摘 要:財務(wù)困境預(yù)警是通過監(jiān)測和分析企業(yè)的財務(wù)狀況,及時發(fā)現(xiàn)潛在的財務(wù)風(fēng)險,從而為決策者提供及時的警示,以便采取預(yù)防或緩解措施,避免或減輕可能的經(jīng)濟損失。本文構(gòu)建了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),將來自上市公司的資產(chǎn)負(fù)債表、利潤表、現(xiàn)金流量表和股票交易等不同來源的411個指標(biāo)進(jìn)行深度融合與壓縮,用于財務(wù)困境預(yù)警。與5種經(jīng)典機器學(xué)習(xí)算法在準(zhǔn)確率、精準(zhǔn)率、召回率、特異度和f1得分等五個評估指標(biāo)的對比結(jié)果顯示出本文提出的財務(wù)困境預(yù)警模型有明顯的優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞:財務(wù)困境;卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);多源異構(gòu)數(shù)據(jù)
一、引言
21世紀(jì)是市場經(jīng)濟飛速發(fā)展的一個時期,中國經(jīng)濟保持快速增長的態(tài)勢,各上市公司間的競爭也越發(fā)激烈。上市公司的正常運轉(zhuǎn),無論是對企業(yè)、投資者還是政府而言都極其重要。如何準(zhǔn)確地對上市公司財務(wù)困境進(jìn)行預(yù)警,在風(fēng)險來臨之前進(jìn)行提示,從而便于上市公司采取有效措施,避免企業(yè)出現(xiàn)財務(wù)風(fēng)險,成為上市公司的經(jīng)營者、投資者和管理者最為關(guān)心的課題之一。
自FitzPatrick(1932)首次研究財務(wù)困境預(yù)測模型以來[1],上市公司財務(wù)困境預(yù)警一直都是一個熱門的研究領(lǐng)域。下面從問題界定、影響因素和模型三個方面對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行綜述。
財務(wù)困境的界定。在國內(nèi)外相關(guān)研究中,與“財務(wù)困境”類似概念還有“財務(wù)危機”“財務(wù)失敗”“財務(wù)惡化”和“財務(wù)風(fēng)險”,它們的基本內(nèi)容相似,只是表達(dá)程度與側(cè)重點有所區(qū)別。國外學(xué)者一般將企業(yè)破產(chǎn)作為企業(yè)陷入財務(wù)困境的標(biāo)志[1~2]。因為我國的上市公司到目前為止還沒有出現(xiàn)過破產(chǎn)的案例,國內(nèi)學(xué)者在研究財務(wù)困境問題時,大都將上市公司因財務(wù)狀況異常而被宣布為ST作為財務(wù)困境的標(biāo)志[3~4],也有學(xué)者將財務(wù)困境劃分為不同的發(fā)展階段來進(jìn)行研究[5]。
財務(wù)困境預(yù)警指標(biāo)的選擇。在研究企業(yè)財務(wù)困境問題時,大部分研究都基于財務(wù)報表來選擇預(yù)警指標(biāo)。如:Beaver選取現(xiàn)金流/總負(fù)債指標(biāo)作為預(yù)警指標(biāo)[6];Altman,Haldeman和Narayanan選取凈資產(chǎn)收益率、利潤穩(wěn)定性、利息保障倍數(shù)、留存收益/總資產(chǎn)、流動比率、普通股收益/總資本建立ZETA模型取得了良好的預(yù)測效果[7];OhlSon選取總資產(chǎn)/物價指數(shù)、負(fù)債比率、營運資金/總資產(chǎn)、流動比率、總資產(chǎn)報酬率、營業(yè)現(xiàn)金流量/總資產(chǎn)結(jié)合三個虛擬變量(負(fù)債、稅后凈利和凈收入變動)構(gòu)建Logistic模型[8];周首華基于Z模型,考慮現(xiàn)金流量指標(biāo),構(gòu)建了F模型[9];王自強選擇了反映企業(yè)盈利能力、償債能力、成長能力、擴張能力以及運營能力的11個指標(biāo)構(gòu)建了綜合評價指標(biāo)體系,取得了較為理想的預(yù)測效果[10];方匡南選取了償債能力、成長能力、分紅能力、收益質(zhì)量、現(xiàn)金流量、盈利能力、營運能力、資本結(jié)構(gòu)等共8組90個指標(biāo)構(gòu)建了SGL-SVM模型來進(jìn)行預(yù)測研究[11];宋宇利用反映償債能力、企業(yè)規(guī)模、盈利能力、經(jīng)營能力、非財務(wù)因素以及宏觀環(huán)境的38個指標(biāo)構(gòu)建了Cox回歸模型[12]。也有學(xué)者認(rèn)為非財務(wù)因素,如公司治理結(jié)構(gòu)、股權(quán)結(jié)構(gòu)、宏觀經(jīng)濟因素等,對企業(yè)財務(wù)狀況也存在顯著影響,因此在相關(guān)研究中納入了內(nèi)部經(jīng)營管理、董事會結(jié)構(gòu)、股權(quán)集中度、經(jīng)濟增長、信貸、利率、匯率、經(jīng)濟周期等因素分析企業(yè)財務(wù)困境問題[13~15]。
