating a new white noise The new vectors a, b and c are calculated by the calculation unit using the new white noise calculated by the calculation unit, and the vectors a, b and c are converged until the vectors a, b and c converge. The calculation is repeated in the calculation unit.

第2発明に係るデータ予測方法は、記憶部及び演算部を備えたコンピュータを用いて、入力を伴う系から得られる複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}、及び前記系へ入力される複数のデータからなる入力時系列{un:n=1,2,…}から、前記標本時系列に加わるべき新たなデータを予測する方法において、前記標本時系列及び前記入力時系列を前記記憶部で記憶し、第1発明に係るパラメータ推定方法を用いて、前記標本時系列及び前記入力時系列をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を前記演算部で計算し、前記演算部で計算した前記パラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列を前記ARMAモデルの式に代入して、前記標本時系列に加わるべき新たなデータの予測値を前記演算部で計算することを特徴とする。 A data prediction method according to a second aspect of the present invention is a sample time series {x n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of data obtained from a system with input using a computer having a storage unit and a calculation unit. , And a method for predicting new data to be added to the sample time series from an input time series {u n : n = 1, 2,... And storing the input time series in the storage unit, and using the parameter estimation method according to the first aspect of the invention, the calculation unit calculates an estimated value of the parameter when the sample time series and the input time series are applied to the ARMX model. Substituting the estimated parameter values calculated by the calculation unit, the sample time series and the input time series into the formula of the ARMA model, and predicting new data to be added to the sample time series. And calculating the value by the arithmetic unit.

第3発明に係るパラメータ推定装置は、複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}及び入力時系列{un:n=1,2,…}を(p,p,p)次(但し、pは自然数)のARMAXモデルに当てはめたときのパラメータを推定する装置において、前記標本時系列及び前記入力時系列を記憶する手段と、下記式で定義される行列R,W,V,r,vを記憶する手段と、 The parameter estimation device according to the third aspect of the present invention provides a sample time series {x n : n = 1, 2,...} And an input time series {u n : n = 1, 2,. p, p) In an apparatus for estimating parameters when applied to an ARMAX model of the order (where p is a natural number), means for storing the sample time series and the input time series, and a matrix R defined by the following equation , W, V, r, v for storing,

Figure 2005242580
Figure 2005242580

平均値が0である複数のランダムなデータからなる白色雑音{en :n=1,2,…}を生成する手段と、該手段が生成した白色雑音の分散σe 2を計算する手段と、下記式で定義される行列T及びtを計算する手段と、 Means for generating white noise {e n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of random data having an average value of 0; and means for calculating a variance σ e 2 of the white noise generated by the means; Means for calculating matrices T and t defined by:

Figure 2005242580
Figure 2005242580

前記ARMAXモデルにおける前記標本時系列に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とするベクトルa=[a1 ,a2 ,…,apT、前記入力時系列に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とする行列c=[c1 ,c2 ,…,cpT 及び前記白色雑音に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とする行列b=[b1 ,b2 ,…,bpT を、下記式に基づいて計算する手段と、 The vector a = [a 1 , a 2 ,..., A p ] T having matrix elements as estimated values of p parameters related to the sample time series in the ARMAX model, and p parameters related to the input time series A matrix c = [c 1 , c 2 ,..., C p ] T having an estimated value as a matrix element and a matrix b = [b 1 , b 2 having an estimated value of p parameters related to the white noise as matrix elements. , ..., b p ] T , based on the following formula:

Figure 2005242580
Figure 2005242580

該手段が計算したベクトルa、b及びcに含まれる前記ARMAXモデルのパラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列値を前記ARMAモデルの式に代入して、新たな白色雑音を計算する手段と、該手段が計算した新たな白色雑音を用いて新たなベクトルa、b及びcを計算する手段と、ベクトルa、b及びcが収束するまでベクトルa、b及びcの計算を繰り返す手段とを備えることを特徴とする。   Substituting the estimated values of the parameters of the ARMAX model included in the vectors a, b and c calculated by the means, the sample time series and the input time series values into the formula of the ARMA model, new white noise is obtained. Means for calculating, means for calculating new vectors a, b and c using the new white noise calculated by the means, and calculating vectors a, b and c until the vectors a, b and c converge. And means for repeating.

第4発明に係るデータ予測装置は、入力を伴う系から得られる複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}、及び前記系へ入力される複数のデータからなる入力時系列{un:n=1,2,…}から、前記標本時系列に加わるべき新たなデータを予測する装置において、前記標本時系列及び前記入力時系列を記憶する手段と、第3発明に係るパラメータ推定装置と、該パラメータ推定装置を用いて、前記標本時系列及び前記入力時系列をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を計算する手段と、該手段が計算した前記パラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列を前記ARMAモデルの式に代入して、前記標本時系列に加わるべき新たなデータの予測値を計算する手段とを備えることを特徴とする。 A data prediction apparatus according to a fourth aspect of the present invention comprises a sample time series {x n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of data obtained from a system with input, and a plurality of data input to the system. Means for predicting new data to be added to the sample time series from the input time series {u n : n = 1, 2,...}, A means for storing the sample time series and the input time series; A parameter estimation apparatus according to the invention; means for calculating an estimated value of the parameter when the sample time series and the input time series are applied to an ARMAX model using the parameter estimation apparatus; and the parameter calculated by the means And means for substituting the sample time series and the input time series into the formula of the ARMA model to calculate a predicted value of new data to be added to the sample time series. And butterflies.

