基于灰色Verhulst_马尔可夫链组合预测方法的公路客运量预测研究

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第34卷,第2期2009年4月公路工程H ighway EngineeringVol .34,No .2Ap r.,2009[收稿日期]2008—06—10[作者简介]王晓静(1982—),女,湖南邵阳人,硕士,主要研究方向为道路交通规划与设计。

基于灰色Ve rhulst —马尔可夫链组合预测方法的公路客运量预测研究王晓静1,胡郁葱1,朱信山2(1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510641; 2.广东省交通咨询服务中心,广东广州 510101)[摘 要]将灰色系统理论和马尔可夫链理论相结合,提出了灰色Verhulst —马尔可夫链组合预测方法来预测具有饱和状态发展趋势的观点;结合广东省公路客运量发展趋势来对该组合预测方法进行具体应用。

计算分析证明,该模型较灰色Verhulst 模型、灰色G M (1,1)—马尔可夫模型具有预测精度高、适应弹性大、实用性强等特点,可对公路客运量的发展趋势进行宏观把握,对宏观决策具有指导意义。

[关键词]灰色Verhulst —马尔可夫链模型;组合预测;公路客运量[中图分类号]U 412.1 [文献标识码]B [文章编号]1002—1205(2009)02—0169—03Hi ghway Passenger Volu me Forecasti n g Based on Verhulst 2MarkovCha i n Co mbi n ati on ForecastM odelX I AO J i n gwang 1,Y U Conghu 1,X I N Shanzhu2(1.South China University of Technol ogy,School of Civil Engineering and Trans portati on,Guangzhou,Guangdong 510641,China; 2.The Company of Trans portati on Consulting Service Centre of Guangdong Pr ovince,Guangzhou,Guangdong 510101,China ) [Key words]Grey Verhulst 2Markov chain model;Combinati on forecasting;H ighway passengervolume 组合预测方法[1]的基本思想是根据目标函数的特征,综合利用各单项数学模型的有利信息,科学合理地进行预测。

组合预测方法主要分为3类:①串联组合,即将几个数学模型按一定规则组合;②并联组合,即采用趋势方程或残差方程对几个模型进行加权;③串并联组合,即前2种方法结合的组合。

近年来文献多为研究灰色G M (1,1)—Markov 链组合预测方法,但其基准模型呈指数增长趋势,因此在中长期预测过程中结果过高,背离事物实际发展规律。

因公路客运量发展受到多方面因素影响,发展到一定阶段时将处于饱和状态,不可能永恒为指数增长趋势,而灰色Verhulst 模型可以描述这种饱和状态趋势发展过程。

因此,本文以公路客运量预测为对象,以灰色Verhulst 模型作为基准预测曲线,通过Markov 链确定转移状态规律并对公路客运量进行综合预测,属于第1类预测方法。

1 灰色Verhulst —马尔可夫链模型1.1 建立动态基准模型—Verhulst 模型Verhulst 模型[2]是1837年德国生物学家Ver 2i m lst 在研究生物繁殖规律时提出的。

Verhulst 模型主要用来描述具有饱和状态的“S ”型过程发展趋势,使用灰色Verhulst 预测的精度和可靠度要高于灰色G M (1,1)、指数平滑法等方法,灰色Verhulst 模型为: X(0)+az (1)=b (Z (1))2(1)式中:a,b 为待估参数,可根据最小二乘法求得。

未来公路客运量发展趋势预测表达示为: X∧(1)(k +1)=ax (0)1bx (0)1+(a -bx (0)1)e (ak )(2)1.2 马尔可夫链模型建立马尔可夫链[3]是应用俄国数学家马尔可夫 公路工程34卷(Markovaa)于20世纪初发现的系统状态转移规律,在此可分析公路客运量未来发展变化的趋势,为交通决策者提供信息的一种分析方法,其特征是随机过程前后状态无关性。

马尔可夫模型可表示为[4]: X(n)=X(0)P n(3)式中:X(n)为n时刻的状态概率向量;X(0)为初始时刻的状态概率向量;P为状态转移概率矩阵。

1.3 串连组合预测灰色Verhulst—马尔可夫链组合预测方法是一种将灰色理论和马尔可夫链串连结合预测的一种新方法。

灰色Verhulst模型可以描述时序变化为非单调的摆动发展序列或总体趋势为具有饱和状态的序列,但预测精度受原始数据变化幅度较大的问题可以在马尔可夫链预测中利用原始数据和动态基准线产生的波动幅度及其波动发展趋势的概率大小得以很好的解决[4]。

