国家调控油价预测案例+源码

项目git地址：https://github.com/Boris-2021/Oil-price-control-forecast

使用已知的历史数据：日期、汇率、布伦特、WTI、阿曼原油价格，预测下一个调价周期中的汽油、柴油零售限价的调价价格。

一. 需求

1.1 需求说明

使用已知的历史数据：日期、汇率、布伦特、WTI、阿曼原油价格，预测下一个调价周期中的汽油、柴油零售限价的调价价格。

1.2 数据说明

原始数据中包含字段为。日期、汇率、布伦特、WTI、阿曼原油价格、汽油、柴油零售限价的调价价格、税率。其中汇率、布伦特、WTI、阿曼原油价格、为输入已知条件数据。汽油、柴油零售限价的调价价格为输出未知变量。

除日期字段其他都是数字类型可统一（float），税率列在算法开发过程没有被使用。

1.3 特别注意

如图绿框中的数据，表示上一个十天的周期，所带来的调价一般在下一个周期的第二天出现。中间隔了一天这一天的限价还沿用上个周期的数据。

二.数据分析

数据分析适当的统计分析方法对收集来的数据初步的认识，提取有用信息和形成结论而对数据加以详细研究和概括总结。使用初步的数据认识和结论进一步规划数学建模的方法，达到为建模提供思路和提高建模效率。

2.1 可视化

我们选取2022年1月到十月的输入数据绘制折线图。

从图中我们可以看出：

1、三种原油价格变化相似性比较高。基本保持比较一致的波动。

2、汽油柴油的价格变化相似性也比较高。基本保持比较一致的波动。

3、四个输入字段对比汽油柴油数据来看，三种原油的价格波动于目标输出有想似的趋势走向关系，有直接的因果关系。而汇率字段的数据在趋势上看没有直接的趋势因果关系。

上图我们以汽油调价做Y周，四种输入字段分别做X轴绘制散点图，查看分布情况。可以看出。

1，汽油调价和三种原油呈现一定的线性分布关系，基本山随着原油价格的提高，调价也会提高。3者分布中WT离散程度最高。阿曼最低。

2，汽油调价和汇率散点图中的线性关系不明确，有一些分散，但是汇率高的时候一般汽油调价不会底。

2.2 相关性

相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，从而衡量两个变量因素的相关密切程度。

pearson相关系数衡量的是线性相关关系。若r=0，只能说x与y之间无线性相关关系，不能说无相关关系。相关系数的绝对值越大，相关性越强：相关系数越接近于1或-1，相关度越强，相关系数越接近于0，相关度越弱。