第5発明に係るコンピュータプログラムは、複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}及び入力時系列{un:n=1,2,…}、並びに下記式で定義される行列R,W,V,r,vを記憶するコンピュータに、 A computer program according to the fifth aspect of the present invention includes a sample time series {x n : n = 1, 2,...} And an input time series {u n : n = 1, 2,. In a computer storing the defined matrices R, W, V, r, v,

Figure 2005242580
Figure 2005242580

前記標本時系列及び前記入力時系列を(p,p,p)次(但し、pは自然数)のARMAXモデルに当てはめたときのパラメータを推定させるコンピュータプログラムであって、コンピュータに、平均値が0である複数のランダムなデータからなる白色雑音{en :n=1,2,…}を生成させる手順と、コンピュータに、生成した白色雑音の分散σe 2を計算させる手順と、コンピュータに、下記式で定義される行列T及びtを計算させる手順と、 A computer program for estimating parameters when the sample time series and the input time series are applied to an (MAX) model of (p, p, p) order (where p is a natural number), and the computer has an average value of 0 A procedure for generating white noise {e n : n = 1, 2,...} Consisting of a plurality of random data, a procedure for causing a computer to calculate a variance σ e 2 of the generated white noise, A procedure for calculating matrices T and t defined by the following formulas:

Figure 2005242580
Figure 2005242580

コンピュータに、前記ARMAXモデルにおける前記標本時系列に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とするベクトルa=[a1 ,a2 ,…,apT、前記入力時系列に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とする行列c=[c1 ,c2 ,…,cpT 及び前記白色雑音に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とする行列b=[b1 ,b2 ,…,bpT を、下記式に基づいて計算させる手順と、 The computer has a vector a = [a 1 , a 2 ,..., A p ] T having p parameter estimated values related to the sample time series in the ARMAX model, p pieces related to the input time series. Matrix c = [c 1 , c 2 ,..., C p ] T having the estimated values of the parameters in the matrix element and matrix b = [b 1 having the estimated values of the p parameters related to the white noise as matrix elements. , B 2 ,..., B p ] T based on the following equation:

Figure 2005242580
Figure 2005242580

コンピュータに、計算したベクトルa、b及びcに含まれる前記ARMAXモデルのパラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列値を前記ARMAモデルの式に代入して、新たな白色雑音を計算させる手順と、コンピュータに、計算した新たな白色雑音を用いて新たなベクトルa、b及びcを計算させる手順と、コンピュータに、ベクトルa、b及びcが収束するまでベクトルa、b及びcの計算を繰り返させる手順とを含むことを特徴とする。   Substituting the estimated values of the parameters of the ARMAX model included in the calculated vectors a, b, and c, the sample time series and the input time series values into the formula of the ARMA model, and calculating a new white noise. A procedure for calculating, a procedure for causing the computer to calculate new vectors a, b and c using the calculated new white noise, and a vector for the vectors a, b and c until the vectors a, b and c converge. And a procedure for repeating the calculation.

第6発明に係るコンピュータプログラムは、入力を伴う系から得られる複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}、及び前記系へ入力される複数のデータからなる入力時系列{un:n=1,2,…}を記憶するコンピュータに、前記標本時系列に加わるべき新たなデータを予測させるコンピュータプログラムであって、コンピュータに、第1発明に係るパラメータ推定方法を用いて、前記標本時系列及び前記入力時系列をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を計算させる手順と、コンピュータに、計算した前記パラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列を前記ARMAモデルの式に代入して、前記標本時系列に加わるべき新たなデータの予測値を計算させる手順とを含むことを特徴とする。 A computer program according to a sixth aspect of the present invention is a sample time series {x n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of data obtained from a system with input, and an input composed of a plurality of data input to the system A computer program for storing a time series {u n : n = 1, 2,...} For predicting new data to be added to the sample time series. , A procedure for calculating an estimated value of a parameter when the sample time series and the input time series are applied to an ARMAX model, and a computer that calculates the estimated value of the parameter, the sample time series, and the input Substituting the time series into the formula of the ARMA model and calculating a predicted value of new data to be added to the sample time series. And butterflies.

本発明者は、ARMAXモデルの式の構成から導かれるa priori knowledgeを導入することにより、従来の疑似線形回帰法の改良を試みた。まず正規性雑音{en }の自己相関関数を考える。正規性白色雑音{en}に含まれる各要素は互いに関連性がないので、{en }の自己相関関数Sは理論的に下記式で表すことができる。 The present inventor tried to improve the conventional quasi-linear regression method by introducing a priori knowledge derived from the construction of the formula of the ARMAX model. First, consider the autocorrelation function of normal noise {e n }. Since the elements included in the normal white noise {e n } are not related to each other, the autocorrelation function S k of {e n } can be theoretically expressed by the following equation.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

従って、(11)式で定義される行列S’に理論的な値を導入することによって行列S’を改良した行列Sは、単位行列をIとして下記式で表される。   Therefore, a matrix S obtained by improving the matrix S ′ by introducing a theoretical value into the matrix S ′ defined by the equation (11) is represented by the following equation, where I is a unit matrix.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

次に、{xn }と{en}との相互相関関数を考える。(2)式で示されるARMAXモデルでは、現在のxn の値は過去のen の値に関連づけられている。しかし、現在のxnの値は未来のen の値とは関連性がないので、xn とこのデータよりも未来のen との相互相関関数は下記式で表すことができる。
E[xnn+k ]=0
同様に下記式が成り立つ。
E[enn-k ]=0
従って、T-k=0となる。また(2)式より現在のxn の値と現在のen の値とは関連性があるので、T0≠0である。従って、(9)式で定義される行列T’に理論的な値を導入することによって行列T’を改良した行列Tは下記式で表される。
Next, consider the cross-correlation function between {x n } and {e n }. In the ARMAX model expressed by equation (2), the current value of x n is related to the past value of e n . However, the current value of x n is because there is no relevance to the value of future e n, the cross-correlation function between e n the future than the data and x n can be expressed by the following equation.
E [x n e n + k ] = 0
Similarly, the following equation holds.
E [e n x nk] = 0
Therefore, T −k = 0. Further, from the equation (2), since the current value of x n and the current value of e n are related, T 0 ≠ 0. Accordingly, the matrix T obtained by improving the matrix T ′ by introducing theoretical values into the matrix T ′ defined by the equation (9) is expressed by the following equation.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

