基于回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的中藥材種子價(jià)格預(yù)測(cè)分析
——以酸棗種子為例

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2.石家莊以嶺藥業(yè)股份有限公司，河北 石家莊 050035；3.河北地質(zhì)大學(xué)信息工程學(xué)院，石家莊 050031；4.天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，天津 301617；5.天津商業(yè)大學(xué)制藥工程系，天津 300134)

中藥材是關(guān)系國(guó)計(jì)民生、保障人民生命健康的戰(zhàn)略資源。中藥材行業(yè)的健康發(fā)展，關(guān)鍵在源頭，根本在種子[1]。中藥材種子的優(yōu)劣直接關(guān)系到中藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量[2]，近年來隨著國(guó)家加強(qiáng)對(duì)中藥材等非主要農(nóng)作物種子的管理[3]，肉蓯蓉、丹參等中藥材種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相繼建立[4,5]，中藥材種子產(chǎn)業(yè)走上了快速發(fā)展的軌道。

酸棗種子，也稱酸棗仁，既是具有寧心安神作用的著名中藥材，同時(shí)利用酸棗種子培育的苗木可作為大棗嫁接的優(yōu)良砧木，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[6]。以酸棗種子為代表的中藥材種子市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)直接關(guān)系到中藥材種植者的投入、產(chǎn)出和效益， 因此受到廣大中藥材從業(yè)者的極大關(guān)注。

中藥材種子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)在流通環(huán)節(jié)，關(guān)鍵在市場(chǎng)價(jià)格，但是包括中藥材在內(nèi)的種子市場(chǎng)較為混亂，價(jià)格差異懸殊，直接限制了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[7,8]。進(jìn)行中藥材種子價(jià)格的分析和預(yù)測(cè)對(duì)于調(diào)整中藥材產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃布局、調(diào)節(jié)資源配置，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。目前，由于中藥材種子價(jià)格影響因素較多，并且價(jià)格波動(dòng)存在非線性、周期性等特點(diǎn)，前人尚無有效方法進(jìn)行價(jià)格精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。本研究引入以人工智能系統(tǒng)為基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并經(jīng)迭代優(yōu)化建立回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以酸棗種子為典型代表，進(jìn)行中藥材種子價(jià)格的分析和預(yù)測(cè)實(shí)證研究，以期為中藥材種業(yè)的良性發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及模型構(gòu)建

回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和迭代回歸相結(jié)合組建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其通過構(gòu)建初始BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用數(shù)據(jù)集進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練[9]，并將輸出值與真實(shí)值之間的差異反饋到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和權(quán)重調(diào)整，如此反復(fù)，迭代回歸，逐步修正和調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到降低神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差的作用[10-11](圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

酸棗種子(酸棗仁)市場(chǎng)價(jià)格歷年數(shù)據(jù)來自中藥材天地網(wǎng)(以山東機(jī)選種子為參考)，每月采集3組基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以安國(guó)、亳州、荷花池、玉林4個(gè)市場(chǎng)每月5日、15日、25日?qǐng)?bào)價(jià)為采集基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)期間為2013年1月—2019年9月。

回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)為2013年1月—2019年9月，仿真數(shù)據(jù)為2013年2月—2019年9月，利用前2年數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的仿真預(yù)測(cè)。

數(shù)據(jù)分析前先進(jìn)行歸一化處理，使酸棗種子價(jià)格在回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的輸入數(shù)據(jù)歸一化在[0-1]范圍內(nèi)。同時(shí)，將計(jì)算后輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行反歸一化處理，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，月度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為每月5日、15日、25日輸出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的算數(shù)平均數(shù)。

表1 2018年7月—2019年6月酸棗種子實(shí)際價(jià)格與擬合價(jià)格對(duì)比 單位：元·kg-1

X原始=X歸一(Xmax-Xmin)+Xmin

圖1 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算過程流程圖

1.3 模型數(shù)據(jù)分析方法

采用MATLAB R 2016軟件進(jìn)行回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析，采用Microsoft Excel 2013軟件數(shù)據(jù)分析和繪圖。數(shù)據(jù)擬合及預(yù)測(cè)效果采用以下公式計(jì)算：