財務(wù)困境預(yù)警模型。如前所述,關(guān)于財務(wù)困境模型的研究已取得了豐碩的成果。從最簡單的單變量判別模型到多元判別模型[1]、多元回歸模型[2,16]、Logistic回歸[17~18],到貝葉斯決策模型、生存分析[19~20]等,再到機器學(xué)習(xí)與人工智能模型如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[21~22]、支持向量機[23]、遺傳算法、專家系統(tǒng)等。
綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)30年代開始,在指標(biāo)選取、樣本選擇和模型構(gòu)建等方面,對企業(yè)財務(wù)困境問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,取得了大量的研究成果。同時也存在一些問題,主要表現(xiàn)在:第一,變量選擇不夠全面、缺乏客觀依據(jù)。第二,對數(shù)據(jù)的時序特征重視不足?,F(xiàn)有的大部分研究在構(gòu)建模型時只是使用了截面數(shù)據(jù),忽略了時間序列方面的特征。第三,數(shù)據(jù)來源較為單一?,F(xiàn)有的財務(wù)困境研究大都基于企業(yè)財務(wù)報表這一單一數(shù)據(jù)來源進(jìn)行分析研究。第四,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)等在金融數(shù)據(jù)分析中有成功應(yīng)用的方法[24],在財務(wù)困境分析中還不多見。
二、財務(wù)危機預(yù)警模型
本文開發(fā)的基于二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的財務(wù)困境預(yù)警模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。綜合利用上市公司的資產(chǎn)負(fù)債表、利潤表、現(xiàn)金流量表、股票交易數(shù)據(jù)等多種來源數(shù)據(jù)。對每一來源的數(shù)據(jù)不做人工篩選,而是利用滑動窗口和二維化技術(shù),形成多個通道的三維數(shù)組。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里的特點,對輸入不同子網(wǎng)絡(luò)的三維數(shù)組進(jìn)行信息融合與特征提取,最終利用分類器網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出預(yù)警狀態(tài)。
(一)數(shù)據(jù)預(yù)處理
在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段主要是進(jìn)行滑動窗口數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化變換與二維化變換。股票交易數(shù)據(jù)和財務(wù)報表數(shù)據(jù)都具有時間序列的特性,即有一定的序列相關(guān)性。通??梢栽O(shè)置一個滑動窗口寬度w,在t時刻選擇[Xt=xt-w+1,xt-w+2,...,xt]作為時刻的輸入特征。選取合適的滑動時間窗口后,將數(shù)據(jù)在窗口內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除不同變量量綱的影響。本文選擇最大最小標(biāo)準(zhǔn)化,計算公式如下:
這里[ε]是事先確定的常數(shù)(例如取1),是為了避免在滑動窗口內(nèi),最大值與最小值相同,導(dǎo)致分母為零的情形。
進(jìn)行二維化變換的目的是形成三維數(shù)組,以充分利用二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息融合與壓縮能力。假設(shè)t時刻數(shù)據(jù)來源1的指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后為[Xtk,k=1,2,...,N1]。此時,初始化一個[n1×n1]零矩陣[Mt1],這里[n1-12<N1≤n21],按照一定的次序(比如隨機次序)將[Xtk]填入[Mt1],就完成了數(shù)據(jù)的二維化變換。若來源1的滑動窗口寬度為[w1],則[Mt-w+11,...,Mt1]就是圖1中維度為的[w1×n1×n1]三維數(shù)組。
在t時刻,對每一來源的數(shù)據(jù),獨立進(jìn)行上述滑動窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化和二維化變換,就完成了t時刻的數(shù)據(jù)預(yù)處理。
