指數(shù)平滑模型在靖西天然氣管道用氣負(fù)荷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

羅志鵬 賈 琳

陜西省天然氣股份有限公司 （陜西 西安 710016）

負(fù)荷預(yù)測(cè)是供氣系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)和優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度管理的重要基礎(chǔ)，是天然氣調(diào)控中心SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)重要組成部分。隨著各大城市對(duì)天然氣需求的不斷增大，對(duì)天然氣管網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行管理及調(diào)峰、儲(chǔ)氣等都提出了更高的要求，所以根據(jù)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)和相關(guān)影響因素預(yù)測(cè)未來(lái)情況，是當(dāng)前天然氣管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)迫切解決的任務(wù)。特別是對(duì)天然氣供氣系統(tǒng)上游與下游之間要簽訂“照付不議合同”來(lái)說(shuō)，用氣負(fù)荷或需求量的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)就顯得尤為重要，它涉及到供氣系統(tǒng)的安全性、可靠性和天然氣公司的經(jīng)濟(jì)效益等諸多方面的因素。另外對(duì)于供氣管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行，都必須首先考慮2個(gè)問(wèn)題，即天然氣用氣負(fù)荷的預(yù)測(cè)問(wèn)題和管網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題，而調(diào)峰問(wèn)題又是用氣負(fù)荷問(wèn)題的再現(xiàn)，因此天然氣負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)提高供氣系統(tǒng)管理水平、保證安全平穩(wěn)供氣、提高供氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性均有十分重要的意義。

靖西天然氣管道，始于陜西省榆林市靖邊縣楊橋畔龐家灣村東700m的靖邊首站，沿公路干線(xiàn)途經(jīng)5市13個(gè)（區(qū)）縣到達(dá)西安市未央?yún)^(qū)杜家堡的西安末站，管道全長(zhǎng)488.5km。靖西天然氣管道為雙氣源（靖邊、化子坪）、復(fù)管（一線(xiàn)、二線(xiàn)）、三座壓氣站（靖邊、延安、富縣）聯(lián)合運(yùn)行方式，管道全線(xiàn)還設(shè)有延安分輸站、黃陵清管站、銅川分輸站、義和分輸站、涇河分輸站、西安末站等十多座工藝場(chǎng)站。

目前，靖西輸氣管道主要負(fù)責(zé)向管道沿線(xiàn)和周邊各大城市和工業(yè)企業(yè)供氣，其中，工業(yè)用戶(hù)包括：咸陽(yáng)彩虹、中冶軋輥、天宏硅業(yè)、寶鈦股份、陜重汽等；化肥用戶(hù)包括興化股份；石化用戶(hù)包括咸陽(yáng)新科；加氣包括華氣安然、金億達(dá)、西藍(lán)公司、通源公司、咸陽(yáng)通馳、閻良區(qū)、西安市、咸陽(yáng)市、寶雞市、渭南市、涇陽(yáng)縣以及其他城市加氣等。

歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，靖西管道天然氣的消費(fèi)群體，主要分布在陜西中部的7個(gè)地市，天然氣消費(fèi)量從 2001年的 43 584.7×104m3增加到 2011年的251 191.4×104m3，年平均增長(zhǎng)率達(dá)到 19.3%，用氣量逐年快速遞增，變化趨勢(shì)（圖1）。

1 指數(shù)平滑預(yù)測(cè)的基本原理

圖1 靖西天然氣管道年度負(fù)荷變化趨勢(shì)圖

指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法是利用平滑平均數(shù)的計(jì)算對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行修勻的一種預(yù)測(cè)方法[1-3]，其基本思想是：在預(yù)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)某種方式消除歷史統(tǒng)計(jì)序列中的隨機(jī)波動(dòng)。研究表明，越近期的數(shù)據(jù)反映的信息越新，對(duì)未來(lái)的影響就越大，因此通過(guò)對(duì)不同歷史數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重，時(shí)刻越近，數(shù)據(jù)權(quán)重越大，時(shí)刻越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)權(quán)重越小。因此，數(shù)據(jù)的重要程度是按時(shí)間上的遠(yuǎn)近成非線(xiàn)性遞增的。指數(shù)平滑是對(duì)加權(quán)平均的進(jìn)一步發(fā)展和完善，最初是由美國(guó)著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家布朗（Robert Brown）于1959年提出來(lái)的。

指數(shù)平滑法憑借其易掌握、易操作、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，在各學(xué)科領(lǐng)域的預(yù)測(cè)研究中得到廣泛應(yīng)用。它的使用頻率僅次于回歸分析法，并已成為十分熱門(mén)的組合預(yù)測(cè)中的首選方法[4,5]。

2 指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型

2.1 一次指數(shù)平滑

一次指數(shù)平滑以預(yù)測(cè)目標(biāo)的本期實(shí)際值和本期預(yù)測(cè)值為基數(shù)，分別給予不同的權(quán)數(shù)求出指數(shù)平滑值作為確定的預(yù)測(cè)值，線(xiàn)性模型可表示為：

2.2 二次指數(shù)平滑

二次指數(shù)平滑是在一次指數(shù)平滑的基礎(chǔ)上，再做一次平滑，以對(duì)時(shí)序存在的線(xiàn)性趨勢(shì)進(jìn)行修正，然后利用二次指數(shù)平滑值建立預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，模型表達(dá)式記為：

當(dāng)時(shí)間從t時(shí)期開(kāi)始至以后具有直線(xiàn)變化趨勢(shì)時(shí)，可建立如下二次指數(shù)平滑法的預(yù)測(cè)模型：

