混沌时间序列预测模型研究
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人民币兑美元汇率混沌动力学预测模型应用混沌理论对人民币兑美元汇率系统进行建模及预测。
建立了两个混沌动力学模型,即人民币兑美元汇率的日收益序列预测模型和人民币兑美元的日汇率序列预测模型。
实证结果表明,两个模型的预测结果都好于均值模型的预测。
其中,前者的预测均方根误差比较大,而后者的预测均方根误差非常小,表明两个模型中,后者更适合于人民币兑美元汇率的预测。
标签:汇率混沌预测2005年7月21日,中国人民银行宣布了改变人民币汇率形成机制的公告,我国开始实行以市场供求为基础、参考一篮子货币进行调节、有管理的浮动汇率制度。
由于人民币汇率不再盯住单一美元,因此,人民币汇率的变动趋势更加复杂化,汇率的波动带来的风险也大大超过以往,而汇率的频繁波动及由此带来的外汇风险对于国际金融、贸易和投资都具有关键性的影响作用,因此,正确预测人民币汇率的变化也变得越来越重要。
虽然人民币汇率不再盯住单一美元,但美元仍在一篮子货币中占有最大的比重。
因此正确预测人民币兑美元汇率走势将有助于我们有效的规避外汇风险。
人民币兑美元汇率系统是一个具有混沌特性的系统。
而混沌理论认为,由于混沌系统对初值的敏感性使得对其进行长期预测是不可能的。
但是,在短期内,系统运动轨迹发散应较小,从而利用观测资料进行短期预报是可行的。
因此,本文应用混沌理论对人民币兑美元汇率系统进行短期建模及预测的尝试。
一、理论与方法1.相空间重构理论相空间重构是对汇率序列进行混沌预测研究的基础,通过相空间重构可以找出隐藏在混沌吸引子中的演化规律,使序列数据能够纳入某种可描述的框架之下。
相空间重构是由Packard和Takens提出的,其目的是在高维相空间中恢复混沌吸引子。
系统任一分量的演化是由与之相互作用的其它分量所决定的。
因此,这些相关分量的信息就隐含在任一分量的发展过程中。
这样,就可以从某一分量的一批时间序列中提取和恢复系统原来的规律,这种规律是高维空间下的一种轨迹。
Packard等建议用原始系统中的某变量的延迟坐标来重构相空间,Takens则证明可以找到一个合适的嵌入维,即如果延迟坐标的维数是动力系统的维数,在这个嵌入维空间里可以把有规律的轨迹(吸引子)恢复出来。
时间序列模型在电力需求预测中的应用研究【摘要】随着经济、社会和工业的飞速发展,用电的需求量迅速增长,电力行业也逐渐成为影响全球社会经济发展地位的重要的因素,不准确的需求预测增加了电力行业的运行成本,特别是在市场环境中,精度即意味着金钱,准确的电力需求预测是有价值的。
论文以某市为例,利用某市用电量的相关数据,分别应用移动平均法、时间序列法建立模型并对模型进行预测和分析,并对其进行了预测与分析,再通过对这两种预测方法分别赋予不同的权重建立加权组合预测模型来改进预测误差,通过比较分析得出加权组合模型预测的精度更高。
关键词:移动平均法;电力需求预测;时间序列法;加权组合预测法0.引言电力需求预测是电力行业中至关重要的任务之一,对于电力系统的稳定运行、资源调配和规划决策具有重要意义。
准确地预测电力需求可以帮助电力公司合理安排发电计划、优化电力供应链,并提高电力系统的效率和可靠性。
传统的电力需求预测方法主要基于统计学方法或基于经验规则的模型。
然而,这些方法在面对复杂的电力系统和多变的外部因素时往往表现不佳。
为了应对这些挑战,时间序列模型逐渐成为电力需求预测领域的研究热点。
时间序列模型利用历史数据中的时间相关性来预测未来的电力需求。
它们可以捕捉到不同时间间隔内的趋势、周期性和季节性变化,以及其他相关因素的影响。
这种模型的优势在于能够自适应地学习数据中的模式和规律,并在预测过程中考虑到时间的因素。
通过深入研究时间序列模型在电力需求预测中的应用,可以为电力公司和相关研究人员提供有益的参考和指导,进一步提升电力需求预测的准确性和可靠性,推动电力行业的可持续发展。
