灰色預(yù)測(cè)仿真優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)范文

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《應(yīng)用科技雜志》2015年第一期

1灰色預(yù)測(cè)模型

1.1GM(1,1)模型GM（1,1）模型是一階單變量的微分方程模型，其建立的基本思路如下。

1.2精度檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒑笮枰M(jìn)行精度檢驗(yàn)，主要包括：殘差檢驗(yàn)、后驗(yàn)差檢驗(yàn)以及關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)，相應(yīng)的計(jì)算程序均由M語言編寫，詳細(xì)精度等級(jí)參照如表1所示。

1.3GM（1,1）改進(jìn)模型文中引用最常用的幾種改進(jìn)模型，包括殘差GM（1,1）預(yù)測(cè)模型、殘差均值GM（1,1）預(yù)測(cè)模型以及加常數(shù)優(yōu)化的GM（1,1）預(yù)測(cè)模型。

1.3.1殘差GM（1,1）模型建立殘差模型的步驟如下：首先定義殘差。

1.3.2殘差均值GM（1,1）模型如果按原始數(shù)據(jù)0x(i)建立的GM（1,1）模型，經(jīng)檢驗(yàn)不合格，則對(duì)原模型進(jìn)行修正的最簡(jiǎn)單的方法，就是對(duì)模型預(yù)測(cè)值(0)x(k)都加上殘差平均值，即修正后的預(yù)測(cè)值為(0)x(k)+，此新模型為殘差均值修正模型。

1.3.3序列變換GM（1,1）模型針對(duì)波動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)精度受限的問題，在原始序列中每一個(gè)數(shù)據(jù)均加上同一常數(shù)b，以此來弱化數(shù)據(jù)波動(dòng)帶來的影響。通過研究不同b值下衡量指標(biāo)的變化關(guān)系，找出最優(yōu)b值。其中，衡量指標(biāo)設(shè)定為。

2人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)

本平臺(tái)通過MATLAB的圖形用戶界面（GUI）的設(shè)計(jì)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主要包括GUI界面設(shè)計(jì)和回調(diào)函數(shù)的設(shè)計(jì)，分別對(duì)應(yīng)生成.fig和.m文件。仿真優(yōu)化平臺(tái)界面設(shè)計(jì)如圖1所示。GUI界面設(shè)計(jì)通過設(shè)置菜單和各個(gè)控件，并對(duì)其進(jìn)行位置布置和屬性編輯來實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)好GUI界面之后，編寫菜單和各個(gè)控件的回調(diào)函數(shù)的程序代碼，實(shí)現(xiàn)各個(gè)控件相應(yīng)的功能。其中回調(diào)函數(shù)均采用M語言設(shè)計(jì)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)有多個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊包含多個(gè)子程序，結(jié)構(gòu)控制流程如圖2所示。

2.1初始設(shè)置模塊該模塊包括模型的設(shè)置和基本參數(shù)的輸入。在GM（1,1）模型的基礎(chǔ)上，引入了3種GM(1,1)改進(jìn)模型，便于用戶比較不同模型的仿真計(jì)算效果；通過導(dǎo)入功能，可以從指定的EXCEL或WORD中讀取歷史數(shù)據(jù)作為輸入，有利于進(jìn)行實(shí)時(shí)在線預(yù)測(cè)。

2.2操作模塊該模塊包括仿真、精度檢驗(yàn)、誤差分析、預(yù)測(cè)、步長(zhǎng)選擇等操作。用戶只需要通過這些操作即可完成對(duì)原始數(shù)據(jù)序列的灰色預(yù)測(cè)仿真計(jì)算。

2.3輸出模塊該模塊負(fù)責(zé)建模精度檢驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的輸出，主要包括預(yù)測(cè)值、仿真計(jì)算過程中的中間反饋參數(shù)、曲線對(duì)比圖以及誤差分析的輸出等，每項(xiàng)輸出均可獨(dú)立顯示。此外，模塊設(shè)置有導(dǎo)出功能，可以將每次仿真計(jì)算的結(jié)果以及相關(guān)反饋參數(shù)保存至工作目錄下EXCEL或WORD文件中。

3仿真實(shí)例

本計(jì)算實(shí)例根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別取7個(gè)采樣時(shí)刻，前6個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，第7個(gè)采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)用來驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)精度。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.1）單調(diào)數(shù)據(jù)。如油耗率，模型設(shè)置為傳統(tǒng)GM（1,1）模型，平臺(tái)仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，平臺(tái)輸出的模型擬合值為：[182.5183.4726787.4834191.5819195.7699200.0195]；相對(duì)誤差為：[01.2274-0.88341-1.08190.13010.65051]；誤差精度“良好”；模型預(yù)測(cè)值為204.423，與文獻(xiàn)[9]中的預(yù)測(cè)值為204.4基本吻合，說明了仿真平臺(tái)的準(zhǔn)確性。相比于文獻(xiàn)[9]的命令窗口操作形式，本平臺(tái)操作方便，仿真計(jì)算效率更高，同時(shí)所有中間反饋信息可以通過導(dǎo)出功能保存至工作目錄下.xls文件中，以便于用戶查詢和后處理。2）波動(dòng)數(shù)據(jù)。如增壓器轉(zhuǎn)速，模型設(shè)置為傳統(tǒng)GM（1,1）模型，平臺(tái)仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，對(duì)于波動(dòng)數(shù)據(jù)傳統(tǒng)GM（1,1）模型擬合出的序列已經(jīng)無法準(zhǔn)確描述原序列的變化趨勢(shì)，因而無法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，需要采取改進(jìn)模型。模型設(shè)置改為殘差GM（1,1）模型，不同i值下的模型結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比圖如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)i=1時(shí)即殘差GM（1,1）1模型能夠反應(yīng)出增壓器轉(zhuǎn)速的波動(dòng)特點(diǎn)，因此宜采用殘差GM(1,1)1模型來對(duì)增壓器轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，這與文獻(xiàn)[9]中的結(jié)論一致，進(jìn)一步說明了該平臺(tái)的準(zhǔn)確性。

4結(jié)束語

利用MATLABGUI編程環(huán)境開發(fā)了多功能灰色預(yù)測(cè)仿真優(yōu)化平臺(tái)，有效避免了灰色預(yù)測(cè)建模過程中編程以及程序運(yùn)行的繁瑣，簡(jiǎn)化了建模過程，提高了建模仿真的效率；平臺(tái)提供多種改進(jìn)模型選擇，可以有效解決不同特點(diǎn)原始序列的灰色預(yù)測(cè)仿真及其優(yōu)化；通過編譯生成的.exe可執(zhí)行文件可脫離MATLAB單獨(dú)運(yùn)行，便于實(shí)際應(yīng)用。通過實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，此仿真平臺(tái)界面友好，操作方便，具有良好的實(shí)用性和交互性。同時(shí)本研究在日后的工作中，將為平臺(tái)不斷補(bǔ)充更多的GM（1,1）優(yōu)化模型如全負(fù)數(shù)據(jù)序列GM（1,1）預(yù)測(cè)模型、基于GourierGM（1,1）模型、GM（1,1）冪模型等，以此豐富模型庫(kù)，為用戶的灰色預(yù)測(cè)建模研究提供更多的方式選擇。

作者：馮洲鵬祖象歡曹瑞國(guó)單位：海軍駐興平地區(qū)軍事代表室哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院陜西柴油機(jī)重工有限公司