運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論開展港口運(yùn)量及占有率預(yù)測(cè)分析

韓斌

摘 要：秦皇島港是我國(guó)北煤南運(yùn)的重要下水港口，承擔(dān)著全國(guó)超過(guò)30%的沿海煤炭一次下水量，在國(guó)家煤炭能源運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。港口煤炭吞吐量的發(fā)展水平受到國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體發(fā)展水平、港口運(yùn)輸能力、煤炭消費(fèi)需求、煤炭產(chǎn)區(qū)外運(yùn)通道的能力狀況等諸多因素的影響，是各因素共同作用的結(jié)果。在各項(xiàng)影響因素短期內(nèi)不發(fā)生重大變化的情況下，運(yùn)用港口近年來(lái)的吞吐量數(shù)據(jù)開展港口運(yùn)量預(yù)測(cè)，在港口經(jīng)營(yíng)發(fā)展中具有重要意義。本次預(yù)測(cè)的目標(biāo)數(shù)據(jù)是秦皇島港未來(lái)五年的煤炭下水量。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)理；GM模型；預(yù)測(cè)分析

一、灰色系統(tǒng)理論簡(jiǎn)介

灰色系統(tǒng)理論是1982年由我國(guó)學(xué)者鄧聚龍教授率先提出的，目前灰色系統(tǒng)理論的應(yīng)用范圍已拓展到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、能源、地質(zhì)、石油等眾多科學(xué)領(lǐng)域，成功地解決了生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的大量實(shí)際問(wèn)題，取得了顯著成果。

灰色系統(tǒng)理論著重研究概率統(tǒng)計(jì)，模糊數(shù)學(xué)難以解決的“小樣本，貧信息”不確定性問(wèn)題，著重研究“外延明確，內(nèi)涵不明確”的對(duì)象。如到2050年，中國(guó)要將總?cè)丝诳刂圃?5億到16億之間，這“15億到16億之間”是一個(gè)灰概念，其外延很清楚，但要知道具體數(shù)值，則不清楚。

灰色系統(tǒng)理論經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)基本建立起一門新興學(xué)科的結(jié)構(gòu)體系。其主要內(nèi)容包括以灰色代數(shù)系統(tǒng)，灰色方程、灰色矩陣等為基礎(chǔ)的理論體系。以灰色序列生成為基礎(chǔ)的方法體系，以灰色關(guān)聯(lián)空間為依托的分析體系。以灰色模型（GM）為核心的模型體系，以系統(tǒng)分析，評(píng)估，建模，預(yù)測(cè)，決策，控制，優(yōu)化為主體的技術(shù)體系。

二、GM模型概述

G表示gray（灰色），m表示model（模型），Gm（1，1）表示1階的、1個(gè)變量的模型。

定義1.1設(shè)

，則稱

為GM（1，1）模型的原始形式。

定義1.2設(shè)，

，

其中

則稱 為GM（1，1）模型的基本形式。

定義1.3 設(shè)為非負(fù)序列：

為的1-AGO（即一次累加）序列：

，

其中；為的緊鄰均值生成序列，

其中

若為參數(shù)列，且

則GM（1，1）模型的最小二乘估計(jì)參數(shù)列滿足

定義1.4設(shè)為非負(fù)序列，為的1-AGO（即一次累加）序列，為的緊鄰均值生成序列，則稱

為GM（1，1）模型的白化方程，也叫影子方程。

定理1.1設(shè)如定理4.13所述，

，則

1. 白化方程的解（也稱時(shí)間響應(yīng)函數(shù)）為

2. GM（1，1）模型的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)序列為

3.還原值

定義1.5稱GM（1，1）模型中的參數(shù)為發(fā)展系數(shù)，為灰色作用量。

反映了 與的發(fā)展態(tài)勢(shì)。一般情況下，系統(tǒng)作用量應(yīng)是外生的或者前定的，而GM（1，1）是單序列建模，只用到系統(tǒng)的行為序列（或稱輸出序列，背景值），而無(wú)外生作用序列（或稱輸入序列，驅(qū)動(dòng)量）。GM（1，1）模型中的灰色作用量是從背景值挖掘出來(lái)的數(shù)據(jù)，它反映數(shù)據(jù)變化的關(guān)系，其確定內(nèi)涵是灰色的，灰色作用量是內(nèi)涵外延化的具體表現(xiàn)，它的存在，是區(qū)別灰色建模與一般輸入輸出建模的分水嶺，也是區(qū)別灰色系統(tǒng)觀點(diǎn)與灰箱觀點(diǎn)的重要標(biāo)志。

