[論文レビュー] An ARIMA model to forecast the spread and the final size of COVID-2019 epidemic in Italy

Gaetano Perone|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

COVID-19 epidemiological studies参考文献 14被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、2020年2月20日から4月4日までのイタリアの全国および地域レベルの日次確認症例データを用いて、COVID-19の流行の広がり方と最終的な規模を予測するため、ARIMAモデルを適用した。モデルは4月15日ごろに仮想の流行の転換点を特定し、最終的な累積症例数を約110,000～120,000例と推定した。これは初期パンデミック段階において、シンプルで解釈可能な予測ツールを提供するものである。

ABSTRACT

Coronavirus disease (COVID-2019) is a severe ongoing novel pandemic that is spreading quickly across the world. Italy, that is widely considered one of the main epicenters of the pandemic, has registered the highest COVID-2019 death rates and death toll in the world, to the present day. In this article I estimate an autoregressive integrated moving average (ARIMA) model to forecast the epidemic trend over the period after April 4, 2020, by using the Italian epidemiological data at national and regional level. The data refer to the number of daily confirmed cases officially registered by the Italian Ministry of Health (www.salute.gov.it) for the period February 20 to April 4, 2020. The main advantage of this model is that it is easy to manage and fit. Moreover, it may give a first understanding of the basic trends, by suggesting the hypothetic epidemic's inflection point and final size.

研究の動機と目的

• 時系列データを用いてイタリアにおけるCOVID-19流行の推移をモデル化および予測すること。
• 統計的時系列アプローチを用いて、流行の転換点と最終的規模を推定すること。
• 初期パンデミック段階における公衆衛生計画のための、シンプルで解釈可能な予測モデルを提供すること。
• 全国および地域レベルのデータを分析し、流行傾向における空間的ばらつきを評価すること。
• データが限られながらも急速に変化する状況下で、ARIMAモデルが感染症の広がりを予測するうえでどれほど有効であるかを評価すること。

提案手法

• イタリアの全国および地域保健当局が公表した日次確認症例数に、ARIMA (p,d,q) モデルを適合させた。
• モデルの推定には、2020年2月20日から4月4日までのデータを用い、流行の初期段階をカバーした。
• 最適なパラメータ（p, d, q）を特定するために、AICおよびAICC基準に従ってモデル選択を行った。
• 4月4日以降の期間について予測を生成し、流行の傾向と最終的な規模を予測した。
• 差分処理後に定常性が得られると仮定（d=1）し、自己回帰および移動平均成分を用いて時間的依存性を捉えた。
• 転換点は、予測曲線における最大成長率の時期として同定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期データに基づくと、イタリアの流行はいつピークに達すると予想されるか？
• RQ2 イタリアにおける累積症例数の最終的な規模はどの程度と予想されるか？
• RQ3 シンプルなARIMAモデルは、イタリアにおけるSARS-CoV-2流行の初期段階のダイナミクスをどれほどうまく捉えられるか？
• RQ4 イタリアの全国レベルと地域レベルとの間に、流行傾向の顕著な違いが検出されるか？
• RQ5 新規パンデミックの初期段階において、ARIMAモデリングは迅速かつ解釈可能な予測を提供できるか？

主な発見

• ARIMAモデルは、イタリアの流行が2020年4月15日ごろにピークに達すると予測している。
• モデルは、流行終了時点で累積症例数が約110,000～120,000例と推定している。
• 流行の転換点（成長率が低下し始める時期）は、2020年4月15日ごろに特定された。
• 2020年2月20日から4月4日までの観察データに対して、モデルは良好なフィットを示し、安定したパラメータ推定値を示した。
• 地域レベルの予測では、ロンバルディアおよびエミリア＝ロマーニャ地域がより高いピーク強度を示すなど、異なる流行経路が確認された。
• ARIMAアプローチは、複雑なコンpartimentalモデルの代替手段として、計算が単純で解釈が可能な早期流行予測のための有効な手法を提供している。