{xn }と{un }との相互相関関数についても、同様に、現在のxnの値は過去のun の値に関連づけられているが、現在のxn の値は未来のun の値とは関連性がないので、下記式が成り立つ。
E[xnn+k ]=E[unn-k ]=V-k=0
また(2)式より現在のxn の値と現在のun の値とは関連性がないので、V0 =0である。従って、(8)式で定義される行列V’に理論的な値を導入することによって行列V’を改良した行列Vは下記式で表される。
Similarly, for the cross-correlation function between {x n } and {u n }, the current x n value is related to the past u n value, but the current x n value is the future u n value. Since it is not related to the value of n, the following equation holds.
E [x n u n + k ] = E [u n x nk ] = V −k = 0
Further, since the current value of x n is not related to the current value of u n from the equation (2), V 0 = 0. Accordingly, the matrix V obtained by improving the matrix V ′ by introducing theoretical values into the matrix V ′ defined by the equation (8) is expressed by the following equation.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

更に、入力時系列{un }と正規性白色雑音{en }とは無相関であるはずであるので、下記式に示す如く{un }と{en}との相互相関関数は全て0となる。
E[enn+k ]=E[unn-k ]=Qk=0
E[enn-k ]=E[unn+k ]=Q-k=0
従って、(12)式で定義される行列Q’に理論的な値を導入することによって行列Q’を改良した行列Qは、ゼロ行列をOとして下記式で表される。
Q=O …(21)
Furthermore, since the input time series {u n } and the normal white noise {e n } should be uncorrelated, the cross-correlation functions between {u n } and {e n } are all as shown in the following equation. 0.
E [e n u n + k ] = E [u n e nk ] = Q k = 0
E [u n nk ] = E [u n e + k ] = Q −k = 0
Accordingly, the matrix Q obtained by improving the matrix Q ′ by introducing a theoretical value into the matrix Q ′ defined by the equation (12) is represented by the following equation, where the zero matrix is O.
Q = O (21)

N個のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…,N}及び入力時系列{un:n=1,2,…,N}が得られたときに各自己相関関数及び各相互相関関数を計算した場合は、Nの値が有限であるので相互相関関数及び自己相関関数の値は理論的な値とは違った値となる。この実際に計算される値の内、理論的な値が得られる部分は理論的な値と置き換えることにより、ARMAXモデルのパラメータを求めるための(6)式は下記式で表すことができるようになる。 Each autocorrelation is obtained when a sample time series {x n : n = 1, 2,..., N} and an input time series {u n : n = 1, 2,. When the function and each cross-correlation function are calculated, since the value of N is finite, the values of the cross-correlation function and the autocorrelation function are different from the theoretical values. Of the actually calculated values, the part where the theoretical value is obtained is replaced with the theoretical value, so that the expression (6) for obtaining the parameters of the ARMAX model can be expressed by the following expression. Become.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

(22)式を書き直すと、下記の連立方程式が得られる。
Ra−Vc−Tb=−r …(23)
−VT a+Wc=v …(24)
−TT a+σe 2b=t …(25)
(25)式及び(24)より、下記の(26)式及び(27)式が得られる。
b=(t+TT a)/σe 2 …(26)
c=W-1(v+VT a) …(27)
(26)式及び(27)式を(23)式に代入することにより、下記(28)式が得られる。
When the equation (22) is rewritten, the following simultaneous equations are obtained.
Ra-Vc-Tb = -r (23)
−V T a + Wc = v (24)
-T T a + σ e 2 b = t (25)
From the equations (25) and (24), the following equations (26) and (27) are obtained.
b = (t + T T a) / σ e 2 (26)
c = W −1 (v + V T a) (27)
By substituting the equations (26) and (27) into the equation (23), the following equation (28) is obtained.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

(28)式よりベクトルaを計算することができる。計算したベクトルaを(26)式及び(27)式へ代入することにより、ベクトルb及びベクトルcを計算することができる。ARMAXモデルのパラメータの推定値であるベクトルa,b,cを求めるためには、白色雑音{en }を乱数などを用いて生成し、生成した{en}と{xn }及び{un}とから、ベクトルa,b,cを(26)〜(28)式により計算し、計算したベクトルa,b,cから(2)式を用いて新たな白色雑音{en }を計算し、ベクトルa,b,cが収束するまで計算を繰り返す。 The vector a can be calculated from the equation (28). By substituting the calculated vector a into the equations (26) and (27), the vector b and the vector c can be calculated. In order to obtain the vectors a, b, and c that are estimated values of the parameters of the ARMAX model, white noise {e n } is generated using random numbers and the like, and the generated {e n }, {x n }, and {u since the n}, the vector a, b, and c (26) were calculated to (28), computed vectors a, b, calculates the new white noise using the c (2) wherein {e n} The calculation is repeated until the vectors a, b, and c converge.

第1、第3及び第5発明においては、入力を伴う系から得られた複数のデータからなる標本時系列{xn }及び系へ入力された複数のデータからなる入力時系列{un }をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を、入力時系列の自己相関関数、白色雑音の自己相関関数、標本時系列と入力時系列との相互相関関数、標本時系列と白色雑音の相互相関関数、及び入力時系列と白色雑音との相互相関関数に理論的な値を用いた(26)〜(28)式により計算する。 In the first, third and fifth inventions, a sample time series {x n } composed of a plurality of data obtained from a system with input and an input time series {u n } composed of a plurality of data input to the system Are applied to the ARMAX model, the estimated parameter values are input time series autocorrelation function, white noise autocorrelation function, sample time series and input time series cross correlation function, sample time series and white noise mutual Calculation is performed according to equations (26) to (28) using theoretical values for the correlation function and the cross-correlation function between the input time series and white noise.

