基于ARIMA差分自回归移动平均的时间序列预测模型【MATLAB】

作品简介

基于ARIMA差分自回归移动平均的时间序列预测模型

在数据科学和定量分析领域，时间序列预测始终是一个核心课题。无论是金融市场的波动、气象指标的演变，还是资源需求的变动，时间序列数据都蕴含着随时间演进的规律。在众多经典预测算法中，ARIMA（AutoRegressive Integrated Moving Average） 模型凭借其严谨的数学基础和卓越的解释性，成为了预测领域的“常青树”。

一、 ARIMA 模型的理论核心

ARIMA 模型，全称为差分自回归移动平均模型，其核心理念是将非平稳的时间序列通过差分转化为平稳序列，再结合历史观测值与预测误差进行综合建模。

一个典型的 ARIMA(p,d,q)模型由三个关键部分组成：

  1. 自回归项 (AR, p)：反映了当前时刻的值与其过去 p个时刻的历史值之间的线性关系。
  2. 差分项 (I, d)：为了使原始数据达到平稳状态，需要进行减法运算的次数。
  3. 移动平均项 (MA, q)：描述了当前值与过去 q 个时刻的预测误差之间的线性关系，用于平滑序列中的随机波动。

二、 建模的关键流程

构建一个高性能的 ARIMA 模型并非简单的公式套用，而是一个严谨的统计实验过程。

1. 数据平稳性检验

ARIMA 模型建立在序列平稳的假设之上。所谓平稳性，是指序列的均值、方差不随时间显著改变。

在实际应用中，通常采用“双重检验”机制：

  • ADF（单位根检验）：用于判断序列是否存在单位根，即是否具有随机趋势。
  • KPSS 检验：一种互补检验，用于验证序列的平稳性假设。

若原始序列不平稳，则需引入差分运算（即用后一时刻值减去前一时刻值）。差分的过程会反复进行，直到序列通过平稳性检验，此时的累计差分次数即为模型参数 d

2. 模型定阶：寻找最优组合

在确定了差分阶数 d 后，如何选择最优的 p（自回归阶数）和 q（移动平均阶数）是模型成功的关键。这一过程通常依赖于信息准则：

  • AIC（赤池信息准则）：衡量模型对数据的拟合程度。
  • BIC（贝叶斯信息准则）：在拟合度的基础上，对模型参数的数量施加更严格的惩罚。

最优的模型往往是在拟合精度与模型简洁度之间取得平衡的组合，即寻找使 AIC 和 BIC 综合得分最小的 p 与 q


3. 滚动预测机制

为了提高预测的实战意义，模型通常采用**滚动预测（Rolling Forecast）**策略。

逻辑如下：在预测未来的每一个点位时，模型都会动态地吸收前一时刻的真实观测值。这意味着模型在每一个预测步骤中都会重新估计参数，从而确保预测逻辑始终与最新的趋势保持同步，有效防止长短期预测中常见的误差累积效应。

三、 模型评估与诊断

一个稳健的模型不仅需要良好的预测值，更需要通过严格的“体检”。

1. 误差评估指标

我们通过以下指标来量化预测精度：

  • RMSE（均方根误差）：对大幅度的偏离非常敏感，反映了预测的稳定性。
  • MAE（平均绝对误差）：直观地展示了预测值与真实值之间的平均差距。
  • R2（决定系数）：衡量模型对原始数据波动的解释比例，越接近 1 说明模型捕捉趋势的能力越强。

2. 残差诊断：模型是否“榨干”了信息？

模型的本质是从数据中提取规律，剩下的部分（残差）理应是纯粹的随机噪声。

  • ACF/PACF 图像分析：通过观察自相关函数和偏自相关函数图，检查残差中是否还残留未被利用的规律。
  • QQ 图（分位数图）：用于验证残差是否服从正态分布。如果残差点基本沿着 45 度直线排列，说明模型对数据特征的提取非常完整。

四、 部分代码


%%  清空环境变量
warning off             % 关闭报警信息
close all               % 关闭开启的图窗
clear                   % 清空变量
clc                     % 清空命令行

%%  导入数据（时间序列的单列数据）
result = xlsread('data.xlsx');

%%  数据集分析
num_size = 0.7;                              % 训练集占数据集比例
num_samples = length(result);                % 样本个数 
num_train_s = round(num_size * num_samples); % 训练集样本个数

%%  参数设置
result_org1 = result(1 : num_train_s);        % 划分的用于平稳性分析数据
result_org=result_org1 ;
p_train = result_org;                        % 和用于选择阶数
M = length(result_org);                      % 训练集样本个数
N = num_samples - M;                         % 测试集样本个数


五、 运行结果

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述


六、 总结与展望

ARIMA 模型以其深厚的统计学底蕴，为时间序列预测提供了一套标准的分析范式。它不仅能输出预测结果，还能通过参数解释数据内在的惯性与波动逻辑。


然而，ARIMA 也有其局限性。它主要处理的是线性规律，且对长期的非线性波动捕捉能力有限。在处理高度复杂、具有强季节性（需使用 SARIMA）或多变量影响的场景时，ARIMA 往往作为基础基准模型，与深度学习（如 LSTM）或集成学习（如 XGBoost）结合使用，以发挥各自的优势。


对于任何想要深入了解时间序列分析的学者或开发者来说，掌握 ARIMA 的理论精髓，是通往高级预测算法领域的必经之路。

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