计算相关性系数，绘制热力图记录相关性数据，三原油价格和汽油调价价格相关性都大于0.7，属于强相关因素。汇率小于0.5直接相关性比较弱。

由于汇率并不直接作用于调价数据。我们尝试将汇率乘进原油价格，比较乘积数据的相关性。

计算相关性，绘制热力图，发现汇率乘进原油价格后与零售价格调整之间的相关性系数变大。可见汇率*原油价格的数据更直接影响价格的调整。

基于以上数据认知我们进行建模的初试。

三. 算法模型初探

3.1 线性模型

3.1.1 Lr线性回归模型

（这节主要描述线性回归模型原理内容，只关注使用可忽略此章节）

回归分析是指一种预测性的建模技术，主要是研究自变量和因变量的关系。通常使用线/曲线来拟合数据点，计算出参数使曲线到数据点的距离差异最小。

假设目标值（因变量）与特征值（自变量）之间线性相关（即满足一个多元一次方程，如：f(x)=w1x1+…+wnxn+b.）。

然后构建损失函数。

最后通过令损失函数最小来确定参数。（最关键的一步）

那么因变量中的参数是如何通过算法确定的呢：这里使用正规方程解的方式说明。

正规方程一般用在多元线性回归中，原因等你看完也就能理解为什么。所以这里不再用一元线性回归举栗子了。

同样，假设有n组数据，其中目标值（因变量）与特征值（自变量）之间的关系为：

其中i表示第i组数据，这里先直接给出正规方程的公式：

损失函数为：

对损失函数求导并令其为0，有

到此，就求出了所有系数θ。

3.1.2 Lr模型初试

输入：汇率+3种原油价格、

只选取调价日当天的数据（2022.1-2022.10）19条、 训练集前14条数据，验证在后5条数据。

结论：1，R2指标0.41， 2，后5条数据拟合情况很差， 3，在训练数据集种的数据拟合很好平均差值100左右，验证数据平均差值大于500。

输入： 选用特征：3种原油价格+原油价格*汇率、

只选取调价日的数据19条数据、 训练集前15条数据，验证在后4条数据。

结论：1，R2指标0.88、2，后4条数据拟合情况一般、3，后四条数据预测和真实情况差距在300以内

发现模型预测的数据和真实数据还是有一定的距离，而后四条测试的数据，在验证涨跌这一块有一些问题（后四次数据展示出一次涨，三次跌）预测的数据预只测对了两次跌的情况。

3.2 决策树模型

3.2.1 决策树回归模型

（这节主要描述决策树回归模型原理内容，只关注使用可忽略此章节）

决策树是一种非常基础又常见的机器学习模型。

一棵决策树（Decision Tree）是一个树结构（可以是二叉树或非二叉树），每个非叶节点对应一个特征，该节点的每个分支代表这个特征的一个取值，而每个叶节点存放一个类别或一个回归函数。

使用决策树进行决策的过程就是从根节点开始，提取出待分类项中相应的特征，按照其值选择输出分支，依次向下，直到到达叶子节点，将叶子节点存放的类别或者回归函数的运算结果作为输出（决策）结果。

上图是后边拟合残差形成的决策树图，后边会对图进行解释说明。

简单讲，有以下几步可训练得到一个决策树：

准备若干的训练数据（假设有 m 个样本）；

标明每个样本预期的类别；（本数据中为调价结果）

人为选取一些特征（即决策条件：本数据中为输入指标）；

为每个训练样本对应所有需要的特征生成相应值——数值化特征；

将通过上面的1-4步获得的训练数据输入给训练算法，训练算法通过一定的原则，决定各个特征的重要性程度，然后按照决策重要性从高到底，生成决策树。

这里边要理解一个决定特征重要程度是如何计算的：决策树的构造过程是一个迭代的过程。每次迭代中，采用不同特征作为分裂点，来将样本数据划分成不同的类别。被用作分裂点的特征叫做分裂特征。选择分裂特征的目标，是让各个分裂子集尽可能地“纯”，即尽量让一个分裂子集中的样本都属于同一类别。如何使得各个分裂子集“纯”，算法也有多种，这里以ID3为例。

该算法的核心是：以信息增益为度量，选择分裂后信息增益最大的特征进行分裂。

首先我们要了解一个概念——信息熵。

假设一个随机变量 x 有 n 种取值，分别为 {x1,x1,…,xn}，每一种取值取到的概率分别是 {p1,p2,…,pn}，那么 x 的信息熵定义为：

Entropy(x)=−∑ni=1pilog2(pi)

熵表示的是信息的混乱程度，信息越混乱，熵值越大。

设 S 为全部样本的集合，全部的样本一共分为 n 个类，则：

Entropy(S)=−∑ni=1pilog2(pi)

其中，pi 为属于第 i 个类别的样本，在总样本中出现的概率。

接下来要了解的概念是信息增益，信息增益的公式为（下式表达的是样本集合 S 基于特征 T 进行分裂后所获取的信息增益）：

InformationGain(T)=Entropy(S)−∑value(T)|Sv||S|Entropy(Sv)

其中：

S 为全部样本集合，|S|为S 的样本数；T为样本的一个特征；value(T) 是特征 T 所有取值的集合；v 是 T 的一个特征值；Sv 是 S 中特征 T 的值为 v 的样本的集合，|Sv|为Sv 的样本数。

（这节主要描述决策树回归模型原理内容，只关注使用可忽略此章节）

3.2.2 决策树模型初试

输入： 选用特征：3种原油价格+原油价格*汇率+前一次价格、

只选取调价日的数据19条数据、 训练集前15条数据，验证在后4条数据。

结论：1，R2指标0.96、2，后4条数据拟合情况一般、3，后四条数据预测和真实情况差距在300以内、4、在验证涨跌趋势这一块有提升

决策树模型的稳定性比较差，经过多次测试，有很多次结果都不是一致的。所以还是以线性回归模型做基准模型。

3.2.3 XGB集成学习模型

这个模型的尝试效果不佳暂不展开说明了。

四. 特征分析

在上边的算法模型初探中，我们的输入都是调价日当天的，也就是每个十天的周期只选择了一天的数据，2022.1-2022.10有19个十天周期挑选出了19条数据。这样没有使用上10天的综合数据。