1.传统的电力需求预测方法及其局限性对用电需求的短期预测是构成电力系统规划的一个关键环节,用电需求预测是电力系统正常工作的基本依据,预测的准确性将对电力系统的经济和安全起到决定性的作用,因而对用电需求进行精确预测,特别是对电力系统的短期和超短期预测,是保证电力系统安全、经济发展的前提和保证。
基于改进BP神经网络的混沌时间序列预测方法对比温文;龚祝平【摘要】针对BP神经网络预测混沌时间序列存在的易陷入局部极小值和收敛速度较慢的问题,选取了两种改进预测模型,即GA-BP预测模型和PSO-BP预测模型。
并将这两种模型对Lorenz混沌时间序列进行了预测比较实验。
实验表明,两种改进模型比BP神经网络预测模型具有更好的预测性能,并且PSO-BP预测模型较GA-BP预测模型的预测精度更高。
%Based on the problem that BP neural network prediction of chaotic time series is easy to fall into local minimum and slow convergence speed,we chose two kinds of improved prediction model,namely the GA-BP prediction model and PSO-BP prediction model. Experimental results show that two kinds of improved model has better prediction performance than the BP neural network prediction model,and the accuracy of PSO-BP prediction model is better than GA-BP model.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2013(000)008【总页数】5页(P1197-1201)【关键词】混沌时间序列;BP神经网络;遗传算法;粒子群算法【作者】温文;龚祝平【作者单位】华南理工大学工商管理学院,广州,510641;华南理工大学工商管理学院,广州,510641【正文语种】中文【中图分类】TP183混沌现象在自然界和人类社会中普遍存在,它是一种由内在机制确定的动力学系统产生的貌似无规则的非线性运动.对初始条件极端敏感性是混沌系统的重要特性.混沌在现实生活、生产中已得到广泛应用,如交通系统、电力系统、气象系统等.虽然混沌现象是貌似无规则的一种现象,但由于产生混沌想象的内在确定性机制,使之在短期内是可以预测的.随着混沌理论的发展和技术的进步,混沌时间序列的预测已成为现代混沌系统研究的重点.到目前,混沌领域内的各国学者对混沌的时间序列预测做了许多研究,并构建了若干种预测模型,如局域线性模型[1]、Volterra滤波器自适应预测模型[2]、RBF神经网络模型[3]、BP神经网络模型[4]、最大Lyapunov指数模型[5]以及一些组合预测模型等[6-7].BP神经网络模型是一种典型的混沌时间序列预测模型.它是由若干神经元组成的网络,每个神经元均具有简单的数学处理能力.当这些神经元同时发挥作用时,则会产生强大的非线性映射功能[8].然而,BP神经网络存在两个缺陷,即易陷入局部极小值和收敛速度较慢.针对这个缺陷,本文选取了两种改进模型,即遗传算法改进的BP神经网络预测模型和基于粒子群算法改进的BP神经网络预测模型,并对这两种模型的预测性能进行对比研究.1 3种预测模型3种预测模型分别为BP神经网络和两种改进的BP神经网络.在对混沌时间序列预测之前首先要对其进行相空间重构,因为相空间重构是研究混沌动力学的基础.Takens[9]和Packard等人[10]提出了用延迟坐标法对一维混沌时间序列x1,x2,…,xn进行相空间重构,那么在状态空间中重构的某一点状态矢量可以表示为:式中:M=n-(m-1)τ为相空间中的相点数;τ为延迟时间;m为嵌入维数. Takens定理证明了如果嵌入维m≥2d+1,d为系统动力学维数,则系统原始状态变量构成的相空间和一维观测值重构相空间里的动力学行为等价,两个相空间中的混沌吸引子微分同胚,即重构动力系统中包含原系统所有状态变量演化的全部信息.