Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo trong dự báo lạm phát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH _ TRƯƠNG THỊ THANH TÂM ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO TRONG DỰ BÁO LẠM PHÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Nghệ An 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH _ TRƯƠNG THỊ THANH TÂM ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO TRONG DỰ BÁO LẠM PHÁT Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã số: 60.48.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: TS PHAN LÊ NA Nghệ An 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình tìm hiểu nghiên cứu tơi, có hỗ trợ cô hướng dẫn người cảm ơn Các nghiên cứu kết đề tài trung thực chưa công bố Nghệ An, tháng năm 2017 Tác giả Trương Thị Thanh Tâm LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài, nhận nhiều quan tâm giúp đỡ để hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành TS Phan Lê Na, người trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình cho tơi q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin học viên K23 Công nghệ thông tin tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, người thân động viên tơi suốt thời gian qua! Nghệ An, tháng năm 2017 Tác giả Trương Thị Thanh Tâm MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết vấn đề nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Kết cấu luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Khái niệm dự báo 1.1.2 Dự báo kinh tế 1.2 Các phương pháp sử dụng dự báo kinh tế 10 1.2.1 Dự báo kinh tế sử dụng mơ hình kinh tế lượng 10 1.2.2 Dự báo kinh tế cách tiếp cận mơ hình học máy 15 1.3 Phương pháp đánh giá dự báo 20 1.4 Kết luận chương 22 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON TRONG DỰ BÁO LẠM PHÁT KINH TẾ 23 2.1 Mạng nơ ron nhân tạo 23 2.1.1 Định nghĩa Mạng Nơron nhân tạo (Artificial Neural Network ANN) 23 2.1.2 Các tính chất mạng Nơron 23 2.1.3 Cấu trúc mạng nơ - ron 24 2.2 Lạm phát kinh tế 32 2.2.1 Khái niệm lạm phát 32 2.2.2 Phân loại lạm phát 33 2.2.3 Các phương pháp tính lạm phát 34 2.3 Ứng dụng mạng nơ - ron dự báo lạm phát 36 2.3.1 Các nghiên cứu liên quan 36 2.3.2 Phân tích nhân tố ảnh hưởng 37 2.3.3 Xây dựng mô hình mạng nơ ron dự báo lạm phát 39 2.4 Kết luận chương 40 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON TRONG DỰ BÁO LẠM PHÁT KINH TẾ 41 3.1 Phân tích kiến trúc tổng quát hệ thống 41 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 41 3.1.2 Các chức hệ thống 41 3.2 Giải pháp công nghệ ngôn ngữ lập trình 42 3.2.1 Hệ quản trị CSDL Microsoft SQL Server 2012 42 3.2.2 Microsoft Net 43 3.2.3 Ngơn ngữ lập trình C# 44 3.3 Kết thử nghiệm 44 3.3.1 Nguồn liệu sử dụng 44 3.3.2 Dữ liệu dùng cho thử nghiệm 46 3.3.3 Kết thử nghiệm 47 3.4 Một số giao diện hệ thống 48 3.5 Kết luận chương 50 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ đầy đủ Viết tắt CNTT Công nghệ Thông tin MLR Multiple Linear Regression HW Holt - Winters ARIMA AutoRegressive Integrated Moving Average ARMA Autoregressive Moving Average MAPE Mean Absolute Percentage Error K-NN K-láng giềng gần MAE Muan Absolute Error RMSE Root Mean Squared Error MAPE Mean Absolute Percentage ANN Artificial Neural Network MIMO Many Input Many Output LMS Least Means Square RBF Radial Basis Function WPI Worcester Polytechnic Institute