灰色预测模型在铁路客流预测中的应用

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第16卷第1期 2014年2月 交通科技与经济 Technology&Economy in Areas of Communications Vo1.16。No.1 Feb.,2014 

灰色预测模型在铁路客流预测中的应用 

黄召杰 ,冯 硕 

(1.北京铁路局南仓站,天津300000;2.北京铁路局石家庄培训基地,河北石家庄050000) 

摘要:运量预测是铁路运输组织工作的重要基础和主要依据之一,是一项经常性工作。只有根据运量预测结果及 其他方面的信息才能做出科学的决策,编制出可行计划、规划或发展战略,最大程度地减少风险,降低运作成本,减 少设施闲置。运用灰色预测模型建立铁路客流预测模型,对我国铁路客运量进行预测,灰色模型的方法简单,适合 在数据少的情况下预测短期客流量。 关键词:铁路客流;灰色模型;预测模型;残差检验;相对误差 中图分类号:U491 文献标志码:A 文章编号:10O8—5696(2O14)O1—0057—04 

Grey Forecasting Model in the Application of Railway 

Passenger Flow Prediction Research 

HUANG Zhao-j ie ,FENG Shuo 

(1.Beijing Railway Administration Nancang Station,Tianjing 300000,China;2.Beijing Railway Administration Sh ̄iazhuang Training Base,Sh ̄iazhuang 050000,China) 

Abstract:Traffic volume forecast is the important foundation of railway transport organization work and 

one of the main basis,is a regular job,according to the results of traffic volume forecast and other 

information to make a scientific decision,develop the feasible plan,planning or development strategy,the 

greatest degree of reduce risk,reduce operating costs,reduce facilities idle,SO railway passenger flow 

prediction model is established by using grey prediction model of railway passenger traffic forecast to our 

country. Key words:railway passenger flow;grey model;prediction model;residual test;the relative erro 

1模型介绍 

1.1灰色预测概念 

灰色系统预测理论的基本思路是按某种规则 将已知的数据序列构成非动态的或动态的白色模 

块,然后按照某种变换解决来求解未来的灰色模 型。在灰色系统理论中,常用的模型是微分方程所 

描述的动态方程,最简单的是基于灰色系统理论模 型GM(1,1)以及GM(1,N)模型的预测分析。灰 

色预测分析可分为几类,即数列预测,灾变预测,季 

节性灾变预测,拓扑预测及系统综合预测。 

收稿日期:2013—09-06 作者简介:黄召杰(1983一),男,助理工程师,研究方向:交通运输规 划与管理. 1.2灰色预测模型 

灰色理论的微分方程模型称为GM模型, GM(1,N)表示一阶、N个变量的微分方程模型, 

GM(1,1)表示一阶、单个变量的微分方程。 1.2.1 GM(1,1)模型 

GM(1,1)是一阶单序列的线性动态模型,用于 时间t序列预测的是其离散形式的微分方程模型, 

具体形式为 

譬+ 一 .(1)十 一 ・ L J 

由上式可知,这是一个单变量z对时间的一阶 

微分方程,是连续的,实际使用的是其离散的单个 数据形式。 

设有数列z∞ 共有7"/个观察值X∞ (1), ∞ (2),X∞ (3),…,z(o ( ),对z(0

 作一次累加生 交通科技与经济 第16卷 

成,得到新的数列zn ,表达式为 

㈣( )一∑z㈩(m),i一1,2,…, . (2) , 一1 对一阶生成数列zn 建立预测模型,其方程为 

+ 一 (3) 

式中:口,U为待估参数,分别称为发展灰数和内生控 制灰数。 

将上式的离散形式展开,可得 

k一1,z‘ (2)一 

口(一专(z(1 (1)+z(1 (2)))+ ; 

k:=:2,z( (3)一 

口-吉( )(2)+ )(3)))+“; 

● ● ● ● k一 ,z‘ (,2)一 

日(一丢(z㈩(,z一1)+z㈤( )))+ . (4) 

将两个待估模型参数表示为向量形式得 

一 n] L J. (5) 

将上述离散方程组用最/b--乘法求解,得 

虚一(B B)一 BTy . (6) 将上式中的a代入上式,解微分方程,得到 GM(1,1)的预测模型为 

2 ( +1)一( (0 (1)一詈) +詈. (7) 

式中 y =:=[z∞ (2), ‘。 (3),…, (0 ( )]T; 

B== 2 ( ‘ (1)+z‘ (2)) 1 

一丢(z㈤(2)+z…(3)) 1 

’I (x‘ ( 一1)+ ‘ ( )) 

1.2.2 GM(1,N)模型 

对于 个变量 ,z ,…,z ,如果每个变量都 

有/'n个相互对应的数据,则形成 

z ∞( 一1,2,…, ),展开为 z ∞ 

(0 

z 

z 个数列 

{z ∞(1), }。 (2),…, 。 (m)) 

一1,2,…, ); 

㈣ {z (1), (2),…,z ( )); 

i ; i 

{z (1), (2),…, (m)}. 对z}D累加生成,形成竹个生成数列z ”有 

"( )一 ∑ z 。 (£)一 

} ( 一1)+ 。 ( )( 一1,2,…, ); (9) z 一{z} (1),z 。 (2),…, 

。 ( ))( —l,2,…, ). 则 zi”一{z{”(1),xl”(2),…,zi”( )}; 

z5”:={z5” 'z5” : '…,z5”‘ ) (1O) 

● ● ● ● ● ● .z ”一{z "(1),z (2),…,z: (m)). 