从而可根据系统的前一时刻的状态来获取后一时刻的状态.这为混沌时间的预测提供了理论依据.1.1 BP神经网络预测模型BP神经网络是一种前馈神经网络,这种网络的特征是信号向后传播,误差向前传递.在向后传播的过程中,输入信号依次要经过输入层-隐层-输出层的处理,最后得到输出信号.各层神经元状态只能影响相邻层神经元状态.一旦输出信号和期望得到的信号不相符,那么误差信号将会向前传递,从而改变网络的权值和阀值,循环往复,直到网络的输出信号与期望信号相符.通过训练BP神经网络,可以得到不断修正的网络权值和阈值,进而求得神经网络的预测值.对于网络权值和阀值的初始值的选择,网络默认为[0,1]范围中的随机数由于初始值的随机选择性,可能会对网络的收敛速度和最终预测值的准确性造成一定影响.使用遗传算法和粒子群算法对BP神经网路权值和阀值的初始值进行优化,可以达到更好地预测效果.1.2 基于遗传算法改进的神经网络预测模型遗传算法是1962年由美国Michigan大学Holland教授提出的模拟自然界遗传机制和生物进化论而成的一种并行随机搜索最优化方法.它把自然界“优胜劣汰,适者生存”的生物进化原理引入优化参数形成的编码串联群体中,按照所选择的适应度函数并通过遗传中的选择、交叉和变异对个体进行筛选,使适应度值好的个体被保留,适应度差的个体被淘汰,新的群体既继承了上一代的信息,又优于上一代.这样反复循环,直至满足条件.本文遗传算法改进的神经网络预测模型分为3个部分:①确定BP神经网络结构.网络层数选择较为典型的三层网络,网络的节点数由输入输出的变量个数来决定.②遗传算法优化网络权值和阈值.遗传算法中个体由网络的全部权值和阀值组成,个体的去留由适应度值来决定.经过选择、交叉和变异的逐代操作得到适应度最好的个体.③BP神经网络预测.把选出的适应度最好的个体的值作为相应的网络初始权值和阀值.用优化后的网络进行预测,求得更精确的预测值.算法具体过程如图1所示.图1 GA-BP算法流程图Fig.1 GA-BPAlgorithm flow chart1)种群初始化.个体编码方法为实数编码,每个个体均为一个实数串,由输入层与隐含层连接权值、隐含层阈值、隐含层与输出层连接权值以及输出层阈值4部分组成,个体包含了神经网络全部权值和阈值.2)确定适应度函数.根据个体得到BP神经网络的初始权值和阈值,用训练数据训练BP神经网络后预测系统输出,把预测输出和期望输出之间的误差绝对值和作为个体适应度值.3)选择操作.本文选择轮盘赌法,即基于适应度比例的选择策略.4)交叉操作.因为个体使用的是实数编码,因此个体交叉时采用实数交叉法.5)变异操作.6)神经网络赋值预测.把经过选择、交叉、变异得到的最优解赋给BP神经网络的初始权值和阀值,并用优化的BP神经网络对混沌时间序列进行预测.1.3 基于粒子群算法改进的神经网络预测模型粒子群优化算法即PSO算法是一种群体智能优化算法,该算法最早由Eberhart和Kennedy在1995年提出的.PSO算法源于对鸟类捕食行为的研究,鸟类捕食时,找到食物最简单有效的策略就是搜寻当前距离食物最近的鸟的周围区域.PSO算法首先在可行解空间中初始化一群粒子,每个粒子都代表极值优化问题的一个潜在最优解,用位置、速度和适应度值三项指标表示该粒子特征,适应度值由适应度函数计算得到,其值的好坏表示粒子的优劣.粒子在解空间中运动,通过跟踪个体极值和群体极值更新个体位置.粒子每更新一次位置,就计算一次适应度值,并且通过比较新粒子的适应度值和个体极值、群体极值的适应度值更新个体极值和群体极值位置.如此往复,直到满足要求为止.粒子群算法改进的神经网络预测模型分为3个部分:①确定BP神经网络结构.②粒子群算法优化网络权值和阈值.