CPI Consumer Price Index PPI Producer Price Index VAR Vector Autoregression AR Univariate Autoregression OECD Organization for Economic Co-operation and Development KRLS Kitchigami Regional Library System FDI Foreign Direct Investment GDP Gross Domestic Product DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Trang Hình Hình 1.1 Mơ hình tốn dự báo Hình 1.2 Mơ hình dự báo Hình 1.3 Mơ hình dự báo nhân Hình 1.4 Mơ hình dự báo theo xu hướng 10 Hình 1.5 Mơ hình lương chi tiêu gia đình 10 Hình 1.6 Kết thử nghiệm với mơ hình HW 14 Hình 1.7 Kết thử nghiệm với mơ hình ARIMA 14 Hình 1.8 Dự báo dựa mơ hình học máy 17 Hình 1.9 Mơ hình dự báo lượng gió 18 Hình 1.10 Mơ hình dự báo giá bán lẻ dựa Naïve Bayes 19 Hình 2.1 Cấu trúc perceptron 24 Hình 2.2 Mạng nơ ron nhiều lớp 26 Hình 2.3 Mạng nơ ron lớp 29 Hình 2.4 Biểu đồ thể lạm phát Việt Nam trung bình giới 37 Hình 2.5 Kiến trúc mạng nơ ron dự báo sử dụng luận văn 39 Hình 3.1 Sơ đồ chức hệ thống dự báo 41 Hình 3.2 Biểu đồ Use case tổng quát 42 Hình 3.3 Các dịch vụ SQL server 2012 43 Hình 3.4: Thành phần Microsoft NET 43 Hình 3.5 Microsoft NET Framework 44 Hình 3.6 Ngân hàng liệu giới 45 Hình 3.7 Tổng cục thống kê Việt Nam 46 Hình 3.8 Giao diện đăng nhập 48 Hình 3.9 Giao diện quản lý huấn luyện 48 Hình 3.11 Giao diện chỉnh sửa liệu 49 Hình 3.12 Giao diện dự báo lạm phát 50 Bảng Bảng 1.1 Tỉ lệ phần trăm thu nhập tiêu dùng thời trang 11 Bảng 3.1 Mô tả liệu thử nghiệm 47 Bảng 3.2 Kết thử nghiệm 47 PHẦN MỞ ĐẦU Sự cần thiết vấn đề nghiên cứu Hiện với phát triển mạnh mẽ mặt nước giới tình hình lạm phát khủng hoảng kinh tế vấn đề mà hầu hết quốc gia gặp phải, đặc biệt năm gần toàn nhân loại phải chèo lái để vượt qua khủng hoảng kinh tế tồn cầu Giá cả, dịch vụ hàng hóa ln biến động theo thời gian, nhiên vấn đề thay đổi nhanh ảnh hưởng lớn đến kinh tế, đẩy đất nước lâm vào tình trạng khủng hoảng Việc điều chỉnh kinh tế phát triển bền vững, dự báo trước lạm phát chủ động đưa phương án sách phù hợp giảm thiểu tình trạng khủng hoảng nước giới Bài toán dự báo tốn khó, độ phức tạp tính tốn lớn Tuy nhiên cần thiết toán mà quốc gia, tổ chức khoa học… đầu tư nghiên cứu giải Có nhiều phương pháp dự báo sử dụng mô hình dự báo khác Mỗi phương pháp có ưu điểm nhược điểm riêng Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo mơ hình dự báo thử nghiệm Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ, chọn đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo dự báo lạm phát” Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo dự báo lạm phát, tình trạng lạm phát khủng hoảng kinh tế xảy toàn cầu nên việc dự báo trước tình trạng lạm phát giúp chủ động đưa phương án phù hợp giúp giảm thiểu tình trạng khủng hoảng kinh tế nước giới Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Mạng nơ ron nhân tạo - Mơ hình dự báo - Dự báo lạm phát Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu mạng nơ ron nhân tạo - Ứng dụng dự báo lạm phát Kết cấu luận văn Luận văn có bố cục sau: Chương TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO Trong chương giới thiệu khái niệm dự báo, ứng dụng dự báo trong lĩnh vực kinh tế, phân loại dự báo kinh tế theo quy mô Đồng thời nêu phương pháp dự báo kinh tế bản: Phương pháp dự báo định tính phương pháp dự báo định lượng Chương ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON TRONG DỰ BÁO LẠM PHÁT KINH