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一文速学数模-时序预测模型(一)灰色预测一文详解+Python实例代码_灰色关联度时序预测

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对原始数据列x^{}做一次累加(AGO)生成数列x^{}:
x{}=},x{},x{},...,x^{}

其中:
x{}=um_{i=1}{k}x^{},k=1,2,...,n

对应的微分方程为:(a为发展系数,u为灰作用量)
rac{dx{}}{dt}+ax{}=u

3.系数求解

接下来就到了最关键的一部,想要求解上述微分方程:
rac{dx{}}{dt}+ax{}=b

就必须解出系数a和b,让微分方程的解与真实的已知数据最接近。函数表达式的 参数a和u未知,而变量t和x^(1)的数值已知 ,这种问题就要用最小二乘法 ,通过最小化误差的平方和求得最佳的参数a和b。

1、数据是离散的而不是连续的,所以:
rac{dx^{}}{dt}写作rac{elta x^{}}{elta t}

2.根据累加生成序列公式可知:
elta x{}=x{}-x{}=x{}

3.由1和2可得到
x{}+ax{}=d

4.移项得:
x{}=-ax{}+d

5、式子左边是已知数据,右边就是含有未知数的函数,此时就可用最小二乘法求出参数a和u

对于最小二乘法的求解在我的一篇文章有详细描述:

一文速学-最小二乘法曲线拟合算法详解+项目代码

这里就不再展开描述求解过程,仅对于计算后的结果构成:

数据矩阵B

数据向量Y

其中z^{}为加权平均值:

计算系数at{u}(最小二乘法):

对前面的微分方程求解可得:

由上面三式可得:(最终结果)

4.残差检验与级比偏差检验

残差检验arepsilon :

如果arepsilon <0.2,,则可认为达到一般要求;如果arepsilon <0.1,则认为达到较高的要求。

级比偏差检验ho :

如果ho <0.2,则可认为达到一般要求;如果ho <0.2,则认为达到较高的要求。

四、Python实例实现

我们通过得到的周数拥堵车辆数据进行测试:

复制代码
    import numpy as np
    import pandas as pd
    from decimal import *
    import matplotlib.pyplot as plt
    def Grade_ratio_test(X0):
    lambds = [X0[i - 1] / X0[i] for i in range(1, len(X0))]
    X_min = np.e ** (-2 / (len(X0) + 1))
    X_max = np.e ** (2 / (len(X0) + 1))
    for lambd in lambds:
        if lambd < X_min or lambd > X_max:
            print('该数据未通过级比检验')
            return False
    print('该数据通过级比检验')
    return True
    def model_train(X0_train):
    #AGO生成序列X1
    X1 = X0_train.cumsum()
    Z= (np.array([-0.5 * (X1[k - 1] + X1[k]) for k in range(1, len(X1))])).reshape(len(X1) - 1, 1)
    # 数据矩阵A、B
    A = (X0_train[1:]).reshape(len(Z), 1)
    B = np.hstack((Z, np.ones(len(Z)).reshape(len(Z), 1)))
    # 求灰参数
    a, u = np.linalg.inv(np.matmul(B.T, B)).dot(B.T).dot(A)
    u = Decimal(u[0])
    a = Decimal(a[0])
    print("灰参数a:", a, ",灰参数u:", u)
    return u,a
    def model_predict(u,a,k,X0):
    predict_function =lambda k: (Decimal(X0[0]) - u / a) * np.exp(-a * k) + u / a 
    X1_hat = [float(predict_function(k)) for k in range(k)]
    X0_hat = np.diff(X1_hat)
    X0_hat = np.hstack((X1_hat[0], X0_hat))
    return X0_hat
    '''
    根据后验差比及小误差概率判断预测结果
    :param X0_hat: 预测结果
    :return:
    '''
    def result_evaluate(X0_hat,X0):
    S1 = np.std(X0, ddof=1)  # 原始数据样本标准差
    S2 = np.std(X0 - X0_hat, ddof=1)  # 残差数据样本标准差
    C = S2 / S1  # 后验差比
    Pe = np.mean(X0 - X0_hat)
    temp = np.abs((X0 - X0_hat - Pe)) < 0.6745 * S1    
    p = np.count_nonzero(temp) / len(X0)  # 计算小误差概率
    print("原数据样本标准差:", S1)
    print("残差样本标准差:", S2)
    print("后验差比:", C)
    print("小误差概率p:", p)
    if __name__ == '__main__':
    plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 步骤一(替换sans-serif字体)
    plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 步骤二(解决坐标轴负数的负号显示问题)
        # 原始数据X
    
    data = pd.read_excel('./siwei_day_traffic.xlsx')
    X=data[data['week_day']=='周五'].jam_num[:5].astype(float).values
    print(X)
    # 训练集
    X_train = X[:int(len(X) * 0.7)]
    # 测试集
    X_test = X[int(len(X) * 0.7):]
     
    Grade_ratio_test(X_train)  # 判断模型可行性
    a,u=model_train(X_train)  # 训练
    Y_pred = model_predict(a,u,len(X),X)  # 预测
    Y_train_pred = Y_pred[:len(X_train)]
    Y_test_pred = Y_pred[len(X_train):]
    score_test = result_evaluate(Y_test_pred, X_test)  # 评估
     
    # 可视化
    plt.grid()
    plt.plot(np.arange(len(X_train)), X_train, '->')
    plt.plot(np.arange(len(X_train)), Y_train_pred, '-o')
    plt.legend(['负荷实际值', '灰色预测模型预测值'])
    plt.title('训练集')
    plt.show()
     
    plt.grid()
    plt.plot(np.arange(len(X_test)), X_test, '->')
    plt.plot(np.arange(len(X_test)), Y_test_pred, '-o')
    plt.legend(['负荷实际值', '灰色预测模型预测值'])
    plt.title('测试集')
    plt.show()
复制代码
>     [115394. 120416.  97759. 113309.  98603.]
>     rho: [1.0435204603358927, 0.41456681226411096]
>     rho_ratio: [0.3972771287404067]
>     数据通过光滑校验
>     该数据通过级比检验
>     灰参数a: 0.20769565715594995314319248791434802114963531494140625 ,灰参数u: 156887.7727878994191996753215789794921875
>     原数据样本标准差: 10398.712324129368
>     残差样本标准差: 107.91252463173271
>     后验差比: 0.01037748918020652
>     小误差概率p: 1.0
>  
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>       
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>       
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