基于GM—RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的冷鏈運輸環(huán)境預(yù)測

劉靜　傅澤田　張小栓

摘要：針對鮮食葡萄冷鏈運輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，采用灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，對冷藏車廂環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。該方法不僅能有效規(guī)避灰色預(yù)測模型自身誤差大的缺點，還能減弱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練樣本隨機(jī)性對建模精度的影響，提高整體模型的精度。結(jié)果表明，灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法得到的預(yù)測結(jié)果最接近真實值，均方根相對誤差為0.60%，平均相對誤差為0.44%，顯著優(yōu)于單一的灰色預(yù)測、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，能準(zhǔn)確反映冷藏車廂的環(huán)境狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：預(yù)測；冷藏車；灰色理論；徑向基；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；葡萄

中圖分類號： S126；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0498-02

制冷設(shè)備故障、傳感器異常、人為因素等使冷鏈運輸?shù)钠焚|(zhì)受到威脅，實施冷鏈監(jiān)測是保證其品質(zhì)的有效手段[1-2]。傳統(tǒng)的冷鏈運輸監(jiān)測系統(tǒng)僅對冷藏車廂內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，而無法進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)冷藏車廂內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)低于臨界狀態(tài)時才進(jìn)行補(bǔ)救，管理較為消極，常造成經(jīng)濟(jì)損失。

灰色系統(tǒng)理論（grey model，GM）認(rèn)為，任何隨機(jī)過程都是在一定幅值范圍及時間段內(nèi)變化的灰色量[3]。在冷鏈運輸監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器每一時刻監(jiān)測到的冷藏車廂環(huán)境數(shù)據(jù)都是隨機(jī)的，因此冷鏈運輸監(jiān)測數(shù)據(jù)具有明顯灰性，可將灰色理論應(yīng)用于冷鏈運輸數(shù)據(jù)預(yù)測。冷鏈運輸過程中，在不同時間、不同空間采集的冷藏車廂環(huán)境參數(shù)存在一定波動性，但整體上具有穩(wěn)定性[4]。通過灰色累加生成操作將原始監(jiān)測數(shù)據(jù)生成有規(guī)律的時間序列，為建模提供更有利的信息，從而實現(xiàn)對冷藏車廂環(huán)境參數(shù)的預(yù)測[5]。當(dāng)車廂內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)較大的擾動、突變、機(jī)械故障等異常情況時，灰色模型預(yù)測數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性受到影響，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果誤差較大，并降低數(shù)據(jù)反饋的準(zhǔn)確性。

徑向基（radial basis function，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)有規(guī)律的異常數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對某些特殊情況的預(yù)測，在復(fù)雜問題的處理上具有優(yōu)越性[6]。采用多變量灰色預(yù)測與徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法可形成互補(bǔ)[7]。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立殘差反饋項，彌補(bǔ)灰色預(yù)測處理異常情況時建模精度低的缺陷。將多變量灰色預(yù)測與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合[8-10]，以期實現(xiàn)冷鏈運輸過程中冷藏車廂環(huán)境的有效預(yù)測。

1 基于GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)預(yù)測

GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測采用混合補(bǔ)償式組合模式（圖1）。利用冷藏車廂原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用GM模型進(jìn)行建模預(yù)測，并求出殘差項；采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立原始監(jiān)測數(shù)據(jù)與殘差項間的映射關(guān)系，原始數(shù)據(jù)作為模型輸入，預(yù)測殘差項作為目標(biāo)輸出；利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對殘差項進(jìn)行預(yù)測，并補(bǔ)

償GM模型的預(yù)測值。

冷鏈運輸過程中，影響葡萄品質(zhì)的關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)為溫度、相對濕度、二氧化硫體積濃度[11]，獲得了s個時間點的原始監(jiān)測數(shù)據(jù){xi[0]（t-s+1）}，i=1，2，3。GM預(yù)測模型的原始輸入數(shù)據(jù)長度為s，滾動預(yù)測步長為R。原始監(jiān)測數(shù)據(jù)與GM預(yù)測值的殘差為：

使用GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測之前，必須對RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充分訓(xùn)練。使用未經(jīng)充分訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生很大誤差；而過多網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練則會降低學(xué)習(xí)效率，少數(shù)特殊的監(jiān)測數(shù)據(jù)點被湮沒在大量正常的數(shù)據(jù)中，耗費大量資源。本研究提出的GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在殘差訓(xùn)練中增加了殘差判斷過程，事先設(shè)定殘差閾值，一旦發(fā)現(xiàn)殘差的絕對值大于閾值，即判定特殊點出現(xiàn)并進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。輸入測試樣本，使用訓(xùn)練好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測，得到預(yù)測殘差序列e⌒（0）（k），由此最終得到基于 GM-RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的冷鏈運輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測值 x⌒（0）（k）* 。

2 情景設(shè)計

在實際冷鏈運輸過程中，突發(fā)性的擾動、故障等異常情況的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，無法進(jìn)行預(yù)測；但對于有規(guī)律的突變點，通過其突變之前出現(xiàn)的數(shù)據(jù)先兆，可對將要發(fā)生的狀況進(jìn)行預(yù)測。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的選取盡量具有正確性、準(zhǔn)確性、代表性，盡量涉及冷鏈運輸過程中可能發(fā)生的各種情況，正確反映冷鏈運輸過程中數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，防止壞樣本干擾神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。本研究選取150組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，包括較為特殊的突變點、開關(guān)門過程等，并選取50組數(shù)據(jù)作為測試樣本。采用TEMI1880型高低溫交變試驗箱（天津蘇瑞科技有限公司產(chǎn)品）模擬冷藏車廂環(huán)境，以溫度預(yù)測為例進(jìn)行研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 預(yù)測結(jié)果

