Прогнози вчених КПІ мають допомогти Україні у боротьбі з коронавірусом

Сценарії розвитку пандемії коронавірусу, що їх розробляє команда вчених проєкту «ФОРСАЙТ COVID-19» Світового центру даних «Геоінформатика і сталий розвиток» при КПІ ім. Ігоря Сікорського , допомагають дати відповідь на питання, як житимуть українці в умовах пандемії ближчі місяці, як зміниться світ і Україна після завершення пандемії, коли це може статися?

Цим проблемам присвячена серія досліджень вчених, спрямованих на здійснення прогнозного моделювання і передбачення (форсайту) зазначених явищ на довгостроковому (декілька років), середньостроковому (декілька місяців) і короткостроковому (5-7 днів) часових горизонтах.

В першому з них здійснена спроба системно проаналізувати циклічний характер виникнення пандемій та їх вплив на економіку і суспільство глобального світу на довгостроковому часовому відрізку. Проаналізовано вплив пандемій свинячого грипу, Ебола і коронавірусу (які відбувалися протягом останніх 12 років) на розвиток світової економіки та глобального суспільства. Показано, що ці пандемії носять циклічний характер з періодом повторення, який приблизно дорівнює п’яти рокам. Вони суттєво впливають на світову економіку, приводячи до розриву економічних ланцюгів і гальмування розвитку економіки і суспільства.

Шляхом співставлення на часовій осі термінів дій цих пандемій з 40-50-річними економічними циклами Миколи Кондратьєва, основаними на зміні технологічних укладів суспільства; 7-11-річними циклами Клемента Жюгляра, пов'язаними з спрямованістю інвестицій в бізнес та промисловим індексом Доу-Джонса, що відображає загальну капіталізацію 30 найбільших американських компаній, були зроблені наступні висновки:

– в 2020-2021 році закінчується знижувальна хвиля 5-го циклу Кондратьєва, яка з переходом до наступного технологічного укладу переключається на підвищувальну хвилю 6-го К-циклу, що вказує на об'єктивні умови подальшого тривалого підйому світової економіки;
– у той же час, старт цього підйому на часовому відрізку 2020-2021 роки суттєво послаблюється розривом традиційних економічних ланцюжків в результаті пандемії коронавірусу, значним «розпорошенням» (розфокусованістю) інвестицій у різні бізнеси (як застарілі, так і перспективні), що призводить до досягнення чергового дна циклу Жюгляра і падіння на 30-40% індексу Доу-Джонса;
– цей спад за Жюгляром має тривати приблизно протягом року, під час якого відбудеться перенаправлення інвестицій на технології 6-го укладу. Після перевищення внеску у світовий ВВП понад 5-7% за рахунок технологій 6-го укладу має розпочатися підйом глобальної економіки як за Кондратьєвим, так і за Жюгляром;
– відповідно до результатів прогнозного моделювання зазначені позитивні зміни можуть розпочатися як в глобальному суспільстві, так і в Україні вже в кінці 2021 року.

Перше дослідження проводилося з використанням Інтелектуального аналізу даних (Data Mining), принципу подібності в математичному моделюванні (Principle of Similarity in Mathematical Modeling), кореляційного аналізу (Сorrelation Аnalysis), регресійного аналізу (Regression Analysis).

Друге дослідження команди проєкту було присвячено аналізу особливостей розвитку пандемії коронавірусу в Україні на середньостроковому часовому відрізку (декілька місяців) з огляду на її територіальну нерівномірність в різних регіонах країни, рівнем дотримання умов карантину, відсотком інфікованих лікарів у порівнянні з іншими країнами Європи, масштабами проведення тестів та з урахуванням інших факторів.

З застосуванням методів кореляційного та регресійного аналізу і принципу подібності в математичному моделюванні було показано, що на середньостроковому часовому горизонті (до кінця серпня 2020 року) процес розповсюдження коронавірусу в Україні може пройти наступні фази:

– до третьої декади травня 2020 року найбільш ймовірним буде наростання пандемії із змінним характером (лінійне зростання може тимчасово переходити в експоненціальне і навпаки). Це пояснюється найгіршим в Європі дотриманням режиму карантину, найнижчим в Європі відсотком проведених тестів на коронавірус, найвищим в Європі відсотком інфікованих лікарів та деякими іншими несприятливими факторами;
– протягом третьої декади травня найбільш ймовірним може бути пік пандемії;
– повільне згасання пандемії коронавірусу може відбуватися протягом найтеплішої пори року в Україні, з кінця травня до кінця серпня 2020 року, в міру поступового набуття населенням колективного імунітету, покращенням роботи системи охорони здоров’я, підвищенням соціальної відповідальності та свідомості населення;
– протягом осінньо-зимового періоду 2020-2021 років не виключена поява другої хвилі пандемії.