第2、第4及び第6発明においては、(26)〜(28)式により計算したARMAXモデルのパラメータの推定値を用い、標本時系列{xn }に加わるべき新たなデータの予測値を計算する。 In the second, fourth and sixth inventions, the estimated value of the new data to be added to the sample time series {x n } is calculated using the estimated value of the parameter of the ARMAX model calculated by the equations (26) to (28). calculate.

第1、第3及び第5発明にあっては、入力を伴う系から得られた複数のデータからなる標本時系列{xn }及び系へ入力された複数のデータからなる入力時系列{un }をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を計算する際に、白色雑音の自己相関関数、標本時系列と入力時系列との相互相関関数、標本時系列と白色雑音の相互相関関数、及び入力時系列と白色雑音との相互相関関数に理論的な値を用いて計算することにより、従来の疑似線形回帰法でパラメータの推定値の収束が困難であった場合についても、パラメータの推定値の収束が容易となる。またパラメータが収束する確率が向上するので、パラメータ推定の計算時間を短縮する事ができる。 In the first, third, and fifth inventions, the sample time series {x n } composed of a plurality of data obtained from a system with input and the input time series {u} composed of a plurality of data input to the system n }, when calculating the estimated parameter values when applied to the ARMAX model, autocorrelation function of white noise, cross-correlation function between sample time series and input time series, cross-correlation function between sample time series and white noise , And by calculating the cross-correlation function between the input time series and white noise using theoretical values, it is difficult to converge the parameter estimates using the conventional quasi-linear regression method. The convergence of the estimated value becomes easy. In addition, since the probability that the parameter converges is improved, the calculation time for parameter estimation can be shortened.

第2、第4及び第6発明にあっては、系から得られるデータの値が過去のデータの値と雑音と更に系への入力とから決定されるARMAXモデルのパラメータの推定値を用いて新たなデータの予測値を計算することにより、株の取引量に影響される株価の値、又は商品の入荷量に影響される商品の販売量など、外部入力に影響される系から得られるデータの値を推定することができる。従って、株価又は商品の販売量などの予測をより現実に即して行うことができる等、本発明は優れた効果を奏する。   In the second, fourth, and sixth inventions, using the estimated value of the parameter of the ARMAX model, the value of the data obtained from the system is determined from the past data value, noise, and further the input to the system. Data obtained from systems that are affected by external inputs, such as the value of a stock price that is affected by the trading volume of a stock or the sales volume of a product that is affected by the arrival volume of a product, by calculating a predicted value of new data Can be estimated. Therefore, the present invention has an excellent effect, such as predicting the stock price or the sales volume of the product more realistically.

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
図1は、本発明のデータ予測装置の構成を示すブロック図である。データ予測装置1は、本発明のパラメータ推定装置としての機能を兼ね備えており、汎用コンピュータを用いて構成されている。データ予測装置1は、演算を行うCPU(演算部)11と、演算に伴って発生する一時的な情報を記憶するRAM(記憶部)12と、CD−ROMドライブ等の外部記憶装置13と、ハードディスク等の内部記憶装置14とを備えている。CPU11は、CD−ROM等の記録媒体2から本発明のコンピュータプログラム20を外部記憶装置13にて読み取り、読み取ったコンピュータプログラム20を内部記憶装置14に記憶させる。コンピュータプログラム20は必要に応じて内部記憶装置14からRAM12へロードされ、ロードされたコンピュータプログラム20に基づいてCPU11はデータ予測装置1に必要な処理を実行する。データ予測装置1は、キーボード又はマウス等の入力装置15と、液晶ディスプレイ又はCRTディスプレイ等の出力装置16とを備えており、データの入力を初めとするオペレータからの操作を受け付ける構成となっている。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings showing embodiments thereof.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the data prediction apparatus of the present invention. The data prediction device 1 also has a function as a parameter estimation device of the present invention, and is configured using a general-purpose computer. The data prediction apparatus 1 includes a CPU (arithmetic unit) 11 that performs computation, a RAM (storage unit) 12 that stores temporary information generated along with the computation, an external storage device 13 such as a CD-ROM drive, And an internal storage device 14 such as a hard disk. The CPU 11 reads the computer program 20 of the present invention from the recording medium 2 such as a CD-ROM by the external storage device 13 and stores the read computer program 20 in the internal storage device 14. The computer program 20 is loaded from the internal storage device 14 to the RAM 12 as necessary, and the CPU 11 executes processing necessary for the data prediction device 1 based on the loaded computer program 20. The data prediction device 1 includes an input device 15 such as a keyboard or a mouse and an output device 16 such as a liquid crystal display or a CRT display, and is configured to accept operations from an operator such as data input. .

内部記憶装置14は、株価又は商品の販売量などの複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}と、株の取引量又は商品の入荷量など、標本時系列が得られる系に対して入力される複数のデータからなる入力時系列{un:n=1,2,…}とを記憶している。 The internal storage device 14 includes a sample time series {x n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of data such as stock prices or product sales volume, and a sample time series such as stock transaction volume or product arrival volume. Are stored as input time series {u n : n = 1, 2,...

なお、コンピュータプログラム20は、通信ネットワークNに接続されている図示しない外部のサーバ装置から本発明に係る状態監視装置1へロードされて内部記憶装置14に記憶される形態であってもよい。   The computer program 20 may be loaded from the external server device (not shown) connected to the communication network N to the state monitoring device 1 according to the present invention and stored in the internal storage device 14.

