項(xiàng)目名稱

基于時(shí)間序列的長(zhǎng)沙市PM2.5的統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)測(cè)軟件開(kāi)發(fā)

項(xiàng)目研究的目的、意義；研究成果的主要內(nèi)容、重要觀點(diǎn)或?qū)Σ呓ㄗh；成果的創(chuàng)新特色、實(shí)踐意義和社會(huì)影響；研究成果和研究方法的特色。限定在2000字以內(nèi)。

一、項(xiàng)目研究的目的、意義

1.項(xiàng)目研究目的

建立長(zhǎng)沙市PM2.5預(yù)測(cè)模型及相關(guān)預(yù)測(cè)軟件。

2.項(xiàng)目研究意義

由于PM2.5對(duì)人類健康的威脅，因此對(duì)PM2.5濃度的預(yù)測(cè)顯得尤為重要。目前，長(zhǎng)沙市相關(guān)部門對(duì)PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布，但并沒(méi)有對(duì)PM2.5濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，也就是說(shuō)，人們還不能有效的提前獲取長(zhǎng)沙大氣污染情況。如果人們能夠在出行之前獲取到如同天氣預(yù)報(bào)一般的PM2.5濃度的預(yù)測(cè)值，則可以避免上述提到的問(wèn)題，如老人小孩或者相關(guān)疾病人群可以根據(jù)PM2.5的預(yù)測(cè)值選擇是否出行，或提前采取措施，如帶口罩，減少在戶外暴露的時(shí)間，避免體育鍛煉等來(lái)降低PM2.5對(duì)自身健康的威脅。本項(xiàng)目通過(guò)建立長(zhǎng)沙市PM2.5濃度的預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)軟件，能為市民在每日出行前提供當(dāng)日最新最可,PSS進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理；其次，運(yùn)用相關(guān)性分析方法，建立PM2.5與監(jiān)測(cè)指標(biāo)間的相關(guān)性分析模型，利用SPSS軟件進(jìn)行求解，得到各指標(biāo)間的相關(guān)性；最后，運(yùn)用回歸

分析的方法，建立PM2.5與其它各項(xiàng)分指標(biāo)間的多元線性回歸模型，采用最小二乘估計(jì)方法對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并對(duì)回歸方程進(jìn)行殘差檢驗(yàn)，對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行逐次剔除最終得到多元線性回歸方程。

通過(guò)分析得到如下結(jié)論：PM2.5與PM10的相關(guān)系數(shù)最高，說(shuō)明PM10對(duì)于PM2.5的影響最大；其次PM2.5對(duì)CO的相關(guān)系數(shù)較大，也說(shuō)明了他們相關(guān)性較高；對(duì)NO₂、SO₂的相關(guān)系數(shù)依次降低，即二氧化硫(SO₂)，二氧化氮(NO₂)，一氧化碳(CO)是在一定環(huán)境條件下形成PM2.5的主要?dú)鈶B(tài)物體；但是O₃與PM2.5的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，說(shuō)明O₃對(duì)于PM2.5可能有一定的抑制作用，因此保護(hù)大氣中的臭氧層對(duì)于PM2.5的減少有著重要意義。

(2) 基于時(shí)間序列的長(zhǎng)沙市PM2.5的預(yù)測(cè)模型

首先，對(duì)長(zhǎng)沙市PM2.5指標(biāo)數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性進(jìn)行檢驗(yàn)，利用R軟件對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，觀察其變化趨勢(shì)，并利用Eviews軟件進(jìn)行單位根(ADF)檢驗(yàn)。其次，對(duì)模型進(jìn)行定階，利用Eviews軟件做出自相關(guān)圖和偏自相關(guān)圖，根據(jù)顯著性檢驗(yàn)和AIC準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)，反復(fù)篩選替換模型中參數(shù)值，并利用Eviews軟件操作，最終得到最優(yōu)模型；最后，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，對(duì)長(zhǎng)沙市PM2.5指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并進(jìn)行誤差分析。并利用本項(xiàng)目的最新算法，利用編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)長(zhǎng)沙市PM2.5預(yù)測(cè)軟件。

