基于機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)間序列的中國貨物運(yùn)輸量預(yù)測分析

文/潘正桐

一、引言

貨運(yùn)量是指運(yùn)輸企業(yè)在一定的時(shí)期內(nèi)實(shí)際運(yùn)送的貨物數(shù)量，其計(jì)量單位為萬噸。貨運(yùn)量是反映運(yùn)輸生產(chǎn)成果的指標(biāo)，體現(xiàn)著運(yùn)輸業(yè)為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)的數(shù)量。一定時(shí)期貨運(yùn)數(shù)量的大小，也是反映國力狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。近年來，隨著物流行業(yè)和各種貨運(yùn)匹配平臺的快速發(fā)展，我國公路、鐵路、水運(yùn)等運(yùn)輸方式的市場規(guī)模和貨運(yùn)量也在不斷發(fā)展。貨運(yùn)量的預(yù)測是指基于貨運(yùn)市場過去的情況、當(dāng)前的貨運(yùn)需求相關(guān)因素間的關(guān)系，結(jié)合各類定性、定量模型，對其變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。

二、時(shí)間序列在貨運(yùn)量預(yù)測中的應(yīng)用

本文以2011年1月至2021年2月中國鐵路、公路、水路、航空貨運(yùn)量為樣本，構(gòu)建模型并對模型進(jìn)行分析，預(yù)測2021年3到8月的貨運(yùn)量。模型的建立與預(yù)測都在Anaconda中完成。應(yīng)用的數(shù)據(jù)來自國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站（中國統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)），其中鐵路運(yùn)輸數(shù)據(jù)來源于中國國家鐵路集團(tuán)有限公司、公路水路運(yùn)輸數(shù)據(jù)來源于交通運(yùn)輸部，民航運(yùn)輸數(shù)據(jù)來源于中國民用航空局，所有數(shù)據(jù)均為當(dāng)期值（單位：萬噸）。以鐵路貨運(yùn)量為例，首先繪制原始序列的時(shí)序圖，并對原始數(shù)據(jù)的單位根進(jìn)行檢驗(yàn)。原始序列的ADF檢驗(yàn)結(jié)果為：(-0.5290107150840598，0.886229845449974，12，109，{'1%'：-3.49181775886872，'5%'：-2.888443799 2971588，'10%'：-2.5811201893779985}，1854.0695186939024)。單位根檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量對應(yīng)的P值顯著大于0.05，最終將該序列判斷為非平穩(wěn)序列（非平穩(wěn)序列一定不是白噪聲序列）。隨后對原始序列進(jìn)行一階差分，并進(jìn)行平穩(wěn)性和白噪聲檢驗(yàn)。差分序列的ADF檢驗(yàn)結(jié)果為：(-1.8445309295043555,0.3585879992575793，11，109，{'1%'：-3.49181775886872，'5%'：-2.8884437992971588，'10%'：-2.5811201893779985}，1836.326083902209)。結(jié)果顯示，一階差分之后的序列的時(shí)序圖在均值附近比較平穩(wěn)的波動，自相關(guān)圖有很強(qiáng)的短期相關(guān)性，但單位根檢驗(yàn)P值仍大于0.05，所以需要進(jìn)行二階差分，并進(jìn)行平穩(wěn)性和白噪聲檢驗(yàn)。二階差分序列的ADF檢驗(yàn) 結(jié) 果 為 ：(-11.07500996728016，4.4551367163712387e-20，10，109，{'1%'：-3.49181775886872，'5%':-2.8884437992971588，'10%'：-2.5811201893779985}，1821.9942829912886)。二階差分序列的白噪聲檢驗(yàn)結(jié)果為：(array([72.98238595])，array([1.30812087e-17]))。結(jié)果顯示，二階差分之后的序列的時(shí)序圖在均值附近比較平穩(wěn)的波動，自相關(guān)圖有很強(qiáng)的短期相關(guān)性，單位根檢驗(yàn)P值小于0.05，所以二階差分之后的序列是平穩(wěn)序列。輸出的P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.05，所以二階差分之后的序列是平穩(wěn)非白噪聲序列。