(二)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)是一種專門用于處理圖像數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)模型。一個典型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由多個卷積層組成。單個卷積層依次通常由卷積函數(shù)、激活函數(shù)、池化函數(shù)依次構(gòu)成。卷積函數(shù)通過卷積核在圖像上的卷積運算來提取圖像的局部特征。通過控制卷積核的大小和參數(shù),可以起到特征融合與壓縮的功能。激活函數(shù)通常在卷積函數(shù)之后,通過應(yīng)用非線性激活函數(shù)(如ReLU),可以提高模型的表達(dá)能力。池化函數(shù)主要用于減少特征圖的維度,從而減少計算量并提高模型的抽象表達(dá)能力,同時在一定程度上消除指標(biāo)間共線性的影響[25]。另外還可以在卷積函數(shù)之后使用BatchNorm正則化等函數(shù),歸一化輸入特征的分布,從而加快訓(xùn)練過程并提高模型穩(wěn)定性。
用于分類問題的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最后一層是分類器網(wǎng)絡(luò),各個子網(wǎng)絡(luò)提取的特征會被展平拼接后傳遞到一個或多個全連接層,用于生成最終的預(yù)測結(jié)果。
三、財務(wù)危機預(yù)警模型實證研究
本文從不同來源獲取到實證數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后,采用2種不同的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置對上市公司財務(wù)危機進(jìn)行預(yù)測,同時使用5種經(jīng)典機器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行對比分析,采用預(yù)測的準(zhǔn)確率、精準(zhǔn)率、召回率、特異度和f1得分等評價指標(biāo)來對所有模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比。
(一)研究樣本與數(shù)據(jù)的選取
1. 數(shù)據(jù)來源與選擇標(biāo)準(zhǔn)
本文數(shù)據(jù)來源于銳思金融數(shù)據(jù)庫,以1990—2020年滬深A(yù)股的上市公司作為研究對象,將上市公司發(fā)生財務(wù)問題被ST(Special Treatment),即被特別處理作為公司發(fā)生財務(wù)危機的標(biāo)志,由于上市公司一旦經(jīng)歷過首次被ST后,其再次發(fā)生財務(wù)危機或被*ST的概率會增大,因此本文只選用自公司上市以來,首次被ST的上市公司作為財務(wù)危機樣本。
一家上市公司被判定為ST主要有以下這幾個方面:
(1)上市公司連續(xù)兩個會計年度的財務(wù)凈利潤是負(fù)值;(2)上市公司在一個會計年度中每股凈資產(chǎn)要低于股票面值,這種情況下無需連續(xù)兩年;(3)注冊會計師對上市公司當(dāng)年一個會計年度的報告出具無法表示或否定意見的審計報告;(4)上市公司被中國證監(jiān)會或交易所判斷為財務(wù)異常。
2. 配對樣本的選擇
通過對銳思數(shù)據(jù)庫中上市公司數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,自1990年開始共有208個上市公司經(jīng)歷過首次被ST,借鑒同類文獻(xiàn)通常的做法,本文選用1:3的比例進(jìn)行正常上市公司的配對。
在選擇配對上市公司時,本文遵循以下標(biāo)準(zhǔn):
(1)為了排除市場經(jīng)濟環(huán)境的影響,配對上市公司與發(fā)生財務(wù)危機的上市公司要屬于同一年份;(2)為了能獲得配對上市公司三年的數(shù)據(jù),配對上市公司需滿足已上市三年以上時間,且財務(wù)報表與股票數(shù)據(jù)沒有大量缺失值;(3)為了避免行業(yè)對上市公司的影響,配對上市公司與發(fā)生財務(wù)危機的上市公司所屬行業(yè)需相同;(4)為了增加樣本的可比性,配對上市公司與發(fā)生財務(wù)危機的上市公司資產(chǎn)規(guī)模需相同或相近;(5)當(dāng)以上兩個條件無法同時滿足時,則配對上市公司從與發(fā)生財務(wù)危機的上市公司的其他相近行業(yè)中選擇資產(chǎn)規(guī)模相同或相近的上市公司。
3. 特征指標(biāo)的選取
資產(chǎn)負(fù)債表表示各會計期末公司的資產(chǎn)、負(fù)債和業(yè)主權(quán)益的狀況,遵守了會計平衡原則,即資產(chǎn)=負(fù)債+所有者權(quán)益,其指標(biāo)可以反映公司整體的經(jīng)營狀況,是財務(wù)報表中的核心內(nèi)容。資產(chǎn)負(fù)債表可以分為資產(chǎn)、負(fù)債、所有者權(quán)益這三個方面。在資產(chǎn)負(fù)債表中本文共選取了155個指標(biāo)。
利潤表表示各會計期末公司的收入、費用和利潤的狀況,其指標(biāo)可以反映公司經(jīng)營資金流動的狀況,稱之為資本市場表。從利潤表中,可以看出資產(chǎn)負(fù)債表的資產(chǎn)和負(fù)債結(jié)構(gòu)的好壞。利潤表指標(biāo)可以分為營業(yè)總收入、營業(yè)支出、營業(yè)利潤、利潤總額、凈利潤、其他綜合收益等幾個方面。在利潤表中本文共選取了99個指標(biāo)。