特征分析目的在于对输入做处理，通过分析不同的输入特征方式，来改善模型的效果。

4.1 不同特征组合对比

4.1.1 每组中十天的数据做输入

如图所示：将每个十天周期中的第1天到10天的原油汇率乘积与本周期的调价结果放同一行。

通过相关性热力图（布伦特十天数据为例）可以看出，调价和前8天数据的相关性都比调价日的高，所以使用更多强相关的输入，会提升线型模型的效果。

使用10天的数据做输入，调价做输出训练模型。

输入： 所有特征前十天数据

只选取调价日的数据19条数据、 训练集前14条数据，验证在后4条数据。

y_test-y_pred: [0.0, -0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, -54.0, 61.2, 145.9, 136.7]

y_test-y_pred表示图中真实值和预测值的差值。

结论：0、做输入表现次好，1，后4条数据拟合情况还可以、3，后四条数据预测和真实情况差距在150以内。

除了所有特征前十天数据做输入，还进行了只使用布伦特x汇率前十天数据、只使用WTIx汇率前十天数据、只使用阿曼x汇率前十天数据、所有特征1\4\5\6\7天数据做输入的多种组合的尝试。总体效果比上一阶段有所提升，他们之间区别不大，不展开说明了。

4.1.2 每组中十天综合指标做输入

尝试输入新的指标特征提升模型效果：加入每组中的输入的均值、斜率、中位数、等特征。

绘制相关性热力图，我们发现，汽油调价与均值，中位值，拟合中值，相关性系数很高，基本接近于1。加入这个特征做输入训练模型，尝试效果。

使用10天的数据做均值，调价做输出训练模型。

输入： 所有特征前十天数据的均值

y_test-y_pred: [54.1, 56.2, -15.3, -98.3, 21.6, 60.4, -58.0, -17.5, -100.2, 9.5, 45.9, 31.9, 31.5, -21.9, 81.1, 54.3, 127.4, 97.0]

y_test-y_pred表示图中真实值和预测值的差值。

结论：0、做输入表现次好，1，后4条数据拟合情况还可以、3，后四条数据预测和真实情况差距在130以内。

除了所有特征前十天数据的均值做输入，还进行了只使用十天数据的中位数、拟合中值、斜率、十天数据加以上指标的多种组合的尝试。总体上还是单使用均值做输入，真实与预测的差值最小。

五.算法模型的优化

5.1 滑动窗口回测分析

回测是指基于历史已经发生过的真实油价数据，在历史上某一个时间点开始，按照上文的预测方式，得出历史中的预测结果，与真实结果比较。进一步分析模型在历史数据中表现的好坏。

以上步骤我们都只使用了2022.1-2022.10的19个调价周期的数据，现在我们准备将数据增加2021.1到2022.11的43个调价周期的数据。在这些数据上使用以上的方式，进行滑动窗口的模型回测。

1, 通过回测，确定最好作为训练集数据的时间段。（通过之前的工作发现将所有的数据作为训练集并不好。40组并不比20组数据好。一组10天）

2，通过回测，确定最好的输入特征（通过之前的工作，确定好几个强相关性指标，有很多种排列组合，通过不同特征模型的回测数据确定那种效果是最好的）

3，通过回测，确定最好的模型。（之前实验过线性模型，决策树模型，XGB模型）

y_pre_list-y_ture: [38.1, 21.7, -16.8, -18.0, -14.6, -39.4, -13.6, -53.6, 33.2, -10.3, -27.3, 1.9, -4.4, 1.1, 18.4, 65.1, 96.3, 87.4, -87.1, -53.3, 8.7, 50.9, 86.2, -23.9, -63.5, -48.9, 17.2, -30.0, 1.4, -108.3, -30.8, -119.3, -57.6]

y_pre_list-y_ture表示预测值和真实值的差。

1，实验了分别使用5-20组时间段数据训练模型预测，结论使用10组训练模型去预测结果较好。

2，我使用了【原油X汇率均值，原油X汇率拟合中值，原油X汇率中位数，本次限价价格】排列组合，回测效果，结果是使用【原油X汇率均值】拟合的模型，效果好

3，再确定输入特征的基础上，模型试用了，决策树，XGB,线性回归，再模型的稳定性上看，结果是线性模型效果好

5.2 线性模型的不足

经过各种输入特征，各种模型，及训练集长度的回测测试后，我们已经找到了一种做好的情况的组合。但是任然在一些情况下，预测与真实差值会比较大。

在回测数据中，真实值与预测的平均误差在48左右，而真实值和预测值误差较大的地方，一般出现在调整价格长期增长的时候，或者长期下降的时候。

如图示，第二个第三个子图，分别表示历史布伦特汇率_均值最近2次周期中的价格斜率，历史布伦特汇率_均值最近5次周期中价格斜率，斜率表示价格增长或者降低的程度。第四子图表示真实值和预测值误差折线图。