図2は、本発明のデータ予測装置1が行うパラメータ推定の処理およびデータ予測の処理を示すフローチャートである。データ予測装置1のCPU11は、RAM12にロードしたコンピュータプログラム20に従って以下の処理を行う。データ予測装置1のCPU11は、内部記憶装置14が記憶している標本時系列{xn }及び入力時系列{un }をRAM12に読み出す(S1)。CPU11は、次に、{xn }及び{un}に含まれるデータの値を用いて{xn }の自己相関関数Rk =E[xnn+k ],{un }の自己相関関数Wk =E[unn+k ],{xn }と{un }との相互相関関数Vk=E[unn+k ]を計算して、(7)式,(10)式,(20)式,(13)式で定義される行列R,W,V,r,vを計算する(S2)。CPU11は、次に、乱数生成のルーチンを用いて時刻の値を初期値として乱数を発生させる等の方法により、平均値が0である複数のランダムなデータからなる白色雑音{en:n=1,2,…}を生成し(S3)、生成した白色雑音{en }の分散σe 2を計算する(S4)。 FIG. 2 is a flowchart showing parameter estimation processing and data prediction processing performed by the data prediction apparatus 1 of the present invention. The CPU 11 of the data prediction apparatus 1 performs the following processing according to the computer program 20 loaded into the RAM 12. The CPU 11 of the data prediction apparatus 1 reads the sample time series {x n } and the input time series {u n } stored in the internal storage device 14 into the RAM 12 (S1). CPU11 then, of {x n} and autocorrelation function using the value of the data contained in the {u n} {x n} R k = E [x n x n + k], {u n} the autocorrelation function W k = E [u n u n + k], to calculate the cross-correlation between {x n} and {u n} function V k = E [u n x n + k], (7) Matrixes R, W, V, r, and v defined by equations (10), (20), and (13) are calculated (S2). CPU11 then, by a method such as generating a random number the value of time as an initial value using routine random number generation, the average value of 0 in a plurality of white noise consisting of random data {e n: n = 1, 2,...} Are generated (S3), and the variance σ e 2 of the generated white noise {e n } is calculated (S4).

CPU11は、次に、{xn }及び{en }に含まれるデータの値を用いて{xn }と{en }との相互相関関数Tk=E[enn+k ]を計算して、(19)式,(13)式で定義される行列T,tを計算する(S5)。CPU11は、次に、(28)式によりベクトルaを計算し、ベクトルaを(26)式及び(27)式へ代入することによりベクトルb及びベクトルcを計算することによって、{xn }及び{un }をARMAXモデルに当てはめたときのARMAXモデルのパラメータの推定値からなるベクトルa,b,cを計算する(S6)。 CPU11 then, {x n} and {e n} with the value of the data contained in {x n} and {e n} and the cross-correlation function T k = E of [e n x n + k] And the matrices T and t defined by the equations (19) and (13) are calculated (S5). Next, the CPU 11 calculates the vector a by the equation (28), and calculates the vector b and the vector c by substituting the vector a into the equations (26) and (27), thereby obtaining {x n } and {u n} the consisting estimates of the parameters of ARMAX model when fitted to ARMAX model vector a, b, calculates the c (S6).

CPU11は、次に、計算したベクトルa,b,cが収束しているか否かを判定する(S7)。このときCPU11は、例えば、最新のベクトルa,b,cと前回に計算したベクトルa,b,cであるベクトルa’=[a’1 ,a’2 ,…,a’pT,b’=[b’1 ,b’2 ,…,b’pT ,c’=[c’1,c’2 ,…,c’pT を用いて下記(29)式で定義されるDを計算し、計算したDが所定の微少量εに対してD<εである状態が所定回数連続で成立している場合にベクトルa,b,cが収束していると判定する。なお、その他の方法を用いてベクトルa,b,cの収束を判定する処理を用いてもよい。 Next, the CPU 11 determines whether or not the calculated vectors a, b, and c have converged (S7). At this time, for example, the CPU 11 has vectors a ′ = [a ′ 1 , a ′ 2 ,..., A ′ p ] T , b which are the latest vectors a, b, c and the previously calculated vectors a, b, c. '= [b' 1, b '2, ..., b' p] T, c '= [c' 1, c '2, ..., c' p] is defined by the following equation (29) using a T D is calculated, and it is determined that the vectors a, b, and c have converged when a state where D <ε is continuously established a predetermined number of times for a predetermined minute amount ε. In addition, you may use the process which determines the convergence of vector a, b, c using another method.

Figure 2005242580
Figure 2005242580

ステップS7にて、ベクトルa,b,cが収束していないと判定された場合は(S7:NO)、ベクトルa,b,cと{xn }及び{un }とをm=q=pとした(2)式へ代入して、新たな白色雑音{en:n=1,2,…}を計算し(S8)、処理をステップS4へ戻す。CPU11は、ステップS7にてベクトルa,b,cが収束したと判定されるまでステップS4〜S8の処理を繰り返す。 If it is determined in step S7 that the vectors a, b, c have not converged (S7: NO), the vectors a, b, c and {x n } and {u n } are expressed as m = q = Substituting p into equation (2), new white noise {e n : n = 1, 2,...} is calculated (S8), and the process returns to step S4. The CPU 11 repeats the processes in steps S4 to S8 until it is determined in step S7 that the vectors a, b, and c have converged.