③BP神经网络预测.算法具体过程如图2所示.图2 PSO-BP算法流程图Fig.2 PSO-BPAlgorithm flow chart1)种群初始化.粒子编码方法为实数编码,每个粒子均为一个实数串,由输入层与隐含层连接权值、隐含层阈值、隐含层与输出层连接权值以及输出层阈值4部分组成,粒子包含了神经网络全部权值和阈值.2)确定适应度函数.根据粒子得到BP神经网络的初始权值和阈值,用训练数据训练BP神经网络后预测系统输出,把预测输出和期望输出之间的误差绝对值和作为个体适应度值.3)寻找初始极值. 根据初始粒子适应度值寻找个体极值和群体极值.4)粒子位置和速度更新.根据个体极值和群体极值更新粒子位置和速度.5)个体极值和群体极值更新.根据新粒子的适应度值更新个体极值和群体极值.6)神经网络赋值预测.把迭代寻优得到的最优解赋给BP神经网络的初始权值和阀值,并用优化的BP神经网络对混沌时间序列进行预测.2 仿真实验2.1 仿真条件在Matlab2001a平台,使用Matlab语言编程,构建3种预测模型,即:BP神经网络预测模型(BP模型)、遗传算法改进BP神经网络预测模型(GA-BP模型)和粒子群算法改进BP神经网络预测模型(PSO-BP模型).对典型的非线性混沌系统Lorenz时间序列,进行预测对比实验.Lorenz的表达式参数为嵌入维数m=7和时间延迟τ=1.实验中,BP神经网络采用m-2m+1-1结构,其参数设置为:训练次数取100,训练目标取1.0e~005,学习率取0.1.遗传网络参数设置为:种群规模取40,进化代数取100,交叉概率取0.3,变异概率取0.1.粒子群算法参数设置为:种群规模取40,进化代数取100,加速因子取c1=c2=1.49445,粒子速度最大值和最小值分别为 Vmax=0.9,Vmin=0.4.实验生成3000个Lorenz样本,经重构后得2994个样本.随机选择2894个样本作为训练样本,剩余100个样本作为预测样本.实验误差评价指标选择绝对误差error、总误差errorsum、总误差百分比perc和均方误差mse,分别定义为其中和分别为预测值和真实值;n为预测样本数.2.2 结果分析本实验共做了10次,以下4个图为一次实验的结果.图3,图4,图5分别为BP神经网络、GA-BP神经网络和PSO-BP神经网络对Lorenz时间序列预测的结果,图6为3种网络对Lorenz时间序列预测的误差对比图.表1为10次试验误差指标的平均值.图3 BP网络预测结果Fig.3 BPnet work forecastresult图4 GA-BP网络预测结果Fig.4 GA-BPnet work forecastresult图5 POS-BP网络预测结果Fig.5 POS-BPnet work for ecas tresult图6 3种算法误差对比图Fig.6 Errorcontrast figure about three kinds of algorithms从预测结果可以看出,3种网络模型均可以较好地预测Lorenz时间序列,相比于未改进的BP预测模型,GA-BP预测模型和PSO-BP预测模型表现出了更高的拟合性能和更好的预测精度,并且PSO-BP预测模型较GA-BP预测模型的预测性能更好.表1 各项误差指标均值Tab.1 Mean value of every error indicator算法误差总误差总误差百分比均方误差BP 7.128 4 2.47% 0.008 5 GA-BP 4.242 2 1.25% 0.002 7 PSO-BP 2.245 6 1.06% 0.000 83 结论本文对BP神经网络预测混沌时间序列进行了研究.针对BP神经网络存在的两个缺陷,即易陷入局部极小值和收敛速度较慢,建立了基于遗传算法改进的BP神经网络预测模型(GA-BP预测模型)和粒子群算法改进的BP神经网络预测模型(PSO-BP预测模型),并将这3种模型分别对Loren混沌时间序列进行了预测比较实验.