TẾ Trong chương giới thiệu định nghĩa mạng nơ ron nhân tạo tính chất mạng nơ ron Nêu phương pháp tính số lạm phát, ứng dụng mạng nơ ron dự báo lạm phát Chương XÂY DỰNG ỨNG DỤNG DỰ BÁO LẠM PHÁT SỬ DỤNG MƠ HÌNH MẠNG NƠ RON Trong chương giới thiệu định nghĩa mạng nơ ron nhân tạo tính chất mạng nơ ron Nêu phương pháp tính số lạm phát, ứng dụng mạng nơ ron dự báo lạm phát 39 quốc nội GDP chờ giá giảm phát GDP Mặt khác nhân tố bị ảnh hưởng nhỏ yếu tố mùa vụ, nhiên ảnh hưởng quy luật thị trường điều tiết phủ 2.3.3 Xây dựng mơ hình mạng nơ ron dự báo lạm phát Dựa theo mục phân tích trên, luận văn xây dựng mạng nơ ron mô bao gồm đơn vị đầu vào, đầu 01 lớp ẩn với nơ ron tầng ẩn Hình 2.5 mơ mơ hình mạng nơ ron sử dụng luận văn Hình 2.5 Kiến trúc mạng nơ ron dự báo sử dụng luận văn Mạng nơ ron Hình 2.5 Có 04 đầu vào tương ứng với nhân tố (features) có ảnh hưởng tới dự báo lạm phát: số giá vàng, số giá đơ, số hàng hóa nhập khẩu, số hàng hóa xuất Tầng ẩn bao gồm 05 nơ ron dùng để xử lý với hàm truyền sigmod cuối đầu với 01 no ron dùng dự báo kết 40 2.4 Kết luận chương Trong chương này, luận văn trình bày phương pháp tính lạm phát, nhân tố tác động tới lạm phát phương pháp huấn luyện mạng nơ ron đa lớp Từ đó, luận văn đưa phương pháp dự báo lạm phát dựa đa nhân tố bao gồm: số giá vàng, số giá đơ, số hàng hóa xuất khẩu, số hàng hóa nhập Luận văn thiết kế cấu trúc mạng nơ ron phù hợp với nhân tố ảnh hưởng tới kết dự báo lạm phát 41 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON TRONG DỰ BÁO LẠM PHÁT KINH TẾ Trong chương này, luận văn trình bày kết thực phương pháp đề xuất chương 2, mơ hình hóa thành chương trình, cài đặt môi trường hệ điều hành Windows đánh giá kết dự báo 3.1 Phân tích kiến trúc tổng quát hệ thống 3.1.1 Yêu cầu hệ thống Hệ thống dự báo kinh tế bao gồm pha chính: pha huấn luyện pha dự báo - Pha huấn luyện: pha huấn luyện thực việc huấn luyện liệu dựa mạng nơ ron nhân tạo - Pha dự báo: pha dự báo sử dụng liệu với thông số đầu vào đảm bảo với yêu cầu, kiểu định dạng liệu thực cho kết đầu 3.1.2 Các chức hệ thống Chức tổng quát Dựa vào yêu cầu hệ thống dự báo lạm phát kinh tế, chức hệ thống mơ tả hình vẽ 3.1 Hình 3.1 Sơ đồ chức hệ thống dự báo 42 Hình 3.2 mô tả biểu đồ ca sử dụng tổng quát hệ thống biểu đồ use case tổng quát  Quyền quản trị: người quản trị hệ thống có quyền sau o Huấn luyện o Thêm liệu o Xem thơng tin Hình 3.2 Biểu đồ Use case tổng quát 3.2 Giải pháp công nghệ ngơn ngữ lập trình 3.2.1 Hệ quản trị CSDL Microsoft SQL Server 2012 Hệ quản trị sở liệu Microsoft SQL server (MSSQL) hệ quản trị sở liệu thơng dụng Nó phiên có hiệu suất làm việc cao có nhiều tính nắng Đây hệ quản trị sở liệu 43 thường sử dụng với hệ thống trung bình, với ưu điểm có công cụ quản lý mạnh mẽ giúp cho việc quản lý bảo trì hệ thống dễ dàng, hỗ trợ nhiều phương pháp lưu trữ, phân vùng đánh mục phục vụ cho việc tối ưu hóa hiệu Với phiên MSSQL 2012 Microsoft có cải tiến đáng kể nâng cao hiệu năng, tính sẵn sàng hệ thống, khả mở rộng bảo mật Hình 3.3 Các dịch vụ SQL server 2012 3.2.2 Microsoft Net 3.2.2.1 Kiến trúc Microsoft NET Hình 3.4: Thành phần Microsoft NET 44 3.2.2.2 Microsoft NET Framework Hình 3.5 Microsoft NET Framework 3.2.3 Ngơn ngữ lập trình C# Ngơn ngữ C# đơn giản với khoảng 80 từ khóa khoảng mười kiểu liệu xây dựng sẵn Tuy nhiên, ngơn ngữ C# có ý nghĩa cao thực thi khái niệm