基于深度卷積長短記憶神經網絡的遼寧省滑雪旅游經濟預測

摘要：目前，中國滑雪人口已超過了一千萬，滑雪市場給我國旅游業帶來了一個新經濟增長點，旅游經濟也得到了迅速的發展。尤其遼寧省滑雪旅游產業的已初具規模，滑雪旅游也成為帶動遼寧省發展經濟的重要經濟增長點。但是對于未來滑雪旅游經濟預測研究甚少，而且人們對更先進的預測方法也越來越感興趣。因此，本文提出了基于深度卷積長短記憶神經網絡對旅游需求進行預測。首先利用季節性趨勢自回歸綜合移動平均模型剔除長期線性趨勢，然后利用深度卷積長短記憶神經網絡訓練殘差數據進行短期預測。結果表明，提出的模型具有較好的預測性能。

關鍵詞：滑雪旅游經濟;深度卷積長短記憶神經網絡;自回歸綜合移動平均模型;短期預測

1.引言

隨著全球國際化的影響，滑雪旅游業也處于快速發展的狀態。眾所周知，滑雪旅游業對一個國家的經濟和社會發展的影響是巨大的。它不僅可以商業、貿易和資本投資，而且也為員工創造就業和創業精神和保護文化遺產和文化價值觀[1]。因此，一個可靠的經濟預測模型是必要的，并在旅游規劃中發揮重要作用。準確的預測為更好的旅游規劃和管理奠定了基礎。因此，需要在旅游需求研究中采用更有效的預測技術。

近年來，統計學被廣泛應用于正在研究的滑雪旅游經濟中。在統計方法中，時間序列預測是預測的一個重要領域。它可以分為兩類：線性方法和非線性方法。最常用的線性方法是樸素模型、指數平滑（ES）模型和自回歸綜合移動平均（ARIMA）模型。神經元網絡被許多專家認為是一種很有前途的時間序列預測技術。因此，在過去的幾十年里，已經發表了2000多篇關于神經網絡預測的文章，涵蓋了廣泛的應用[2]。

由于神經網絡的廣為人知，許多作者轉向使用神經網絡來預測時間序列數據。隨著科學的進步，越來越多的方法被使用。組合模型是其中最常用的方法。此外，還提出了支持向量回歸和新型混合系統[3]等方法。他們在優化問題和預測問題上取得了很大的成就，但數據預處理和后期參數選擇問題相對復雜。

在本文中，將最先進的線性模型和深度卷積長短記憶神經網絡結合在一起。比較結果表明，在滑雪旅游需求預測方面，新模型比其他DNN模型表現得更好。

2.提出的滑雪旅游經濟預測模型

時間序列模型解釋了一個變量關于它自己的過去和一個隨機干擾項。近四十年來，時間序列模型被廣泛應用于旅游需求預測。

2.1 ARIMA模型

在將ARIMA模型擬合到原始數據時，ARIMA模型涉及以下四個步驟：

1）識別ARIMA （p， q， d）結構;

2）未知參數的估計;

3）估計殘差的擬合優度檢驗;

4）基于已知數據預測未來結果。

應與正態隨機變量獨立同分布，均值為0，常方差為 。 和 的根都在單位圓之外。根據相關經驗ARIMA模型[14-15]至少應使用50或100個觀測值。

2.2 深度卷積長短記憶神經網絡

在深度卷積長短記憶神經網絡中[4]，我們采用預測編碼網絡（PredNet）作為基準骨干架構。PredNet架構由四個主要模塊組成：輸入卷積層、遞歸層、預測層和錯誤表示層。圖1展示了這個體系結構。