为此,首先计算原始数据与动态基准线上对应点之间的残差,再计算残差平均值、残差标准差,最后得到残差的标准化离差,作为划分状态的考核指标。

由于该残差为正态分布,可以按照等概率原则划分状态区段,那么残差的标准化离差的个数就构成马尔可夫状态转移矩阵。

通过马尔可夫链确定转移状态规律并对灰色Verhulst预测结果进行修正,可缩小预测区间,使公路客运量预测精度得到较大改善。

1.4 案例论证灰色Verhulst—马尔可夫链模型可高度预测具有“S”状生长曲线形态的饱和状态发展趋势,效果明显优于灰色Verhulst模型,现根据类比法以发达国家高速公路里程作为预测对象来论证此方法。

发达国家高速公路里程发展相对成熟,且总体状态发展符合“S”状生长曲线形态发展趋势,取发达国家1960年~2000年的高速公路里程数据作为研究对象。

为验证预测效果,利用前15a的历史数据作为现状,分别用灰色Verhulst预测模型和灰色Verhulst -马尔可夫组合预测方法对后25a的趋势进行预测并与实际里程比较,可以看出但后者方法预测结果精度较高,适应弹性大,可以对高速公路里程发展趋势进行中长远预测。

另通过与灰色G M(1,1)—马尔可夫模型预测结果比较得知,后者在中长期预测中呈指数特征,增长幅度太大,也不适合中长期预测。

根据类比法,因公路客运量发展趋势也呈“S”状生长曲线状态的前期阶段,且客运量的发展受到多方面因素的影响制约,因此,将灰色Verhulst-马尔可夫组合预测方法应用到公路客运量的预测可以较好的解决问题。

以灰色Verhulst模型作为动态基准预测模型,通过马尔可夫链确定转移状态规律并对灰色Verhulst预测结果进行修正,提高预测的适应性。

发达国家高速公路里程变化趋势及灰色Ver2 hulst模型、灰色Verhulst-马尔可夫链模型、灰色G M(1,1)-马尔可夫模型三者预测结果对比见图1~图4,图中数据来源广东省公路基础设施现代化研究,广东省交通厅2003年科技项目(编号:2003-01)专题报告二。

图1 美国高速公路里程与Verhulst模型预测比较图2 意大利高速公路里程与Verhulst模型预测比较图3 美国高速公路里程与G M(1,1)—马氏模型预测比较2 模型应用2.1 建立灰色Verhulst预测模型本文搜集了广东省近15a的公路客运量数据,071第2期王晓静,等:基于灰色Verhulst —马尔可夫链组合预测方法的公路客运量预测研究 图4 英国高速公路里程与G M (1,1)—马氏模型预测比较发现其曲线规律特征具有生长曲线发展状态的初始阶段,因此采用Verhulst 模型作为广东省2006年~2015年公路客运量预测的总体发展趋势。

图5为灰色Verhulst 预测公路客运量拟合曲线。

图5 灰色Verhulst 预测公路客运量拟合曲线 建立灰色Verhulst 模型如下:d x(1)(t )d t-0.1251x (1)(t )=-4.552×10-7(x(1)(t ))2 x∧(1)(k +1)=-8836.4481-0.0322+(-0.1251+0.03217)e-0.1251k计算灰色Verhulst 模型预测结果与实际客运量平均相对误差为0.25%<3.0%,均方差比值C 为0.18<0.35,小误差概率P =1得知,可知模型精度为一级,模型预测精度较高,可用于公路客运量预测。

比较灰色Verhulst 模型和G M (1,1)模型预测曲线分别与实际客运量曲线残差的平均离差率以及残差标准值得知,前者为0.77%、7066,后者为-0.81%、6382,因此得知,用灰色Verhulst 模型预测精度较高,本文选择灰色Verhulst 模型作为基准动态基线是合理的。

灰色Verhulst 模型预测误差见表1。

2.2 组合模型预测将广东省公路客运量历史数据与灰色Verhulst表1 灰色Verhulst 模型预测结果误差年份实际值灰色Verhulst 残差残差率/%残差的标准化离差η1990706817068100.00-0.0963199175570774401870 2.470.1966199283128845761448 1.740.13061993847089206473568.68 1.0561199411144799866-11581-10.39-1.91071995118406107939-10467-8.84-1.73631996117815116230-1585-1.35-0.344719971132591246811142210.09 1.69321998121795133231114369.39 1.695319991373241418124488 3.270.6068200014894515035814130.950.12502001161967158804-3163-1.95-0.59202002171191167086-4105-2.40-0.739520031742881751478590.490.03822004183012182935-77-0.04-0.108320051898811904085270.28-0.0139 注:数据来源于《广东省统计年鉴1991~2006》。

模型拟合曲线的残差作为考核指标,因为残差符合正态分布,可以按照等概率原则划分状态分区,残差的标准化离差个数η就构成了马尔可夫状态转移矩阵。

根据表1的灰色Verhulst 模型残差标准化离差η指标,将公路客运市场分成3种状态[5]:①兴旺状态τ,该区段的概率为30%,η>0.5。