三、降低長(zhǎng)沙市PM2.5的對(duì)策建議

通過(guò)本項(xiàng)目的研究分析，主要可從如下幾個(gè)方面降低長(zhǎng)沙市PM2.5的濃度含量：1)提高油品質(zhì)量，降低PM2.5的環(huán)境質(zhì)量分指數(shù)；2)規(guī)范堆場(chǎng)、碼頭、攪拌站的管理，加強(qiáng)工程建設(shè)中揚(yáng)塵控制，強(qiáng)化文明工地建設(shè)；3)加強(qiáng)城市道路揚(yáng)塵控制，提高道路保潔率；4)推進(jìn)清潔能源替代，加強(qiáng)大氣污染源監(jiān)管。

四、成果的創(chuàng)新特色、研究意義和社會(huì)影響

(1) 本項(xiàng)目通過(guò)運(yùn)用時(shí)間序列分析方法建立了長(zhǎng)沙市PM2.5預(yù)測(cè)模型。

(2) 制作方便實(shí)用的長(zhǎng)沙市PM2.5預(yù)測(cè)軟件(通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者手機(jī)可實(shí)時(shí)查看)，這為人們的日常生產(chǎn)生活帶來(lái)便利，更為相關(guān)政府工作部門做決策提供了參考。

五、研究成果和研究方法的特色

隨著人類生活水平的不斷提高，空氣質(zhì)量問(wèn)題愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注。近年來(lái)，細(xì)顆粒污染物PM2.5進(jìn)入公眾視線，它不僅會(huì)導(dǎo)致灰霾天氣，還會(huì)影響人們的身體健康。由于目前長(zhǎng)沙市相關(guān)部門對(duì)PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只能進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布，并不能對(duì)空氣污染情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，因此會(huì)給人們的出行帶來(lái)某些不便。本項(xiàng)目研究成果：建立了長(zhǎng)沙市PM2.5濃度的預(yù)測(cè)模型，并開(kāi)發(fā)了預(yù)測(cè)軟件；并對(duì)降低長(zhǎng)沙市PM2.5濃度提供了一些建議措施。

本項(xiàng)目建模過(guò)程采用構(gòu)建ARMA模型的研究方法，能準(zhǔn)確的擬合PM2.5濃度波動(dòng)變化的趨勢(shì)，并且預(yù)測(cè)較為精確。通過(guò)研發(fā)PM2.5濃度預(yù)測(cè)的軟件，更加便于人們的日常查詢，從而有利于提高生活品質(zhì)。

預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行情況，項(xiàng)目研究和實(shí)踐情況，研究工作中取得的主要成績(jī)和收獲，研究工作有哪些不足，有哪些問(wèn)題尚需深入研究，研究工作中的困難、問(wèn)題和建議。

一、預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行情況，項(xiàng)目研究和實(shí)踐情況

2014年3月，組織項(xiàng)目小組自選了課題，并且認(rèn)真填寫了《湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)表》，在校領(lǐng)導(dǎo)和專家的認(rèn)真審核下，獲準(zhǔn)立項(xiàng)。立項(xiàng)通知書下達(dá)后，項(xiàng)目組嚴(yán)格按照計(jì)劃書開(kāi)始分期執(zhí)行計(jì)劃任務(wù)。

1. 項(xiàng)目前期：采集數(shù)據(jù)、查閱資料

2014年3月份至8月份，項(xiàng)目組成員在長(zhǎng)沙市環(huán)保局、氣象局等環(huán)境監(jiān)測(cè)

部門進(jìn)行調(diào)研，獲取PM2.5相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；同時(shí)，

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)及學(xué)校數(shù)字圖書館查閱本項(xiàng)目相關(guān)資料及文獻(xiàn)。

2. 項(xiàng)目中期：PM2.5相關(guān)性因素分析、建立時(shí)間序列模型

2014年9月份至2015年8月份利用相關(guān)性分析法分析長(zhǎng)沙市PM2.5與其它空氣質(zhì)量指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性，并建立回歸預(yù)測(cè)模型；利用時(shí)間序列對(duì)長(zhǎng)沙市PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)項(xiàng)目主體成果進(jìn)行整理，并發(fā)表論文1篇。

3. 項(xiàng)目后期：軟件開(kāi)發(fā)

2016年利用本文的算法，實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)，進(jìn)行成果總結(jié)，并結(jié)題。