下面對二階差分后的序列平穩(wěn)非白噪聲序列擬合ARIMA模型，二階差分后自相關(guān)圖顯示出截尾，偏自相關(guān)圖顯示出拖尾性，根據(jù)BIC遍歷p，q值，取BIC最小時(shí)對應(yīng)的p，q。此處選擇常用模型 ARIMA（7，2，0），ARIMA（0，2，1），ARIMA（7，2，1），ARIMA（8，2，0），取其中 BIC信息量達(dá)到最小的模型階數(shù)，比較可得ARIMA（0，2，1）的三個(gè)BIC數(shù)據(jù)都相對較小，因此取p=0，q=1，對原始序列建立ARIMA(0，2，1)模型。模型檢驗(yàn)，殘差為白噪聲序列，P值為：0.627016。

依照上述方法，分別預(yù)測出我國2021年3月至2021年8月的鐵路貨運(yùn)量、公路貨運(yùn)量、水運(yùn)貨運(yùn)量和民航貨運(yùn)量，結(jié)果保留整數(shù)。如表1所示：

圖1 一階差分之后序列的自相關(guān)圖

圖1 二階差分之后序列的自相關(guān)圖

圖2 一階差分之后序列的偏自相關(guān)圖

圖2 二階差分之后序列的偏自相關(guān)圖

表1 2021年3-8月各指標(biāo)貨運(yùn)量預(yù)測量（單位：萬噸）

需要說明的是，利用模型向前預(yù)測的時(shí)期越長，預(yù)測誤差將會越大，這是時(shí)間序列預(yù)測的典型特點(diǎn)。

三、中國貨運(yùn)量影響因素分析

影響中國各指標(biāo)貨運(yùn)量的宏觀因素主要有基礎(chǔ)設(shè)施投資、國家政策、宏觀調(diào)控等，微觀的硬件因素為線路里程、路網(wǎng)密度、運(yùn)營管理模式等。以下為具體分析。

