Background: Early forecasts of dengue are an important tool for disease mitigation. Neural networks are powerful predictive models that have made contributions to many areas of public health. In this study, we reviewed the application of neural networks in the dengue forecasting literature, with the objective of informing model design for future work. Methods: Following PRISMA guidelines, we conducted a systematic search of studies that use neural networks to forecast dengue in human populations. We summarized the relative performance of neural networks and comparator models, architectures and hyper-parameters, choices of input features, geographic spread, and model transparency. Results: Sixty two papers were included. Most studies implemented shallow feed-forward neural networks, using historical dengue incidence and climate variables. Prediction horizons varied greatly, as did the model selection and evaluation approach. Building on the strengths of neural networks, most studies used granular observations at the city level, or on its subdivisions, while also commonly employing weekly data. Performance of neural networks relative to comparators, such as tree-based supervised models, varied across study contexts, and we found that 63% of all studies do include at least one such model as a baseline, and in those cases about half of the studies report neural networks as the best performing model. Conclusions: The studies suggest that neural networks can provide competitive forecasts for dengue, and can reliably be included in the set of candidate models for future dengue prediction efforts. The use of deep networks is relatively unexplored but offers promising avenues for further research, as does the use of a broader set of input features and prediction in light of structural changes in the data generation mechanism.


翻译:背景:登革热的早期预测是疾病防控的重要工具。神经网络作为强大的预测模型,已在公共卫生多个领域做出贡献。本研究系统综述了神经网络在登革热预测文献中的应用,旨在为未来工作的模型设计提供参考。方法:遵循PRISMA指南,我们对使用神经网络预测人群登革热发病的研究进行了系统性检索。我们总结了神经网络与对照模型的相对性能、网络架构与超参数、输入特征选择、地理分布范围以及模型透明度。结果:共纳入62篇文献。多数研究采用浅层前馈神经网络,使用历史登革热发病数据和气候变量。预测时间跨度差异显著,模型选择与评估方法亦各不相同。基于神经网络的特性,大多数研究采用城市层级或其细分区域的精细化观测数据,并普遍使用周度数据。神经网络相对于决策树等监督对照模型的性能因研究情境而异:63%的研究至少包含一个对照模型作为基线,其中约半数研究表明神经网络为最优性能模型。结论:现有研究表明神经网络能够为登革热提供具有竞争力的预测,可可靠地纳入未来登革热预测的候选模型体系。深度神经网络的应用尚待探索,但具有广阔的研究前景;同时,结合数据生成机制的结构性变化,拓展输入特征集与预测方法亦是值得深入的研究方向。

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人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。它从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 建立某种简单模型,按不同的连接方式组成不同的网络。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。 最近十多年来,人工神经网络的研究工作不断深入,已经取得了很大的进展,其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题,表现出了良好的智能特性。
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