RNN允許像存儲內存一樣存儲前一個輸入的效果，并影響下一個步驟的輸出輸入數據必須從預測數據中減去，以在網絡的每一層產生輸出。網絡每一級的減法值作為預測誤差計算，并用反向傳播方法更新網絡的權值。這些誤差值被認為是同一級別卷積LSTM層的輸入，并作為當前級別的輸出或后續級別的網絡輸入。卷積LSTM層由其輸出、卷積LSTM層的下一層輸出和網絡各層的誤差值提供。這個卷積LSTM層將其輸出給卷積層，在網絡的每一層生成預測數據。最后對網絡進行訓練，以減少計算誤差。網絡各層關系的數學公式如式3-6所示。

網絡中所有卷積層、最大池化層和卷積LSTM層的內核大小為3×3。卷積層的步長是1，而max-pooling層的步長是2。每個交叉網絡訓練在150個epoch完成。epoch<75的學習率是0.001，當epoch>75，下降到0.0001。網絡的權值采用Adam算法進行優化。所有實驗都是在Python中使用Keras進行的，硬件平臺是一臺配備了英特爾Core i-7-6700、16GB RAM和NVIDIA GeForce GTX TITAN X GPU的計算機。

3結果及分析

由于經濟的快速增長和滑雪旅游的促進，冬季來遼寧滑雪旅游的人數逐年大幅增加。這里選取2010年11月至2014年11月入境游客。數據集的處理過程：輸入旅游時間序列，描述一個序列圖表，檢查自相關和偏相關，本文網絡模型，給出結果。采集的數據分為兩組：訓練數據和測試數據。

3.1 評價方法

一些定量統計指標如歸一化均方誤差（NMSE）、絕對誤差百分比（APE）、相關系數（R）等。用NMSE和APE來衡量預測值與實際值之間的偏差。NMSE和APE值越小，表示預測值與實際值越接近。采用度量R來測量實際值與預測值的相關性[5]。

3.2 實驗結果

對于具有顯著季節性周期性變化的數據，本文采用SARIMA模型消除線性趨勢。并使用AIC來測試哪一代是最好的。通過SARIMA模型得到沒有線性趨勢的數據，分別用DNN模型和提出的模型對數據進行訓練。我們可以得到DNN模型和提出的模型的結果如下。

如表1所示，我們可以看到本文模型的結果比DNN模型的結果要好得多。為了深入評價DNN模型和SA-D模型的性能，我們計算了測試數據集的APE、NMSE和R，如表2所示。可以看到，本文模型的NMSE、APE和R都比DNN模型好得多。

4 結論

在本研究中，我們提出了一種新的深度卷積長短記憶神經網絡模型，它結合了SARIMA模型。首先，利用遼寧省滑雪旅游組織收集的數據，比較了本文模型和DNN模型;結果表明，本文模型能較好地擬合和預測時間序列數據。并與其他作者的模型進行了對比，驗證了模型的有效性，得到了預期的結果。

參考文獻

[1]H. Song and G. Li， "Tourism demand modelling and forecasting-a review of recent research，" Tourism Management，vol. 29， no. 2， pp. 203-220， 2008.

[2]Lin Teng， Hang Li and Shahid Karim. DMCNN： A Deep Multiscale Convolutional Neural Network Model for Medical Image Segmentation [J]. Journal of Healthcare Engineering， 2019.

[3]S. F. Crone and P. C. Graffeille， "An evaluation framework for publications on artificial neural networks in sales forecasting，" in Proceedings of the International Conference on Artificial Intelligence （IC-AI '04）， pp. 221-227， Las Vegas， Nev， USA， June 2004.

[4]J. Teixeira and P. Fernandes， "Tourism time series forecast with artificial neural networks，" Tekhne， vol. 12， no. 1-2， pp. 26-36，2014.

[5]張永安，顏斌斌. 一種股票市場的深度學習復合預測模型[J]. 計算機科學， 2020， v.47（11）：263-275.

項目編號：省社科聯2021年度遼寧省經濟社會發展研究課題（2021lslwzzkt-055）.

作者簡介：賀佃忱，男（1981—），遼寧沈陽人，沈陽師范大學體育科學學院，講師，博士，研究方向，體育教學。