1.基礎(chǔ)設(shè)施對貨運(yùn)量的影響，基礎(chǔ)設(shè)施是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要保障，其中物流體系的建設(shè)是其他體系發(fā)展的前提。伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展，物流需求趨于多樣化，此時(shí)需要多樣化的物流方式滿足多樣化的物流需求。保障各種生產(chǎn)流通線路的暢通，需要水運(yùn)干線、鐵路干線、高等級公路干線等多種運(yùn)輸方式的交錯(cuò)連接與同步延伸；經(jīng)濟(jì)區(qū)域的溝通交流也離不開輻射八方的航空干線與航運(yùn)干線支持。因此建設(shè)高效快捷、適應(yīng)性強(qiáng)的物流網(wǎng)絡(luò)以支持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求是非常必要的。2.國內(nèi)政策對貨運(yùn)量的影響，有經(jīng)濟(jì)學(xué)者說：“中國內(nèi)部最大的變量是政策變量、制度變量”，這表明政策對物流與貨運(yùn)量的發(fā)展變革產(chǎn)生了重大影響。2016年7月，由發(fā)改委、交通運(yùn)輸部、中鐵總聯(lián)合印發(fā)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》提出，到2020年，我國鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15萬公里。2018年10月9日由國務(wù)院辦公廳推行的《推進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整三年行動計(jì)劃(2018—2020年)》指出，到2020年，鐵路、水路承擔(dān)的大宗貨物運(yùn)輸量顯著提高，港口鐵路集疏運(yùn)量和集裝箱多式聯(lián)運(yùn)量大幅增長。2018年12月由發(fā)改委、交通運(yùn)輸部發(fā)布的《國家物流樞紐布局和建設(shè)規(guī)劃》提出到2020年布局建設(shè)30個(gè)左右國家物流樞紐；到2025年布局建設(shè)150個(gè)左右國家物流樞紐；到2035年基本形成與現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系相適應(yīng)的國家物流樞紐網(wǎng)絡(luò)。3.線路里程對貨運(yùn)量的影響，改革開放以來，我國在交通建設(shè)方面投入不斷增加，在里程對貨運(yùn)量的影響方面，從上述數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn)，我國在公路上的投入遠(yuǎn)大于鐵路方面的里程建設(shè)，各年段公路里程的建設(shè)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵路的里程建設(shè)。從目前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢來看，公路的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本處于飽和狀態(tài)，而隨著“公轉(zhuǎn)鐵”政策的全面落實(shí)，鐵路仍有很大發(fā)展空間。4.交通路網(wǎng)密度對貨運(yùn)量的影響。在道路面積及交通需求分布相同的前提下，增加路網(wǎng)密度會使得域內(nèi)路段交叉口數(shù)量增多，從而影響每個(gè)交叉口運(yùn)輸量及效率，使其交通需求率減低，提高每個(gè)路段每個(gè)車道的交通通行能力。但如果交叉路段過短，也會增加各交叉口處的相互干擾，有降低單位時(shí)間貨運(yùn)量的風(fēng)險(xiǎn)。因此提高路段路網(wǎng)密度相對于該路段的路網(wǎng)容量及貨運(yùn)量來說是一把雙刃劍。5.新冠疫情對貨運(yùn)量的影響。2020年中國各項(xiàng)運(yùn)輸量整體呈現(xiàn)V字型走勢，在疫情初期，中國民航貨郵運(yùn)輸量仍同比增長，但受疫情的初步影響，貨郵運(yùn)輸量增速有所減緩，預(yù)計(jì)個(gè)位數(shù)同比增幅；到了疫情高峰期，由于運(yùn)力大幅下降且產(chǎn)能嚴(yán)重不足，運(yùn)輸量同比大幅下降，預(yù)計(jì)降幅達(dá)到20%以上；當(dāng)進(jìn)入疫情衰退期，隨著復(fù)工、運(yùn)力恢復(fù)等利好因素出現(xiàn)，運(yùn)輸量同比下滑收窄，預(yù)計(jì)降幅為10%左右；等疫情結(jié)束后，運(yùn)輸量持續(xù)同比增長，照樣體現(xiàn)出報(bào)復(fù)性反彈趨勢。由于國家對本次疫情處理更加迅速、更加透明，對比2003年的非典周期控制得更快，疫情高峰期和衰退期持續(xù)的時(shí)間更短。

四、建議與展望

國家應(yīng)重視交通道路的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的前提下，適當(dāng)加強(qiáng)鐵路里程的建設(shè)，同時(shí)對舊的鐵路加強(qiáng)完善和保護(hù)，提高鐵路運(yùn)輸?shù)乃俣龋瑥亩岣哓涍\(yùn)量與效率。在目前公路修建基本完成且處于輕度飽和的狀態(tài)下，國家可以通過改進(jìn)完善破舊或在建中的公路，保障公路的質(zhì)量與運(yùn)輸?shù)耐〞常岣哓涍\(yùn)的頻次和車次，進(jìn)而增加貨運(yùn)量，同時(shí)調(diào)整運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、增加鐵路貨運(yùn)量，促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)中向好發(fā)展。建設(shè)交通強(qiáng)國是黨的十九大作出的重大戰(zhàn)略決策。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記深刻把握新時(shí)代我國發(fā)展的階段性特征，對交通事業(yè)發(fā)展作出一系列重要論述，提出了建設(shè)交通強(qiáng)國的時(shí)代課題。目前，建設(shè)交通強(qiáng)國各項(xiàng)工作正在有序推進(jìn)。交通運(yùn)輸部正在編制《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要（2021—2050年）》與《“十四五”綜合交通發(fā)展規(guī)劃》，積極做好試點(diǎn)城市的建設(shè)。在“十三五”取得成績的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)2021到2025年，力爭用三到五年的時(shí)間推動綜合交通高質(zhì)量發(fā)展。隨著全球疫情發(fā)展，我國應(yīng)對疫情逐漸從阻擊戰(zhàn)逐步轉(zhuǎn)向防御戰(zhàn)、持久戰(zhàn)，但長期向好的態(tài)勢沒有變。多難興邦，我們的國家一定會從這次疫情里吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提升治理能力。