lập trình đại C# bao gồm tất hỗ trợ cho cấu trúc, thành phần, lập trình hướng đối tượng Những tính chất diện ngơn ngữ lập trình đại ngơn ngữ C# tụ đủ điều kiện vậy, xây dựng tảng hai ngôn ngữ mạnh C++ java 3.3 Kết thử nghiệm 3.3.1 Nguồn liệu sử dụng Dữ liệu dùng cho thử nghiệm lấy từ 02 nguồn Ngân hàng liệu giới tổng cục thống kê Việt Nam - Ngân hàng liệu giới (Data world bank) Ngân hàng Thế giới, tập đoàn phát triển liệu làm công tác thống kê liệu trì số sở liệu tầm vĩ mô, giới khu vực, biên soạn phổ biến liệu để đảm bảo người sử dụng tất liệu tin tưởng vào 45 chất lượng tính tồn vẹn liệu sản xuất Nhiều liệu xuất phát từ hệ thống thống kê nước thành viên, chất lượng liệu toàn cầu phụ thuộc vào hệ thống quốc gia thực Ngân hàng Thế giới hoạt động để giúp nước phát triển nâng cao lực, hiệu hiệu hệ thống thống kê quốc gia Nếu khơng có liệu quốc gia tốt tồn diện hơn, khó khăn để phát triển sách hiệu quả, giám sát việc thực chiến lược xóa đói giảm nghèo, theo dõi tiến trình thực mục tiêu tồn cầu Hình 3.6 Ngân hàng liệu giới Việc sử dụng liệu Data world bank thực miễn phí cách lựa chọn quốc gia số tiến hành download tài liệu file excel file pdf để thực phân tích - Tổng cục thống kê Việt Nam Hiện nay, Tổng cục Thống kê quan trực thuộc Bộ Kế hoạch Đầu tư thực chức tham mưu, giúp Bộ trưởng Bộ Kế hoạch Đầu 46 tư quản lý nhà nước thống kê; tổ chức hoạt động thống kê cung cấp thông tin thống kê kinh tế - xã hội cho quan, tổ chức, cá nhân nước quốc tế theo quy định pháp luật Tổng cục Thống kê tổ chức theo hệ thống dọc từ Trung ương đến địa phương theo đơn vị hành Những thơng tin thống kê Tổng cục Thống kê công bố, cung cấp nguồn thơng tin thống, có tính pháp lý, cấp, ngành, tổ chức, cá nhân nước quốc tế tin cậy, sử dụng Hình 3.7 Tổng cục thống kê Việt Nam 3.3.2 Dữ liệu dùng cho thử nghiệm Với bốn yếu tố ảnh hưởng, luận văn thực thử nghiệm dự báo kết lạm phát với quốc gia sau: - Mỹ - Canada - Việt Nam (sử dụng hai liệu Cục thống kê Data Worldbank) chi tiết liệu thử nghiệm thể bảng sau: 47 Bảng 3.1 Mô tả liệu thử nghiệm Tên quốc STT Dự báo theo Số mẫu tháng (năm, Nguồn gia huấn luyện quý) Thời gian huấn luyện Khoảng thời gian dự báo Mỹ Năm DWB 40 1970-2010 2010-2015 Canada Năm DWB 40 1970-2010 2010-2015 Các tháng Việt Nam 1/1997Tháng GSO 215 năm 12/2013 2014 Dữ liệu Việt Nam thực 12 tháng/ năm Quá trình thử nghiệm thực kỳ ngắn hạn tháng 3.3.3 Kết thử nghiệm Luận văn thực đánh giá kết dựa lỗi sai số kết dự báo đưa phương pháp luận văn kết thực DWB GSO (Lỗi tỉ lệ trung bình) Bảng 3.2 Dưới mơ tả kết thử nghiệm phương pháp Bảng 3.2 Kết thử nghiệm STT Tên quốc gia Tỉ lệ Mỹ 9.2% Canada 7.8% Việt Nam 10.1% 48 3.4 Một số giao diện hệ thống Hình 3.8 Giao diện đăng nhập Hình 3.9 Giao diện quản lý huấn luyện 49 Hình 3.10 Giao diện tạo liệu Hình 3.11 Giao diện chỉnh sửa liệu 50 Hình 3.12 Giao diện dự báo lạm phát 3.5 Kết luận chương Trong chương này, luận văn trình bày trình xây dựng, cài đặt hệ thống thử nghiệm kết hệ thống Đồng thời chương đánh giá lỗi tỉ lệ hay gọi sai số chênh lệch kết dự báo kết thực Các giao diện hệ thống mô tả hệ thống thực chương 51 KẾT LUẬN Trong khuôn khổ thực đề tài luận văn, tác giả học cách tìm hiểu vấn đề thực tế sống sử dụng mơ hình tính tốn, cụ thể mạng nơ ron để ứng dụng giải vấn đề Luận văn trình bày tổng quan khái niệm liên quan tới dự báo, dự báo kinh tế Các