定理1.2GM（1，1）模型

可轉(zhuǎn)化為，其中

三、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)比對(duì)及結(jié)論

通過(guò)對(duì)秦皇島港煤炭下水量的的預(yù)測(cè)結(jié)果與2013年底秦皇島港下水煤炭實(shí)際完成量對(duì)比，2013年預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為2.681303億噸，而2013年實(shí)際完成2.356571億噸，二者偏差值為0.324732億噸（約3247萬(wàn)噸）。另外14-17年預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，從煤炭供求宏觀趨勢(shì)和港口生產(chǎn)能力來(lái)看，出現(xiàn)年均約1100萬(wàn)噸下水量增量可能性較小。

那么我們嘗試改變運(yùn)算的方式，把本港煤炭下水量拆分為兩個(gè)乘數(shù)相乘，借此減少干擾因素的影響，我們將煤炭下水量分別分解為北方主要港口煤炭下水量與秦港相對(duì)其占有率、全國(guó)沿海煤炭下水量與秦港相對(duì)其占有率以及全國(guó)沿海煤炭下水量與秦港相對(duì)其占有率的兩數(shù)相乘，并分別對(duì)兩個(gè)乘數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方式。

根據(jù)GM（1，1）模型運(yùn)算，預(yù)測(cè)情況如下表：

年份 秦港煤炭下水量 北方主要港口煤炭下水量 秦港相對(duì)

北方港口

占有率 全國(guó)沿海港口煤炭下水量 秦港相對(duì)全國(guó)沿海占有率 全國(guó)沿海內(nèi)貿(mào)煤炭下水量 秦港相對(duì)沿海內(nèi)貿(mào)占有率

2008 2.18 4.99 43.67% 5.55 39.25% 4.95 43.99%

2009 2.05 4.57 44.80% 5.25 38.99% 5.03 40.73%

2010 2.23 5.54 40.23% 6.39 34.90% 6.17 36.12%

2011 2.52 6.58 38.37% 7.57 33.34% 7.38 34.20%

2012 2.36 6.28 37.59% 7.43 31.78% 7.32 32.27%

2013 7.85 33.51% 9.40 27.98% 9.41 27.87%

2014 8.51 31.98% 10.30 26.44% 10.41 26.08%

2015 9.22 30.53% 11.29 24.98% 11.51 24.41%

2016 10.00 29.14% 12.37 23.60% 12.72 22.84%

2017 10.84 27.82% 13.55 22.30% 14.06 21.38%

注：下水量單位均為億噸，黑體標(biāo)示為預(yù)測(cè)數(shù)。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)比對(duì)，我們初步可以判定，因?yàn)榍鼗蕧u港受到煤炭供需關(guān)系、新能源替代、港口生產(chǎn)能力、煤炭通道建設(shè)等一系列因素的影響和限制，秦港煤炭下水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與近年實(shí)際發(fā)展趨勢(shì)相背離。但在對(duì)北方主要港口、全國(guó)沿海港口的預(yù)測(cè)中，通過(guò)基于灰色系統(tǒng)理論所建立的模型得出的數(shù)據(jù)，北方主要港口及全國(guó)沿海港口煤炭發(fā)運(yùn)量、秦港相對(duì)占有率數(shù)據(jù)與今年實(shí)際情況對(duì)比，反映趨勢(shì)基本一致，預(yù)測(cè)得出的下水量及占有率數(shù)據(jù)也較為接近實(shí)際情況。

運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論開展港口運(yùn)量及占有率預(yù)測(cè)分析所得出的全國(guó)煤炭下水量及秦皇島港相對(duì)占有率數(shù)據(jù)，可以成為公司經(jīng)營(yíng)發(fā)展決策的重要參考支撐，對(duì)公司戰(zhàn)略制定、經(jīng)營(yíng)決策起到參考作用，但該理論模型還需進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)，校正偏差及干擾因素，以便得出更能反映企業(yè)、行業(yè)發(fā)展規(guī)律，貼近我港生產(chǎn)實(shí)際的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。