現(xiàn)金流量表表示各會計期末公司的現(xiàn)金變動情況,其指標(biāo)主要體現(xiàn)的是資產(chǎn)負(fù)債表中的各類別指標(biāo)對公司現(xiàn)金流動的影響,通過分析可以知曉公司在短時間內(nèi)有無充足的資金去應(yīng)對支出,評價公司的短期生存能力,揭示內(nèi)在發(fā)展問題?,F(xiàn)金流量表指標(biāo)可以分為經(jīng)營活動產(chǎn)生的現(xiàn)金流量、投資活動產(chǎn)生的現(xiàn)金流量和籌資活動產(chǎn)生的現(xiàn)金流量等幾個方面。在現(xiàn)金流量表中本文共選取了112個指標(biāo)。
在股票交易數(shù)據(jù)中本文共選取了收盤價、成交量、流通股周換手率、流通股平均日換手率、每股營業(yè)利潤和每股營業(yè)收入等45個指標(biāo)。
4. 數(shù)據(jù)預(yù)處理
數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括缺失值異常值的處理、訓(xùn)練樣本不平衡的處理以及滑動窗口數(shù)據(jù)變換。
(1)樣本缺失值異常值的處理。對于缺失值,一般可以用所在列的“平均值”“中位數(shù)”“眾數(shù)”進(jìn)行填補,也可以對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行整行刪除。但由于本文是以深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行建模,是在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模,如果樣本量過少,會造成模型精度的降低,所以對于缺失值,本文沒有進(jìn)行刪除,而是以樣本均值對缺失值進(jìn)行填補。
(2)訓(xùn)練樣本不平衡的處理。使用python中的imblearn模塊,利用其over_sampling子模塊中的SMOTE類完成算法,實現(xiàn)對不平衡樣本的處理。算法中,k_neighbors參數(shù)是選擇的近鄰個數(shù),默認(rèn)的個數(shù)為5個,m_neighbors參數(shù)是從近鄰樣本中挑選的隨機樣本個數(shù),默認(rèn)的個數(shù)為10個。
(3)滑動窗口寬度設(shè)置。由于股票交易數(shù)據(jù)、資產(chǎn)負(fù)債表、利潤表、現(xiàn)金流量表的變量特征數(shù)分別為45、155、99、112,因此t時刻的數(shù)據(jù),按照不同來源轉(zhuǎn)化為[7×7,13×13,10×10,11×11] 的格式。通過對股票數(shù)據(jù)和財務(wù)報表不同滑動時間窗口組合的嘗試,本文選取模型效果最優(yōu)的組合為:股票數(shù)據(jù)的滑動時間窗口寬度為12,即三個月;財務(wù)報表的滑動時間窗口寬度為8,即兩年。因此每一子網(wǎng)絡(luò)輸入的數(shù)據(jù)分別為[12×7×7,8×13×13,8×10×10,8×11×11]的三維數(shù)組。
5. 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與訓(xùn)練參數(shù)設(shè)定
本文構(gòu)造的財務(wù)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示,子網(wǎng)絡(luò)1-3的輸入分別是三個財務(wù)表的滑動窗口數(shù)據(jù),采用相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù);子網(wǎng)絡(luò)4的輸入是股票交易的滑動窗口數(shù)據(jù),第一層的輸入通道數(shù)與其他子網(wǎng)絡(luò)不同。分類器網(wǎng)絡(luò)是三層的全連接網(wǎng)絡(luò)。
(二)評估指標(biāo)
本研究使用準(zhǔn)確率(Accuracy)、精確率(Precision)、召回率(Recall)、特異度(Specificity)和[f1]分?jǐn)?shù)來評估對比不同模型的性能表現(xiàn),計算公式如下:
這里,TP(True Positive)表示模型將正類別的樣本正確預(yù)測為正類別的樣本數(shù)量,F(xiàn)P(False Positive)表示模型將負(fù)類別的樣本錯誤預(yù)測為正類別的樣本數(shù)量,TN(True Negative)表示模型將負(fù)類別的樣本正確預(yù)測為負(fù)類別的樣本數(shù)量,F(xiàn)N(False Negative)表示模型將正類別的樣本錯誤預(yù)測為負(fù)類別的樣本數(shù)量。
(三)模型訓(xùn)練與結(jié)果分析
1. 模型訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置