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量是原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，目標(biāo)向量是GM模型的殘差。為確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)向量，采用GM模型對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合與預(yù)測。經(jīng)多次測試，將每40次監(jiān)測數(shù)據(jù)作為1個循環(huán)周期建立的模型較為理想，模型的發(fā)展系數(shù)-a<0.3，適用于中長期預(yù)測。利用第1個至第40個連續(xù)的冷鏈監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測第41個至第50個數(shù)據(jù)；利用第2個至第41個連續(xù)數(shù)據(jù)預(yù)測第42個至第51個數(shù)據(jù)；以此類推，利用第109個至第150個連續(xù)數(shù)據(jù)預(yù)測第151個至第160個數(shù)據(jù)。

由GM模型109次預(yù)測過程的比例絕對誤差（圖2）可知，第40個至第80個預(yù)測點誤差較大，原因是此階段的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)存在較大的突變及開關(guān)門現(xiàn)象。由于GM模型自身的局限性，突發(fā)事件（大擾動、切換、突變、故障等異常情況）對數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性造成破壞，從而干擾預(yù)測結(jié)果，使預(yù)測誤差較高。使用此類數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警將有較高的誤報率；因此，須對模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

采用GM模型計算150組原始數(shù)據(jù)可得到109組殘差序列，并將其作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)向量；輸入向量是與殘差序列對應(yīng)的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。使用GM模型對第151個至第190個數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合與預(yù)測，預(yù)測階數(shù)為10。經(jīng)計算，發(fā)展系數(shù)a=-0.000 142 46、灰作用量u=-0.495 96，由于-a<0.3，該模型適用于中長期預(yù)測。

擬合后的數(shù)據(jù)殘差曲線見圖3。其中，圓圈代表殘差值，豎線代表各點相應(yīng)的95%置信區(qū)間，第2、第39個點為離群點，誤差較大。小誤差概率P=0.725∈[0.7，0.8]，模型精度等級為3級（勉強(qiáng)）；而后驗差比C=0.662 01>0.65，模型精度不合格，因此GM模型需進(jìn)行誤差補(bǔ)償。使用訓(xùn)練好的endprint

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對第191組至第200組的GM模型殘差進(jìn)行預(yù)測。為檢驗預(yù)測的準(zhǔn)確性，已監(jiān)測到實際中第191組至第200組的原始數(shù)據(jù)。經(jīng)計算，前幾個點的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測殘差與真實計算殘差相差不大，但最近監(jiān)測點對未來預(yù)測的決定作用隨時間的推移越來越小，且預(yù)測精度隨著隨機(jī)因素的增多而開始下降。將GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出向量反歸一化，得到最終的擬合值與預(yù)測值。

GM模型、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在第151組至第200組的擬合值與預(yù)測值見圖4。其中，前40個監(jiān)測點對應(yīng)的溫度值是擬合值，后10個是預(yù)測值。采用GM-RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法得到的預(yù)測結(jié)果最接近于真實值，其次為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，而GM模型的預(yù)測結(jié)果僅呈現(xiàn)出監(jiān)測數(shù)據(jù)的總體變化趨勢，并未準(zhǔn)確給出每個時間點的監(jiān)測值，與原始監(jiān)測值間的偏差較大，并且可以預(yù)見，預(yù)測結(jié)果必將隨著預(yù)測時間的增長而產(chǎn)生越來越大的偏差。

3.2 預(yù)測結(jié)果評價

為對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行更好的評價與比較，定義如下2個誤差指標(biāo)。

經(jīng)計算得到不同預(yù)測方法的誤差（表1），GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果的均方根相對誤差為0.60%，平均相對誤差為0.44%，顯著優(yōu)于其他預(yù)測方法。

GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練第65次時，其訓(xùn)練誤差達(dá)到0.000 967 07，滿足冷鏈運輸監(jiān)測精度的要求；在相同訓(xùn)練次數(shù)下，單純RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并未達(dá)到訓(xùn)練精度的要求，在第95步時才收斂，訓(xùn)練誤差為0.000 998 13，是GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測的1.03倍。將多變量灰色預(yù)測與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測相結(jié)合，可以加快RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度，降低全局誤差，實現(xiàn)較高的預(yù)測精度。采用GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果優(yōu)于單一的GM預(yù)測、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

4 結(jié)論

針對鮮食葡萄冷鏈運輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，將多變量灰色預(yù)測方法與徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，提出一種新的鮮食葡萄冷鏈運輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測方法：GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法。該方法有效規(guī)避了灰色預(yù)測模型自身誤差大的缺點，同時減弱了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練樣本隨機(jī)性對建模精度的影響，提高了整體模型的精度。結(jié)果表明，GM-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法的均方根相對誤差、平均相對誤差分別為0.60%、0.44%，顯著優(yōu)于單一的GM預(yù)測、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，能夠準(zhǔn)確反映實際的冷鏈運輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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