可以到误差极大极小值，一般都在短期斜率长期斜率都在高位或者低位的时候。

1，预测值是基于历史前十组数据形成lr模型生成的结果，它反应了历史近十组原油价格与调价结果的函数关系。

2，了解1中的含义，再看长期短期原油都在增长的是时期中，前期阶段真实值小于预测值，也就是真实值要低于原油价格反应出的调整价格（基于历史十次周期）。

3，再此基础上将此现象示为调价的“长尾效应”，即在外围原油成本价格上涨的时候，国内价格调整并没有那么多，也就是小于预测值。外围成本下降时相反。

4，长尾效果并不会持续出力很长时间，一方面新的数据参与进lr模型的训练，使函数在预测增长偏于保守，另一方面真实调整价格的压增长的行为可能也就进行几次，之后会释放。这也就容易在长期增长的曲线中出现，误差这次极大，下次极小的震荡现象。

5.3 决策树模型

基于原油平均值拟合的lr模型已经基本拟合了，平均误差48，调整价格平均在10000的话，误差占调整价格的大概不到0.5%。所以我们可以使用lr模型来做基准模型，给我们预测值一个比较不错的数值范围。

而在上边的线性模型的不足中了解到，有些较大的误差的出现，可能时源自于价格调整中的长尾效应。想要进一步提高模型的准确性，我们可以从这些较大误差入手，我们将回测数据中的误差看作残差，我们在训练一个拟合残差的模型，来提升基准模型的准确度。

上表将长期短期同增长或下降的数据提出，对比看起残差值。

布伦特汇率_均值_slop2 为布伦特汇率_均值在两次调价中表现的斜率、布伦特汇率_均值_slop5 为布伦特汇率_均值在五次调价中表现出来的斜率。

预测与真实调整价格差值 为正，通常是在一定时间上升期中，基模型通常遵循原油价格预测调控价格的值，高于真实发改委给出的调控价格，原因在长尾效应在上升期有意拉低上升的程度。

预测与真实调整价格差值 为负，通常是在一定时间下降期中，基模型通常遵循原油价格预测调控价格的值，低于真实发改委给出的调控价格，原因在于长尾效应在下降期有意延缓下降的程度。

认为残差的大小与长期短期增长斜率有关系，所以使用这个数据，训练决策树模型。

上图是决策树可视化图。决策树算法可以通过历史回测的误差数据的增多，增加决策树的条件分支。增加模型的规模。

5.4 最终模型的确立

最终采用了lr模型+决策树（拟合残差）模型的组合方式，进行算法预测。

算法的计算过程：

1，使用历史数据，回测基模型（lr模型）产生历史回测数据，记录基模型的误差。

2，使历史回测数据中记录的误差数据训练残差模型（决策树模型），用来弥补基模型的误差。

3，在预测的使用阶段，预测数据由 ：基模型（lr模型）预测数值 - 残差模型（决策树）预测数值 = 最终预测值

六.评估

6.1 回测评估

最终的计算预测的方式确立为lr模型+决策树（拟合残差）模型的组合方式，我们在使用这个算法模型在历史数据终回测，查看效果。

经过基模型+残差模块修正 的回测，误差的均值由48多下降到30。

经过回测，连续上升期或下降期，前中期残差模块可以起到修正误差作用。

应该注意的是，由于长尾效果并不会持续出力很长时间，超过几次逆势调整之后的修正比较容易失效。所以出现了一些负向的误差负向增大的现象。

6.2 最新两次调价结果

使用这种预测方法在近两次真实调价中的表现结果：

11月16号：

预测值：

汽油：11159 价格下降

柴油：9445 价格下降

真实值：

汽油：11194 价格下降

柴油：9475 价格下降

误差：

汽油：-35

柴油：-30

七.总结

目前已经在运用的预测调价油价的方法，是通过单一的时间维度的价格调整数据，其预测的本质基本都是围绕单一维度数：调价价格。这一时序数据本身的周期性，趋势性等特性来进行预测。

这种传统方式是有很大局限性的。首先决定调整价格结果的因素有很多，仅仅使用单一维度的时序数据，数据利用率很低，并且训练算法模型很难保证准确率。其次时序算法是将过去的趋势延伸到来来，因此这种方法无法预测时间序列的转折点。在这种情况下，预测人员往往需要依靠自己的知识和经验对预测结果进行修正。

实时上国内油价调整价格受 国际原油价格，汇率等指标强影响，因此通过收集处理布伦特，WTI、阿曼、汇率等数据。将这些数据纳入预测调价结果的模型，可以大大提升可用数据利用率，更重要的是也提高预测准确率。在误差的基础上训练自触发的修正学习模型，可以对结果进行自动的进一步修正，大大提升了算法的健壮性，减少了人工的参与更加智能。

经过回测，连续上升期或下降期，残差模块可以起到修正误差作用。相对于传统人工对预测结果进行修正的方法，本技术方案自动化修正大大提升了模型的应用性。