В рамках середньострокового прогнозного моделювання командою проєкту було виконано дослідження регіональних особливостей розповсюдження пандемії коронавірусу, враховуючи значну територіальну нерівномірність цього процесу на території країни, відмінності комунікації населення, різні релігійні традиції, нерівномірність міграційних потоків, регіональні особливості протидії та боротьби з хворобою тощо.

Ставилося завдання виявлення та аналізу тренду кількості нових інфікованих хворих в областях України, м. Києві та в країні в цілому, виходячи з суттєвої неоднорідності та нестаціонарності процесів розповсюдження коронавірусу, їх стохастичної природи та високої волатильності. Було використано методи технічного аналізу часових рядів, з застосуванням базових індикаторів «zigzag» та «supertrend» для відстеження основних трендів на фондових ринках, які за характером волатильності подібні до трендів розповсюдження коронавірусу.

Результати прогнозного моделювання дозволили класифікувати усі регіони України на чотири групи:

– з стабільним (лінійним) характером плину процесу пандемії (Житомирська, Івано-Франківська, Одеська, Рівненська, Харківська, Чернівецька, Миколаївська) області;
– з тенденцією зростання кількості нових виявлених хворих за день (м. Київ, Вінницька, Волинська, Дніпропетровська, Львівська) області;
– з тенденцією спадання кількості нових виявлених хворих за день (Кіровоградська, Запорізька, Полтавська, Сумська, Херсонська, Черкаська, Тернопільська) області;
– з невизначенною, тенденцією (Донецька, Луганська, Миколаївська, Хмельницька, Чернігівська) області у зв’язку з недостатньою, на час проведення дослідження, кількістю даних для аналізу (було зафіксовано менше 200 хворих).

Короткострокове (корегуюче) прогнозне моделювання виконується вченими що п’ять днів з використанням багатошарової нейронної мережі Back Propagation на основі механізму «ковзного вікна» з кількістю точок даних для навчання нейронної мережі – 12 (). Результати цього дослідження показали, що для України на п’ятнадцятиденному відрізку часу (06.05.20 - 20.05.20) характер розвитку пандемії набуває більш чіткого лінійного характеру з рівнем «плато» - (400-550) нових інфікованих на день. Такий характер розвитку процесу може продовжитися до третьої декади травня 2020 року, протягом якої ймовірно може настати пік пандемії. Після чого, пандемія ймовірно може піти на спад (кількість щоденно інфікованих буде стійко нижчою кількості щоденно видужалих людей).

Для міста Києва, протягом п’ятнадтиденного відрізку часу (06.05.20 - 20.05.20) процес розвитку пандемії поки що є більш нестаціонарним з ймовірним зниженням його волатильності і набуттям більш чіткого лінійного характеру на наступному тижні.

Середня абсолютна похибка у відсотках виконаного прогнозу не перевищує MAPE = 1.878 для України і МАРЕ = 2.3% для м. Києва. Дослідники зазначають, що на більших обсягах даних (як це має місце для України у порівнянні з м. Києвом) нейронна мережа Back Propagation є менш чутливою до короткотермінових збурень та сплесків і дозволяє отримати меншу похибку прогнозу.

Результати прогнозного моделювання також вказують на те, що кількість щоденно видужалих людей в Україні наближається до кількості щоденно інфікованих людей. Команда проєкту очікує, що в третій декаді травня цей баланс може стати стійко позитивним, що засвідчить початок спаду пандемії.

Понад 250 засобів масової інформації опублікували результати досліджень науковців КПІ. Дані, отримані вченими, можуть стати важливими для прийняття подальших рішень щодо ефективного подолання наслідків пандемії в країні та перебудови економіки і суспільних інститутів після її завершення, виходячи з нових реалій глобального світу і України.