二、 研究工作中取得的主要成績(jī)和收獲

項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、模型建立及軟件開(kāi)發(fā)等步驟的分析及操作，系統(tǒng)的掌握了專業(yè)課知識(shí)并且對(duì)于數(shù)學(xué)軟件MATLAB以及統(tǒng)計(jì)軟件SPSS、SAS、Eviews、R軟件可以進(jìn)行熟練操作。除此之外，在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)Java, Html, Jsp, Android, Oracle 等軟件更為深入熟練的掌握。具體如下：

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，更加熟練地掌握了如何利用SPSS軟件，采用EM算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的填補(bǔ)，保證數(shù)據(jù)的完整化；并學(xué)會(huì)如何使用SPSS軟件為消除變量間的量綱關(guān)系，使數(shù)據(jù)具有可比性，對(duì)填補(bǔ)缺失值后的完整數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。模型建立過(guò)程中，掌握采用相關(guān)分析法測(cè)定PM2.5與AQI監(jiān)測(cè)指標(biāo)中其余五項(xiàng)分指

標(biāo)之間的相關(guān)性關(guān)系，并順利得出結(jié)果。通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施執(zhí)行，更加深入地掌握了時(shí)間序列模型的原理以及建模步驟。為了使擬合結(jié)果更精確，首先對(duì)全市平均PM2.5指標(biāo)數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性利用Eviews軟件進(jìn)行單位根(ADF)檢驗(yàn)。根據(jù)結(jié)果顯著性檢驗(yàn)和AIC準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)，反復(fù)篩選替換模型中的p、q值，并利用Eviews軟件操作，最終得到最優(yōu)模型。

三、研究工作中的不足、尚需深入研究的問(wèn)題

本項(xiàng)目的缺點(diǎn)是建立的ARMA模型只適合短期預(yù)測(cè)，對(duì)于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)精確度較低，致使結(jié)果可能與實(shí)際情況不太符合。

由于PM2.5的成因復(fù)雜，而且時(shí)間序列分析的短期預(yù)測(cè)效果不好，本項(xiàng)目可以繼續(xù)考慮通過(guò)支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)PM2.5的成因及演變規(guī)律做分析。

四、研究工作中的困難、問(wèn)題和建議

項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，主要遇到的困難有如下兩個(gè)方面：

(1)數(shù)據(jù)的采集

進(jìn)行項(xiàng)目的首要關(guān)鍵步驟就是采集數(shù)據(jù)，由于長(zhǎng)沙市空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的相關(guān)數(shù)據(jù)并未在相關(guān)官網(wǎng)上公布(例如：西安市AQI歷史數(shù)據(jù)詳細(xì)、完整地公布在“西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站”的官網(wǎng)上)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上有關(guān)長(zhǎng)沙市AQI的相關(guān)數(shù)據(jù)極其匱乏。因此，這對(duì)數(shù)據(jù)的查詢過(guò)程帶來(lái)了極大的不便。希望長(zhǎng)沙市有關(guān)部門能夠?qū)?/span>AQI等數(shù)據(jù)公開(kāi)透明化，以便于學(xué)者的查詢、研究。

(2)專業(yè)知識(shí)的不足

項(xiàng)目的建模以及預(yù)測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)專業(yè)知識(shí)的要求極高，各小組成員僅憑在課堂中學(xué)到的知識(shí)在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中屢次遇到困難，使之難以進(jìn)行下去。但各位成員迎難而上，遇到難以解決的問(wèn)題積極面對(duì)、共同探討，課余之外查閱資料、文獻(xiàn)并認(rèn)真學(xué)習(xí)，最終順利解決困難、得出研究結(jié)論。

經(jīng)費(fèi)合計(jì)20000元，其中，學(xué)校配套資助10000元，學(xué)院（所）配套資助0元，其他經(jīng)費(fèi)0元。

項(xiàng)目指導(dǎo)教師對(duì)結(jié)題的意見(jiàn)，包括對(duì)項(xiàng)目研究工作和研究成果的評(píng)價(jià)等。

負(fù)責(zé)人簽章：

年月日

學(xué)校對(duì)項(xiàng)目研究的任務(wù)、目標(biāo)、方法和研究成果水平等進(jìn)行評(píng)價(jià)，是否結(jié)題。

年月日

學(xué)校名稱

項(xiàng)目名稱

學(xué)生姓名

導(dǎo)師姓名

立項(xiàng)年份

內(nèi)容

年份

項(xiàng)目數(shù)量

項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)

項(xiàng)目學(xué)生

獲得研究成果

項(xiàng)目學(xué)生

學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)