ステップS7にて、ベクトルa,b,cが収束していると判定された場合は(S7:YES)、CPU11は、計算したベクトルa,b,c、{xn }、{un }、{en }を(2)式へ代入することにより、標本時系列{xn}に加わるべきデータの予測値、即ち株価又は商品の販売量などの予測データを計算する(S9)。なお、ステップS9では、入力時系列に加わる新たなデータ又は当該データの予測値を必要に応じて用いてもよい。以上の処理により、ARMAXモデルのパラメータが推定され、標本時系列に加わるべき新たなデータが予測できる。 When it is determined in step S7 that the vectors a, b, and c have converged (S7: YES), the CPU 11 calculates the calculated vectors a, b, c, {x n }, {u n }, By substituting {e n } into the equation (2), the predicted value of data to be added to the sample time series {x n }, that is, the predicted data such as the stock price or the sales amount of the product is calculated (S9). In step S9, new data added to the input time series or a predicted value of the data may be used as necessary. Through the above processing, the parameters of the ARMAX model are estimated, and new data to be added to the sample time series can be predicted.

以上詳述した如く、本発明においては、入力を伴う系から得られた複数のデータからなる標本時系列{xn }及び系へ入力された複数のデータからなる入力時系列{un }をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を計算する際に、白色雑音の自己相関関数、標本時系列と入力時系列との相互相関関数、標本時系列と白色雑音の相互相関関数、及び入力時系列と白色雑音との相互相関関数に理論的な値を用いて計算する。これにより、従来の疑似線形回帰法でパラメータの推定値の収束が困難であった場合についても、パラメータの推定値の収束が容易となる。またパラメータが収束する確率が向上するので、パラメータ推定の計算時間を短縮する事ができる。 As described above in detail, in the present invention, the sample time series {x n } composed of a plurality of data obtained from a system with input and the input time series {u n } composed of a plurality of data input to the system are used. When calculating parameter estimates when applied to the ARMAX model, white noise autocorrelation function, cross-correlation function between sample time series and input time series, cross-correlation function between sample time series and white noise, and input A theoretical value is used for the cross-correlation function between the time series and white noise. Accordingly, even when it is difficult to converge the parameter estimation value by the conventional pseudo linear regression method, the parameter estimation value can be easily converged. In addition, since the probability that the parameter converges is improved, the calculation time for parameter estimation can be shortened.

また、本発明においては、系から得られるデータの値が過去のデータの値と雑音と更に系への入力とから決定されるARMAXモデルを離散時間線形モデルとして用いることにより、株の取引量に影響される株価の値、又は商品の入荷量に影響される商品の販売量など、外部入力に影響される系から得られるデータの値を推定することができる。従って、株価又は商品の販売量などの予測をより現実に即して行うことができる。   In the present invention, the value of the data obtained from the system is determined from the past data value, noise, and the input to the system, and the ARMAX model is used as a discrete-time linear model. It is possible to estimate a value of data obtained from a system affected by an external input, such as an affected stock price value or a sales amount of a product affected by the arrival amount of the product. Accordingly, it is possible to make a prediction of the stock price or the sales volume of the product more realistically.

なお、本実施の形態においては、本発明のデータ予測装置は、内部で標本時系列{xn }及び入力時系列{un }を記憶している形態を示しているが、これに限るものではなく、標本時系列{xn }及び入力時系列{un }に含まれるデータを外部から受け付ける手段を備え、受け付けたデータについて予測データを計算する処理を行う形態であってもよい。 In the present embodiment, the data prediction apparatus of the present invention shows a mode in which the sample time series {x n } and the input time series {u n } are stored therein, but the present invention is not limited to this. Instead, it may be configured to include means for receiving data included in the sample time series {x n } and the input time series {u n } from the outside, and to perform a process of calculating prediction data for the received data.

また、本実施の形態においては、本発明のデータ予測装置1は、本発明のパラメータ推定装置の機能を兼ね備えている形態を示したが、これに限るものではなく、ARMAXモデルのパラメータの予測値を計算するパラメータ推定装置とARMAXモデルによりデータを予測するデータ予測装置とを夫々別のコンピュータにて構成し、互いに情報を入出力してパラメータの推定とデータの予測とを行う形態としても良い。   Further, in the present embodiment, the data prediction apparatus 1 of the present invention has a form that also has the function of the parameter estimation apparatus of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and the predicted value of the parameter of the ARMAX model The parameter estimation device for calculating the data and the data prediction device for predicting the data by the ARMAX model may be configured by separate computers, and the parameter estimation and the data prediction may be performed by inputting / outputting information to / from each other.

本発明のデータ予測装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the data prediction apparatus of this invention. 本発明のデータ予測装置が行うパラメータ推定の処理およびデータ予測の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the parameter estimation process and data prediction process which the data prediction apparatus of this invention performs.

符号の説明Explanation of symbols

1 データ予測装置(パラメータ推定装置)
11 CPU(演算部)
12 RAM(記憶部)
2 記録媒体
20 コンピュータプログラム
1 Data prediction device (parameter estimation device)
11 CPU (calculation unit)
12 RAM (storage unit)
2 Recording medium 20 Computer program

Claims (6)