其中：y代表酸棗種子實(shí)際價(jià)格，y’代表酸棗種子預(yù)測(cè)價(jià)格。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)酸棗種子價(jià)格擬合效果分析

由表1可知，2018年7月—2019年6月通過回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的酸棗種子價(jià)格與真實(shí)值相比，97%以上的數(shù)據(jù)誤差控制在±5%以內(nèi)，安國(guó)、亳州、荷花池、玉林4個(gè)市場(chǎng)相對(duì)偏差分別為1.90%、1.39%、1.14%、1.09%，所有市場(chǎng)的總平均相對(duì)偏差為1.38%。

由圖2可知，2013年1月—2019年9月4個(gè)市場(chǎng)酸棗種子價(jià)格擬合對(duì)比圖顯示，回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能對(duì)酸棗種子市場(chǎng)價(jià)格變動(dòng)做出提前預(yù)判并做出迅速反應(yīng)，非線性特征表現(xiàn)明顯，具有良好的預(yù)測(cè)效果。

2.2 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)酸棗種子價(jià)格預(yù)測(cè)分析

運(yùn)用回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行2019年10月—2020年7月酸棗種子價(jià)格預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示未來9個(gè)月酸棗種子價(jià)格呈相對(duì)平穩(wěn)的總體趨勢(shì)，4個(gè)市場(chǎng)酸棗種子價(jià)格在160～175元·kg-1范圍內(nèi)波動(dòng)。

3 結(jié)論與討論

市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，價(jià)格起關(guān)鍵作用。無論是與國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)的外匯[12]、股指期貨領(lǐng)域[13]，還是與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域[14]，價(jià)格是人們關(guān)注的永恒焦點(diǎn)。在中藥材種植領(lǐng)域，種子是最重要最基本的要素，中藥材種子價(jià)格的波動(dòng)對(duì)于中藥材產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和中藥材市場(chǎng)供應(yīng)的影響日益突出，受到廣泛關(guān)注。

圖2 2013年1月—2019年9月酸棗種子實(shí)際價(jià)格與回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合價(jià)格對(duì)比(單位：元·kg-1)

表2 2019年10月—2020年7月酸棗種子價(jià)格預(yù)測(cè) (單位：元·kg-1)

酸棗是我國(guó)獨(dú)特的生物資源，不僅含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[15]，能為大健康產(chǎn)業(yè)提供原料，而且對(duì)于山區(qū)資源開發(fā)和產(chǎn)業(yè)扶貧至關(guān)重要[16]。酸棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開種子[17,18]，通過科學(xué)手段進(jìn)行酸棗種子市場(chǎng)研判可提前制定有效對(duì)策，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。本研究針對(duì)酸棗種子價(jià)格波動(dòng)特點(diǎn)，在具有較強(qiáng)自識(shí)別和非線性處理能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代回歸優(yōu)化組建回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過對(duì)酸棗種子價(jià)格預(yù)測(cè)表明：

1) 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)酸棗種子價(jià)格的波動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)精度高，2018年7月—2019年6月四大市場(chǎng)酸棗種子價(jià)格預(yù)測(cè)總相對(duì)偏差僅為1.38%。

2) 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能對(duì)酸棗種子市場(chǎng)價(jià)格非線性變動(dòng)進(jìn)行提前預(yù)判并做出迅速反應(yīng)。

3) 回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能對(duì)酸棗種子市場(chǎng)未來價(jià)格作出提前預(yù)判，預(yù)計(jì)2019年10月—2020年7月酸棗種子價(jià)格將在160～175元·kg-1范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)。在回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的指導(dǎo)下，酸棗種子產(chǎn)業(yè)應(yīng)注意價(jià)格周期性風(fēng)險(xiǎn)的防范，及時(shí)做好價(jià)格波動(dòng)應(yīng)對(duì)預(yù)案。同時(shí)針對(duì)該模型預(yù)測(cè)精度高、預(yù)判性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于中藥材種子價(jià)格預(yù)測(cè)領(lǐng)域。

中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要優(yōu)良的種子質(zhì)量保障，及時(shí)的種子市場(chǎng)信息，穩(wěn)定的種子價(jià)格預(yù)期。中藥材種子的市場(chǎng)價(jià)格研判，需要在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)和數(shù)理模型進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，以便更好的指導(dǎo)生產(chǎn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。