phương pháp thường sử dụng dự báo kinh tế bao gồm phương pháp liên quan tới kinh tế lượng học máy Trong luận văn sử dụng phương pháp định lượng để dự báo, lý thuyết phương pháp định lượng trình bày nhiều Cuối chương, luận văn đưa số phương pháp xác định lỗi dự báo nhằm mục đích đánh giá độ xác dự báo dựa sai lệch kết mơ hình giá trị thực tế dự báo Giới thiệu định nghĩa mạng nơ ron nhân tạo tính chất mạng nơ ron Nêu phương pháp tính số lạm phát, ứng dụng mạng nơ ron dự báo lạm phát Kết thử nghiệm cho thấy rằng, sai số dự báo lạm phát tính theo phương pháp luận văn thực tế có độ chênh lệch chấp nhận Tuy vậy, toán dự báo lạm phát mà luận văn tiếp cận nhiều vấn đề cần phải mở ra, ví dụ tác động khác nhân tố: trị, xã hội, ảnh hưởng quốc tế,… yếu tố tâm lý tư chưa đề cập tới Trong tương lai, có hội tiếp tục tiếp cận với tốn này, học viên mở rộng phát triển dự báo với nhiều tham số hơn, hiệu chỉnh mạng nơ ron cho phù hợp với toán 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Charles F Roos: Survey of Economic Forecasting Techniques: A Survey Article, Econometrica, Volume 23, Issue (Oct., 1955), 363395 [2] Frank Ackerman Elizabeth A Stanton: Climate Economics: The State of the Art, November 2011 [3] Gurudeo Anand Tularam1, Tareq Saeed1,2: Oil-Price Forecasting Based on Various , Univariate Time-Series Models, American Journal of Operations Research, 2016 [4] Khalid Alkhatib, Hassan Najadat, Ismail Hmeidi, Mohammed K Ali Shatnawi: Stock Price Prediction Using K-Nearest Neighbor (kNN) Algorithm, International Journal of Business, Humanities and Technology, Vol No 3, March 2013 [5] Lingling Li, Minghui Wang, Fenfen Zhu, and Chengshan Wang: Wind Power Forecasting Based on Time Series and Neural Network, Huangshan, P R China, 26-28, Dec 2009 [6] Mehmet Yasin Ozsaglam: Data Mining Techniques For Sales Forecastings, International Journal of Technical Research and Applications e-ISSN: 2320-8163 [7] Michael P Clements and David F Hendry: An Overview of Economic Forecasting [8] Pituk Bunnoon: Mid-Term Load Forecasting Based on Neural Network Algorithm: a Comparison of Models, International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol 3, No 4, August 2011 [9] Ramu Ramanathan, Nhập môn kinh tế lượng với ứng dụng, tài liệu giảng dạy đại học Fulbright 53 [10] Tetyana Kuzhda: Retail Sales Forecasting With Application The Multiple Regression, Accessed May 2012 [11] Vincenzo Bianco, OronzioManca, Sergio Nardini: Electricity consumption forecasting in Italyusinglinearregression models, Article Energy, July 2009 [12] Wen-Hua Cui, Jie-Sheng Wang and Chen-Xu Ning: Time Series Prediction Method of Bank Cash Flow and Simulation Comparison, Algorithms 2014 ... TẾ Trong chương giới thiệu định nghĩa mạng nơ ron nhân tạo tính chất mạng nơ ron Nêu phương pháp tính số lạm phát, ứng dụng mạng nơ ron dự báo lạm phát Chương XÂY DỰNG ỨNG DỤNG DỰ BÁO LẠM PHÁT... cứu: ? ?Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo dự báo lạm phát? ?? Mục tiêu nghiên cứu Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo dự báo lạm phát, tình trạng lạm phát khủng hoảng kinh tế xảy toàn cầu nên việc dự báo trước... LẠM PHÁT SỬ DỤNG MƠ HÌNH MẠNG NƠ RON Trong chương giới thiệu định nghĩa mạng nơ ron nhân tạo tính chất mạng nơ ron Nêu phương pháp tính số lạm phát, ứng dụng mạng nơ ron dự báo lạm phát 3 CHƯƠNG