可建立微分方程 dx ̄1)+纰{ )==:6 z5 +6 z5 +,…,+ . 

上式中的参数可表示为 

a一( ,b1,b2,…,b,-1) . 按最/b--乘法估计参数a,则有 a一(BTB)一 B , 

B:= 

1 9 

1 9 (11) 

(xl”(1)+z{D(2)), z;"(2),…,z ”(2) 

(z{”(2)+z;”(3)), 5D(3),…, ”(3) 

一丢(z{ ( 一1)+z{ ( )),z5 ( ),…,z (,2) 

一{zio)(2),z(o’(3),…, (0’( )). 

可得GM(1,N)模型为 

㈩( +1)一( ;。 (1)一 1 

1))P一 +1 口 ∑ i=2 (12) (13) 

6 1z ”(J+ 

1 ”( +1) , 

(0)一 (1),( 一1,2,…, ). (14) 1.2.3模型检验 

灰色预测模型的检验,有关联检验、后验检验 和残差检验。残差检验分两种:一是相对误差,二 

是绝对误差。检验步骤为 

设原始序列:X。一( ∞ (1),z∞’(2),…, z∞ ( )),灰色模型预测序列为 。一( ‘。 (1), ‘∞(2),…,2‘。 ‘ ). 计算残差 £(。 ( )一z‘。 (72)一2‘。 ( ). 计算相对误差 

,、一 ( z(。 ( )‘ 

∑ 第1期 黄召杰,等:灰色预测模型在铁路客流预测中的应用 ・ 59・ 

计算 ( )的均值和方差为 

一 s}一吉 ix(o)㈣一 ] ・ 

计算e ( )的均值和方差为 

一 ),s;一 [e(0)(是)一 ] ・ 

称C一 为均方差比值,称 一 

(I e。( )一£<0.674 5S1 I)为小误差概率。 

一般精度等级的划分如表1所示。 

表1灰色预测精度等级 

如果关联度、方差、小误差概率和相关误差比 

都在允许范围之内时,则可用所建模型进行预测, 否则应进行残差修正。 

2具体实例 

用2O07~2O1O年的数据来预测2011年的1~ 9月各月客运量,建立铁路客运量灰色系统预测 

模型。 以2011年1月客运量预测为例,2007~2010 

年各年1月客运量如表2所示。 

表2 2007 ̄2010年各年1月客运量 

由表1中2007~2010年各年1月的客运量 可知 X‘。 一{z‘o (1), ‘o)(2),X‘。 (3),z o)(4))== 

{9 885,11 879,13 282,12 724}. 求得一次累加生成数列 Xn 一{9 885,21 764,35 046,47 770}, 

r__ 824・5 ] B—l一28 405 1 I l

一41 408 1j. 

『11 879] 

==:l 13 282 I l-12 724J, 

a一(BT 一[11 697.6J1. 即 

口一一0.033,b—l1 697.6, 

X‘0’(1)一9 885,旦一一354 472.7, 

X ∞(1)一旦一364 357.7. 口 预测模型为 ( (忌+1)一364 357.7e。’。。强一 

354 472.7(忌一0,1,2,…), K一0,X ’(1)一9 885, 

K一1,X‘ (2)一21 508.327, 

K一2,X (3)一35 349.935, K一3,X‘ (3)一47 462.839, 累减生成 (。 (1)一9 885,叉‘∞(2)一l1 623.327, 

(。 (3)一13 841.098, ‘。 (3)===12 112.904. 计算绝对误差序列 

△‘。’一{0,255.673,559.098,611.096). 相对误差序列 

一{0,2.15 ,4.2O9/6,4.80 9/6), 

关联度检验 

一沣慧 一 , 

Lz 一丽 万干 

… 0.5×611.096 L 一 丽丽 

… 0.5×6】].906 L 一丽 丽 一0.544 4. 

一0.353 4。 

一0.333 5. 

y一÷(1+0.544 4+0.353 4+o.333 5)一 

0.557 8. 不满足P===0.5时,),大于0.6的要求,所以,要 

对模型进行残差修正,取 e‘。 一{255.673,559.089,611.096}, 

e‘ 一{255.673,814.761,1 425.858). 修正后的模型为 (1 (志+1)一364 357.7e。・o。强一354 472.7+ 3(k+1)38 617.2 _。・ 。 ‘ 一¨, 

K一3,X‘ (3)一47 653.719, 

K一4,X‘ ’(5)一62 879.821. 由修正后的模型计算得到2011年1月的预测