实验表明,GA-BP预测模型和PSO-BP预测模型这两种改进模型明显地降低了网络陷入局部极小值的概率,加快了网络的收敛速度.相比于未改进的BP预测模型,GA-BP预测模型和PSO-BP预测模型表现出了更高的拟合性能和更好的预测精度,并且PSO-BP预测模型较GA-BP预测模型的预测性能更好.【相关文献】[1]孟庆芳,彭玉华.混沌时间序列改进的加权一阶局域预测法[J].计算机工程与应用,2007,43(35):61-64.[2]孟庆芳,张强,牟文英.混沌时间序列多步自适应预测方法[J].物理学报,2006,55(4):1666-1671.[3]李冬梅,王正欧.基于RBF网络的混沌时间序列的建模与多步预测[J].系统工程与电子技术,2002,24(6):81-83.[4]陈敏.基于BP神经网络的混沌时间序列预测模型研究[D].长沙:中南大学,2007.[5]吕金虎,陆君安,陈士华.混沌时间序列分析及其应用[M].武汉:武汉大学出版社,2002. [6]修妍,马军海.基于径向基神经网络的局域预测法及其应用[J].计算机工程,2008,34(9):19-21.[7]刘渊,戴悦,曹建华.基于小波神经网络的流量混沌时间序列预测[J].计算机工程,2008,34(16):105-106.[8]阎平凡,张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京:清华大学出版社,2005.[9]Packard N H,Crutch field JP,Farmer JD,etal.Shaw geometry from a time series [J].Phys Rev Lett(S0031-9007),1980,45(9):712-716.[10]Takens F.Detecting strange attractors in turbulence[J].Lecture Notes in Mathematics,1981,898:361-381.。
时间序列数据预测的ARIMA模型研究时间序列分析是利用数据时间性质的统计学方法。
时间序列是指按照时间先后次序排列的数据。
时间序列分析是针对时间序列数据的一种方法。
时间序列中的数据通常都有一个趋势和季节性,一般形式如下图:[插入一张样例时间序列数据的图]在实际生活中,针对时间序列数据进行预测是非常常见的需求。
例如,股票价格、气温、人口数等等。
ARIMA(Autoregressive Integrated Moving Average)模型是一种常用的时间序列分析模型,它结合了自回归模型和移动平均模型的特点,同时也考虑到了序列的差分。
ARIMA模型包含了三个重要的参数:AR,I,MA。
其中AR为自回归,指时间序列因子在不同时期自己的滞后期的影响,I为整合,指对时间序列的差分,MA为滑动平均,指较长期的随机扰动。
ARIMA模型的应用非常广泛,在金融领域、气象领域等都有很多应用。
下面我们将结合一个例子来详细说明ARIMA模型的应用。
例子:用ARIMA模型预测气温[插入气温时间序列数据的图]上图展示了从2011年到2019年日本东京的每日气温数据。
我们想要预测未来几天的气温,以方便人们的出行计划或选衣搭配等方面的决策。
首先,我们需要进行数据的差分。
差分是ARIMA模型的一个重要概念,也就是将原时间序列数据转化为一个新的序列,新序列的每一项数据都是原序列中当前项和前一项之间的差值。
可以看出,差分后的数据比原数据更加稳定,波动性更小。
接下来,我们要进行一系列的统计检验来确定最终的模型参数。
常用的统计检验包括ADF(Augmented Dickey Fuller)测试、K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验等。
[插入各种统计检验的结果图]经过检验,我们确定了最终的模型参数:ARIMA(2, 1, 2)这表示我们用两次差分来消除序列的趋势,用过去两个时期的数据来回归当前值,并考虑了波动性随时间变化的情况。