在實證中,為了對比股票交易數(shù)據(jù)在預(yù)警模型中的作用,本文采用兩種不同的輸入數(shù)據(jù)來源設(shè)置,用CNN1表示只使用財務(wù)報表數(shù)據(jù)的預(yù)警模型,CNN2表示同時輸入財務(wù)報表數(shù)據(jù)和股票交易數(shù)據(jù)的模型。在模型訓(xùn)練時,模型優(yōu)化方式設(shè)置為Adam方法,學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.0002,batch_size設(shè)為32,epochs設(shè)為200。
邏輯回歸模型使用L2懲罰,參數(shù)C設(shè)置為0.01;支持向量機模型參數(shù)C設(shè)置為0.8,gamma設(shè)置為0.001;決策樹模型max_depth設(shè)置為4,max_leaf_nodes設(shè)置為500;隨機森林模型n_estimators設(shè)置為100,max_depth設(shè)置為2;AdaBoost模型n_estimators設(shè)置為60,learning_rate設(shè)置為0.1。
2. 結(jié)果分析
考慮到我國上市公司中,正常公司的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被ST的公司數(shù)量,巨大的樣本差異會使分類樣本數(shù)據(jù)非平衡化。針對不平衡數(shù)據(jù),本文使用兩種不同的處理思路進(jìn)行了實證分析。
首先,使用各個模型自帶的權(quán)重平衡參數(shù)設(shè)置,不對數(shù)據(jù)做額外平衡處理。機器學(xué)習(xí)模型設(shè)置參數(shù)class_weight='balanced',CNN1和CNN2模型損失函數(shù)的weight參數(shù)。從表2的預(yù)測結(jié)果對比可以看出,使用股票交易指標(biāo)可以大幅度提高預(yù)警模型的準(zhǔn)確率、精確率、召回率、特異度和f1得分。在所有模型的比較中,除了精確率指標(biāo)外,CNN2都是表現(xiàn)最優(yōu)的模型(AdaBoost模型全部預(yù)測為沒有發(fā)生財務(wù)困境,直接淘汰)。
其次,使用處理不平衡數(shù)據(jù)集的常用方法SMOTE算法。使用python中的imblearn模塊,利用其over_sampling子模塊中的SMOTE類完成算法。在此算法中,k_neighbors參數(shù)是選擇的近鄰個數(shù),默認(rèn)的個數(shù)為5個,m_neighbors參數(shù)是從近鄰樣本中挑選的隨機樣本個數(shù),默認(rèn)的個數(shù)為10個。從表3所示的對比結(jié)果可以看出,使用SMOTE算法平衡處理后的數(shù)據(jù),對傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練,均能大幅度提升模型的各個評估指標(biāo)表現(xiàn)。在所有模型中表現(xiàn)最好的是支持向量機。
綜合對比兩種不同場景下的測試結(jié)果,可以看出使用原始數(shù)據(jù)訓(xùn)練的CNN2模型具有最高的召回率和f1分?jǐn)?shù),同時準(zhǔn)確率、特異度與表3的最優(yōu)算法相差不大??紤]到SMOTE算法有可能引入額外噪聲信息,綜合來看,在進(jìn)行上市公司財務(wù)困境預(yù)警時應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用CNN2模型。
四、總結(jié)
針對上市公司財務(wù)困境預(yù)警,本文提出了一種數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對不同來源的數(shù)據(jù)指標(biāo),通過滑動窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化和二維化變換進(jìn)行預(yù)處理,之后輸入不同的二維卷積子網(wǎng)絡(luò)完成特征提取和壓縮融合,最終使用分類器網(wǎng)絡(luò)輸出預(yù)測結(jié)果。實證結(jié)果顯示出股票交易指標(biāo)對財務(wù)困境預(yù)警有明顯的輔助作用,同時本文提出的財務(wù)困境預(yù)警模型對比傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)算法具有明顯的優(yōu)勢。
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基金項目:國家社會科學(xué)基金項目資助“基于人工智能與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的上市公司財務(wù)困境預(yù)警研究”(19BTJ030)
作者簡介:張志剛(1975— ),男,河北保定人,湖北經(jīng)濟學(xué)院教授,博士,研究方向為機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、應(yīng)用統(tǒng)計;張耀峰(1979— ),男,河北承德人,湖北經(jīng)濟學(xué)院教授,博士,研究方向為大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用、社會計算。