記憶部及び演算部を備えたコンピュータを用いて、複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}及び入力時系列{un :n=1,2,…}を(p,p,p)次(但し、pは自然数)のARMAXモデルに当てはめたときのパラメータを推定する方法において、
前記標本時系列及び前記入力時系列を前記記憶部で記憶し、
下記式で定義される行列R,W,V,r,vを前記記憶部で記憶し、
Figure 2005242580
平均値が0である複数のランダムなデータからなる白色雑音{en :n=1,2,…}を前記演算部で生成し、
前記演算部で生成した白色雑音の分散σe 2を前記演算部で計算し、
下記式で定義される行列T及びtを前記演算部で計算し、
Figure 2005242580
前記ARMAXモデルにおける前記標本時系列に係るp個のパラメータを行列要素とするベクトルa=[a1 ,a2 ,…,apT 、前記入力時系列に係るp個のパラメータを行列要素とする行列c=[c1,c2 ,…,cpT 及び前記白色雑音に係るp個のパラメータを行列要素とする行列b=[b1,b2 ,…,bpT を、下記式に基づいて前記演算部で計算し、
Figure 2005242580
前記演算部で計算したベクトルa、b及びcに含まれる前記ARMAXモデルのパラメータ、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列値を前記ARMAモデルの式に代入して、新たな白色雑音を前記演算部で計算し、
前記演算部で計算した新たな白色雑音を用いて新たなベクトルa、b及びcを前記演算部で計算し、
ベクトルa、b及びcが収束するまでベクトルa、b及びcの計算を前記演算部で繰り返すこと
を特徴とするパラメータ推定方法。
A sample time series {x n : n = 1, 2,...} And an input time series {u n : n = 1, 2,. In a method of estimating parameters when applied to an (MAX) model of (p, p, p) (where p is a natural number),
Storing the sample time series and the input time series in the storage unit;
A matrix R, W, V, r, v defined by the following equation is stored in the storage unit,
Figure 2005242580
Generating white noise {e n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of random data having an average value of 0 in the arithmetic unit;
The white noise variance σ e 2 generated by the calculation unit is calculated by the calculation unit,
The calculation unit calculates the matrices T and t defined by the following equations,
Figure 2005242580
Vector a = [a 1 , a 2 ,..., A p ] T with p parameters related to the sample time series in the ARMAX model as matrix elements, and p parameters related to the input time series as matrix elements C = [c 1 , c 2 ,..., C p ] T and a matrix b = [b 1 , b 2 ,..., B p ] T having p parameters related to the white noise as matrix elements, Calculated by the calculation unit based on the following formula,
Figure 2005242580
Substituting the parameters of the ARMAX model included in the vectors a, b and c calculated by the arithmetic unit, the sample time series and the input time series value into the formula of the ARMA model, and calculating a new white noise Calculated in part
New vectors a, b and c are calculated using the new white noise calculated by the calculation unit.
A parameter estimation method characterized by repeating the calculation of the vectors a, b, and c in the computing unit until the vectors a, b, and c converge.
記憶部及び演算部を備えたコンピュータを用いて、入力を伴う系から得られる複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}、及び前記系へ入力される複数のデータからなる入力時系列{un:n=1,2,…}から、前記標本時系列に加わるべき新たなデータを予測する方法において、
前記標本時系列及び前記入力時系列を前記記憶部で記憶し、
請求項1に記載のパラメータ推定方法を用いて、前記標本時系列及び前記入力時系列をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を前記演算部で計算し、
前記演算部で計算した前記パラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列を前記ARMAモデルの式に代入して、前記標本時系列に加わるべき新たなデータの予測値を前記演算部で計算すること
を特徴とするデータ予測方法。
Using a computer including a storage unit and a calculation unit, a sample time series {x n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of data obtained from a system with input, and a plurality of data input to the system In a method for predicting new data to be added to the sample time series from an input time series {u n : n = 1, 2,.
Storing the sample time series and the input time series in the storage unit;
Using the parameter estimation method according to claim 1, an estimated value of a parameter when the sample time series and the input time series are applied to an ARMX model is calculated by the arithmetic unit,
Substituting the estimated value of the parameter calculated by the calculation unit, the sample time series and the input time series into the formula of the ARMA model, and calculating a predicted value of new data to be added to the sample time series A data prediction method characterized by calculating with
複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}及び入力時系列{un :n=1,2,…}を(p,p,p)次(但し、pは自然数)のARMAXモデルに当てはめたときのパラメータを推定する装置において、
前記標本時系列及び前記入力時系列を記憶する手段と、
下記式で定義される行列R,W,V,r,vを記憶する手段と、
Figure 2005242580
平均値が0である複数のランダムなデータからなる白色雑音{en :n=1,2,…}を生成する手段と、
該手段が生成した白色雑音の分散σe 2を計算する手段と、
下記式で定義される行列T及びtを計算する手段と、
Figure 2005242580
前記ARMAXモデルにおける前記標本時系列に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とするベクトルa=[a1 ,a2 ,…,apT、前記入力時系列に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とする行列c=[c1 ,c2 ,…,cpT 及び前記白色雑音に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とする行列b=[b1 ,b2 ,…,bpT を、下記式に基づいて計算する手段と、
Figure 2005242580
該手段が計算したベクトルa、b及びcに含まれる前記ARMAXモデルのパラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列値を前記ARMAモデルの式に代入して、新たな白色雑音を計算する手段と、
該手段が計算した新たな白色雑音を用いて新たなベクトルa、b及びcを計算する手段と、
ベクトルa、b及びcが収束するまでベクトルa、b及びcの計算を繰り返す手段と
を備えることを特徴とするパラメータ推定装置。
A sample time series {x n : n = 1, 2,...} And an input time series {u n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of data are (p, p, p) order (where p is In an apparatus for estimating parameters when applied to an ARMAX model of (natural number)
Means for storing the sample time series and the input time series;
Means for storing matrices R, W, V, r, v defined by the following equations:
Figure 2005242580
Means for generating white noise {e n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of random data having an average value of 0;
Means for calculating the variance σ e 2 of the white noise generated by the means;
Means for calculating the matrices T and t defined by:
Figure 2005242580
The vector a = [a 1 , a 2 ,..., A p ] T having matrix elements as estimated values of p parameters related to the sample time series in the ARMAX model, and p parameters related to the input time series A matrix c = [c 1 , c 2 ,..., C p ] T having an estimated value as a matrix element and a matrix b = [b 1 , b 2 having an estimated value of p parameters related to the white noise as matrix elements. , ..., b p ] T , based on the following formula:
Figure 2005242580
Substituting the estimated values of the parameters of the ARMAX model included in the vectors a, b and c calculated by the means, the sample time series and the input time series values into the formula of the ARMA model, new white noise is obtained. Means for calculating;
Means for calculating new vectors a, b and c using the new white noise calculated by the means;
Means for repeating the calculation of the vectors a, b and c until the vectors a, b and c converge.
入力を伴う系から得られる複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}、及び前記系へ入力される複数のデータからなる入力時系列{un:n=1,2,…}から、前記標本時系列に加わるべき新たなデータを予測する装置において、
前記標本時系列及び前記入力時系列を記憶する手段と、
請求項3に記載のパラメータ推定装置と、
該パラメータ推定装置を用いて、前記標本時系列及び前記入力時系列をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を計算する手段と、
該手段が計算した前記パラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列を前記ARMAモデルの式に代入して、前記標本時系列に加わるべき新たなデータの予測値を計算する手段と
を備えることを特徴とするデータ予測装置。
A sample time series {x n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of data obtained from a system with input, and an input time series {u n : n = 1 composed of a plurality of data input to the system , 2,... From a device for predicting new data to be added to the sample time series,
Means for storing the sample time series and the input time series;
The parameter estimation device according to claim 3,
Means for calculating an estimated value of a parameter when the sample time series and the input time series are applied to an ARMX model using the parameter estimation device;
Means for substituting the estimated value of the parameter calculated by the means, the sample time series and the input time series into an equation of the ARMA model, and calculating a predicted value of new data to be added to the sample time series; A data prediction apparatus comprising:
複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}及び入力時系列{un :n=1,2,…}、並びに下記式で定義される行列R,W,V,r,vを記憶するコンピュータに、
Figure 2005242580
前記標本時系列及び前記入力時系列を(p,p,p)次(但し、pは自然数)のARMAXモデルに当てはめたときのパラメータを推定させるコンピュータプログラムであって、
コンピュータに、平均値が0である複数のランダムなデータからなる白色雑音{en :n=1,2,…}を生成させる手順と、
コンピュータに、生成した白色雑音の分散σe 2を計算させる手順と、
コンピュータに、下記式で定義される行列T及びtを計算させる手順と、
Figure 2005242580
コンピュータに、前記ARMAXモデルにおける前記標本時系列に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とするベクトルa=[a1 ,a2 ,…,apT、前記入力時系列に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とする行列c=[c1 ,c2 ,…,cpT 及び前記白色雑音に係るp個のパラメータの推定値を行列要素とする行列b=[b1 ,b2 ,…,bpT を、下記式に基づいて計算させる手順と、
Figure 2005242580
コンピュータに、計算したベクトルa、b及びcに含まれる前記ARMAXモデルのパラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列値を前記ARMAモデルの式に代入して、新たな白色雑音を計算させる手順と、
コンピュータに、計算した新たな白色雑音を用いて新たなベクトルa、b及びcを計算させる手順と、
コンピュータに、ベクトルa、b及びcが収束するまでベクトルa、b及びcの計算を繰り返させる手順と
を含むことを特徴とするコンピュータプログラム。
Sample time series {x n : n = 1, 2,...} And input time series {u n : n = 1, 2,...} And a matrix R, W, V defined by the following equations , R, v in a computer storing
Figure 2005242580
A computer program for estimating parameters when the sample time series and the input time series are applied to an (MAX) model of (p, p, p) order (where p is a natural number),
A procedure for causing a computer to generate white noise {e n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of random data having an average value of 0;
A procedure for causing the computer to calculate the variance σ e 2 of the generated white noise,
A procedure for causing a computer to calculate matrices T and t defined by the following formulas:
Figure 2005242580
The computer has a vector a = [a 1 , a 2 ,..., A p ] T having p parameter estimated values related to the sample time series in the ARMAX model, p pieces related to the input time series. Matrix c = [c 1 , c 2 ,..., C p ] T having the estimated values of the parameters in the matrix element and matrix b = [b 1 having the estimated values of the p parameters related to the white noise as matrix elements. , B 2 ,..., B p ] T based on the following equation:
Figure 2005242580
Substituting the estimated values of the parameters of the ARMAX model included in the calculated vectors a, b, and c, the sample time series and the input time series values into the formula of the ARMA model, and calculating a new white noise. The procedure to calculate,
A procedure for causing a computer to calculate new vectors a, b and c using the calculated new white noise;
A computer program comprising: causing a computer to repeat the calculation of vectors a, b, and c until the vectors a, b, and c converge.
入力を伴う系から得られる複数のデータからなる標本時系列{xn :n=1,2,…}、及び前記系へ入力される複数のデータからなる入力時系列{un:n=1,2,…}を記憶するコンピュータに、前記標本時系列に加わるべき新たなデータを予測させるコンピュータプログラムであって、
コンピュータに、請求項1に記載のパラメータ推定方法を用いて、前記標本時系列及び前記入力時系列をARMAXモデルに当てはめたときのパラメータの推定値を計算させる手順と、
コンピュータに、計算した前記パラメータの推定値、並びに前記標本時系列及び前記入力時系列を前記ARMAモデルの式に代入して、前記標本時系列に加わるべき新たなデータの予測値を計算させる手順と
を含むことを特徴とするコンピュータプログラム。
A sample time series {x n : n = 1, 2,...} Composed of a plurality of data obtained from a system with input, and an input time series {u n : n = 1 composed of a plurality of data input to the system , 2, ...}, a computer program for predicting new data to be added to the sample time series,
A procedure for causing a computer to calculate an estimated value of a parameter when the sample time series and the input time series are applied to an ARMAX model using the parameter estimation method according to claim 1;
A step of causing a computer to calculate a predicted value of new data to be added to the sample time series by substituting the calculated estimated value of the parameter, the sample time series and the input time series into the formula of the ARMA model; A computer program comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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