其中：Yt+m為第t+m期預(yù)測(cè)值；m表示自t時(shí)刻起向前預(yù)測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)度；at和bt為模型參數(shù)。at和bt的求解公式為：

2.3 指數(shù)平滑系數(shù)的確定

在指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型中都要用到平滑系數(shù)α，平滑系數(shù)α的大小對(duì)預(yù)測(cè)值影響很大，其選值是關(guān)鍵。選擇α的總原則是：保證預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差最小。從理論上講，α取0～1之間任意數(shù)值均可以，為了提高預(yù)測(cè)精度運(yùn)用以下方法來(lái)確定α的取值：

（1）首先由經(jīng)驗(yàn)判斷法確定α的取值范圍。由文獻(xiàn)[2]得到，α取值越大，預(yù)測(cè)值越能反映實(shí)際值的變化情況；α取值越小，預(yù)測(cè)值越接近于前期預(yù)測(cè)值，即越趨近于某一穩(wěn)定值。因此在對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，可依據(jù)表1來(lái)確定平滑系數(shù)α的取值范圍。

表1 平滑系數(shù)α取值經(jīng)驗(yàn)

（2）再由試算法確定α的取值。根據(jù)具體時(shí)間序列情況，參照經(jīng)驗(yàn)判斷法得出α的取值范圍，然后在此范圍內(nèi)取幾個(gè)α值進(jìn)行試算，比較不同α值下的預(yù)測(cè)誤差，選取預(yù)測(cè)誤差最小的α作為最終的取值。

3 指數(shù)平滑模型預(yù)測(cè)計(jì)算及結(jié)果

通過(guò)觀察圖1，靖西管道天然氣2001～2011年的年度負(fù)荷大致呈直線(xiàn)遞增的變化趨勢(shì)。選用布朗（Brown）單一參數(shù)線(xiàn)性指數(shù)平滑計(jì)算模型，即二次指數(shù)平滑法，對(duì)靖西天然氣管道年度負(fù)荷量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

利用二次指數(shù)平滑法，預(yù)測(cè)具有線(xiàn)性趨勢(shì)性的基本步驟為：

（1）為了使靖西管道天然氣需求近期較快的發(fā)展趨勢(shì)在預(yù)測(cè)模型中得到充分反映，α的取值應(yīng)大一些，經(jīng)反復(fù)測(cè)算比較后，選取α=0.8時(shí)，計(jì)算結(jié)果最為合適；

（2）根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，由（1）式進(jìn)行一次指數(shù)平滑計(jì)算；

（3）再由（2）式進(jìn)行二次指數(shù)平滑計(jì)算；

（4）最后由（4）、（5）式計(jì)算 at和 bt，并由（3）式計(jì)算t時(shí)刻之后的預(yù)測(cè)值Yt+m。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2得知，在2003～2011年天然氣負(fù)荷量預(yù)測(cè)中最大相對(duì)誤差為9.07%，平均相對(duì)誤差為4.43%，誤差均低于10%的誤差要求，故可以應(yīng)用該模型對(duì)靖西天然氣管道的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用建立的預(yù)測(cè)模型對(duì)靖西天然氣管道未來(lái)5年的天然氣負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，2012～2016年各年份的預(yù)測(cè)值依次通過(guò)變更預(yù)測(cè)的超前期數(shù)m=1，2，…，5可得到（表 3）。

表2 靖西天然氣管道負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)、二次指數(shù)平滑值及誤差表

表3 靖西管道天然氣負(fù)荷指數(shù)平滑模型預(yù)測(cè)結(jié)果

最后，將2001～2016年靖西管道天然氣實(shí)際消費(fèi)量和預(yù)測(cè)量的變化趨勢(shì)繪圖（圖2）。

4 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)分析靖西管道天然氣用氣現(xiàn)狀，得出該管道天然氣消費(fèi)的主要特點(diǎn)是天然氣消費(fèi)總量增長(zhǎng)迅速，且大致呈直線(xiàn)遞增的趨勢(shì)變化。

（2）運(yùn)用指數(shù)平滑模型預(yù)測(cè)靖西管道天然氣需求負(fù)荷，由2012年的28.29億m3，增加到2016年的41.10億m3，增長(zhǎng) 1.45倍，年均增長(zhǎng)9.79%，預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差4.43%。根據(jù)預(yù)測(cè)模型的相對(duì)誤差判斷，建立的指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型是合理、可行，可以應(yīng)用該模型對(duì)靖西天然氣管道的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（3）作者僅對(duì)靖西天然氣管道的年負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為了滿(mǎn)足儲(chǔ)氣調(diào)峰設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)、制訂檢維修計(jì)劃、運(yùn)行與調(diào)度的需要，僅僅進(jìn)行中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)是不夠的，還需要進(jìn)行短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，如對(duì)日、小時(shí)的負(fù)荷量進(jìn)行預(yù)測(cè)，這樣才能更好地指導(dǎo)管道生產(chǎn)運(yùn)行。

圖2 2001～2015年靖西天然氣管道負(fù)荷變化趨勢(shì)圖（指數(shù)平滑模型）

[1]張靜.基于灰色—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的西安市天然氣中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2006.

[2]李朝輝.指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法的運(yùn)用[J].華北礦業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，1999，6(2)：41-62

[3]楊昭，苗志彬，劉燕.一種新的天然氣管網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[J].天然氣工業(yè),2003,23（4）：93-96

[4]嚴(yán)銘卿，廉樂(lè)明，焦文玲，等.燃?xì)庳?fù)荷及其預(yù)測(cè)模型[J].煤氣與熱力,2003,23（5）：259-266

[5]嚴(yán)銘卿，廉樂(lè)明.天然氣輸配工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.