Pythonプログラミング（総合演習課題）

このページには、ARモデルという枠組みを使って、電力使用量の予測を行うＣプログラムの開発を、演習課題としてまとめました。「腕試し」として、課題１から順に取り組んでみてください。

準備

課題に取り組む前に、以下のページを読み、内容を理解しておくこと。

課題１

MWH=メガワット時

2018年の電力使用量のデータファイル（juyo_2018_tohoku.csv）を読み込み、年間を通して、時間あたりの電力使用のピーク値（MWHに換算）と、それが発生した日時を出力するプログラムを作成せよ。

要件

プログラムファイル名はtsa-kadai1.pyに統一
プログラムの出力フォーマットは、各自の工夫に任せるが、目安として、以下を示しておく。

    $ python3 tsa-kadai1.py
    reading: juyo_2018_tohoku.csv
    8760 points
    XXXXX MWH
    2018/X/XX XX:00--XX:00

課題２

2018年の電力使用量のデータファイル（juyo_2018_tohoku.csv）を読み込み、年間を通して、一時間あたりの電力使用量の上昇変化（１時間前から「現在」までのプラスの変化）が最も大きかった日時と、その変動量（MWHに換算）を出力するプログラムを作成せよ。

要件

プログラムファイル名はtsa-kadai2.pyに統一

課題３

2018年の電力使用量のデータファイル（juyo_2018_tohoku.csv）を読み込み、年間を通して、１日あたり（午前０時〜２４時まで）の電力使用量が最大であった日付とその日の電力量の総計(MWH)、および、使用電力量が最小であった日付とその日の電力量の総計(MWH)を、それぞれ出力するプログラムを作成せよ。

要件

プログラムファイル名はtsa-kadai3.pyに統一

ヒント

言うまでもないかもしれないが、「一日あたりの電力量」とは、0時から1時まで、1時から2時まで、・・・23時から24時まで、の電力量の総和によって計算。

課題４

2018年の電力使用量のデータファイル（juyo_2018_tohoku.csv）を読み込み、曜日（日曜〜土曜）毎に、電力量の平均値と標準偏差を計算し、一覧を出力するプログラムを作成せよ。

要件

プログラムファイル名はtsa-kadai4.pyに統一

ヒント

「曜日毎の計算」をもう少し詳しく説明すると・・・・
その年の$k$番目の日曜日の（１日の）総電力量を$S_k \; (k=1,2,\cdots,N_{Sun})$とすると、データの集まり$\{S_k\}$の平均と標準偏差を計算して結果を出力する。月曜、火曜・・・についても、同様の処理を繰り返す。
という意味である。

１週間は7日、1日は24時間。よって、元旦が何曜日かさえ分かれば、「元旦零時からＸＸ時間後は何曜日」という換算が可能。

課題５

2018年のデータファイル（juyo_2018_tohoku.csv）を元に、ARモデルの係数（$a(i),c$)を求め、それらの係数を用いて、2019年の「１時間先の予測」を行うプログラムを作成せよ。

具体的には、2019年7月1日深夜0時から2019年7月1日23時までの各時刻$t$において、それ以前$(t,t-1,\cdots,t-p+1)$の実測データを用いて１時間先$(t+1)$の予測を行い、「日時　予測値　実際の値」の一覧が出力されるようにせよ。 ARモデルの次数$p$は各自で決定せよ。

要件

プログラムファイル名はtsa-kadai5.pyに統一

ヒント

ARモデルのパラメータの決定には、支援プログラムのarcoef()関数を用いること。

$p$の値をあまり大きくするとうまく予測できない場合がある。「数日分」程度の時間数を目安に調整すること。

課題６

2018年のデータファイル（juyo_2018_tohoku.csv）を元に、ARモデルの係数（$a(i),c$)を求め、それらの係数を2019年のデータに適用することによって、電力値のデータが入手可能な最後の日からその１週間先までの時間毎の電力使用量の推移を予測し、結果を出力するプログラムを作成せよ。

要件

プログラムファイル名はtsa-kadai6.pyに統一

ヒント

電力会社が提供するデータはときどき更新されるから、いつの時点でのデータをダウンロードしたかによって、「データが入手可能な最後の日」は異なる。けれども、支援プログラムのread_csv()関数を使うと、読み込んだデータの数（＝元旦からの時間数）を知ることができるから、「それからさらに１週間先」までを予測するよう、プログラムできるはずだ。