基于組合預(yù)測的集裝箱海鐵聯(lián)運運量預(yù)測

霍　向，武慧榮，王麗麗，劉　霄，張　進，孟　樂

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040）

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基于組合預(yù)測的集裝箱海鐵聯(lián)運運量預(yù)測

霍向，武慧榮，王麗麗，劉霄，張進，孟樂

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040）

摘要：集裝箱海鐵聯(lián)運運量預(yù)測是多式聯(lián)運系統(tǒng)規(guī)劃的重要依據(jù)，為了提高預(yù)測精度及穩(wěn)定性，將回歸分析模型、指數(shù)平滑模型及系統(tǒng)動力學(xué)模型加權(quán)組合，綜合單一模型預(yù)測結(jié)果的相對誤差、方差確定權(quán)重，構(gòu)建了組合預(yù)測模型。以大連港集裝箱海鐵聯(lián)運系統(tǒng)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)對模型進行驗證，結(jié)果證明該模型能在一定程度上提高預(yù)測精度。

關(guān)鍵詞：海鐵聯(lián)運；運量預(yù)測；組合預(yù)測；集裝箱運輸

我國集裝箱海鐵聯(lián)運發(fā)展相對較緩，伴隨“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，將促進集裝箱海鐵聯(lián)運的快速發(fā)展。正確、合理預(yù)測集裝箱海鐵聯(lián)運運量，是多式聯(lián)運系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、投資的重要依據(jù)，而預(yù)測方法的選擇將直接影響預(yù)測結(jié)果的準確性。目前，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用了多種預(yù)測方法進行集裝箱海鐵聯(lián)運運量預(yù)測，主要有時間序列預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法、回歸分析預(yù)測法、灰色預(yù)測法、系統(tǒng)動力學(xué)預(yù)測法等。每一種預(yù)測模型建立時，都需要做出一定的假設(shè)。然而實際的運輸系統(tǒng)發(fā)展環(huán)境不會是一成不變的，單一模型難以準確描述現(xiàn)實世界錯綜復(fù)雜的關(guān)系。BatesJ.M.和Granger C.W.J.于1969年首次提出并證明兩種無偏的單項預(yù)測組合優(yōu)于每個單項預(yù)測方法。組合預(yù)測就是將不同的單一預(yù)測方法組合，綜合利用各種預(yù)測方法所提供的信息，以提高預(yù)測的精度及穩(wěn)定性。因此，本文采用組合預(yù)測方法，將線性回歸預(yù)測、指數(shù)平滑預(yù)測及系統(tǒng)動力學(xué)方法組合為一種預(yù)測方法，以降低預(yù)測環(huán)境的不確定性，提高預(yù)測的科學(xué)合理性。

一、單一預(yù)測模型

（一）線性回歸分析模型

回歸分析預(yù)測是以相關(guān)原理為基礎(chǔ)，通過對大量樣本數(shù)據(jù)做回歸分析，獲取自變量和因變量之間的相關(guān)關(guān)系，建立變量之間的回歸方程作為預(yù)測模型，以定量分析方法揭示自變量在預(yù)測期的數(shù)量變化對因變量影響。

一元線性回歸模型的基本形式為：

式中：y為線性回歸預(yù)測值；a，b為回歸系數(shù)。

（二）系統(tǒng)動力學(xué)預(yù)測模型

系統(tǒng)動力學(xué)是一種以系統(tǒng)內(nèi)部信息反饋控制理論為基礎(chǔ)、以實際系統(tǒng)為原型，以計算機仿真技術(shù)為手段的復(fù)雜系統(tǒng)定量研究方法。它能定性、定量地分析系統(tǒng)，從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手，構(gòu)造系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，進而仿真分析系統(tǒng)的動態(tài)行為。該方法通過建立反饋環(huán)、設(shè)定各種變量及方程實現(xiàn)，反饋環(huán)是指系統(tǒng)中由不同要素或變量構(gòu)成的閉合因果鏈序列，系統(tǒng)變量包括狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量，各種反饋和因果關(guān)系通過建立方程得以定量確定。

（三）指數(shù)平滑模型

數(shù)平滑法是一種時間序列預(yù)測方法，是在數(shù)值加權(quán)平均法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的預(yù)測模型。該方法的基本原理是通過對歷史觀察值進行加權(quán)處理，平滑掉部分隨機信息，并根據(jù)觀察值的表現(xiàn)趨勢，建立一定的模型，據(jù)此對預(yù)測對象作出預(yù)測?？梢韵龝r間序列的偶然性變動，進而尋找預(yù)測對象的變化特征和趨勢。

本文采用二次指數(shù)平滑法，即用二次指數(shù)平滑法建立線性預(yù)測模型：

為第t+T周期的預(yù)測值；t為目前的周期序號；T為由第t期向后推移的期數(shù)；

α值直接影響預(yù)測的精度，一般根據(jù)數(shù)據(jù)序列的特點和經(jīng)驗來確定。α值越小，說明近期值對預(yù)測值的影響越??；反之，則近期值對預(yù)測結(jié)果的影響越大?？砂淳讲钭钚〉脑瓌t確定，即確定為達到最小時的α值。

二、組合預(yù)測模型

建立組合預(yù)測模型時，確定單一模型的權(quán)重系數(shù)非常重要，合理的權(quán)重系數(shù)能夠有效提高集裝箱海鐵聯(lián)運運量的預(yù)測精度。常見的權(quán)重確定方法有：層次分析法、最優(yōu)加權(quán)法、算術(shù)平均法、方差倒數(shù)法、標準差法等。

本文綜合考慮預(yù)測相對誤差及方差確定組合預(yù)測模型權(quán)重系數(shù)。預(yù)測相對誤差反映了預(yù)測結(jié)果的可信程度，誤差大，預(yù)測的精度及可信度低；誤差越小，預(yù)測精度及可信度越高。方差則是衡量實際數(shù)據(jù)和預(yù)測結(jié)果相差的度量值，用以表征實際數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果的離散程度。方差越大，數(shù)據(jù)的波動性越大；方差越小，數(shù)據(jù)的波動就越小。在許多實際問題中，方差是測算離散趨勢最重要、最常用的指標。

考慮到集裝箱海鐵聯(lián)運運量預(yù)測工作中對預(yù)測精度要求更高，更偏重于降低預(yù)測相對誤差，因此本文綜合考慮方差和相對誤差，在組合模型權(quán)重確定時相對誤差所占權(quán)重系數(shù)取值0.7，方差系數(shù)取值0.3。根據(jù)二者的倒數(shù)確定組合預(yù)測模型的權(quán)重系數(shù)，即：

式中：ωi為第i個模型的權(quán)重系數(shù)；δi為第i個模型的平均相對誤差；si為第i個模型的方差；k為模型個數(shù)。

式中：Y為組合預(yù)測值；yi為第i個模型的預(yù)測值。

三、集裝箱海鐵聯(lián)運運量預(yù)測

（一）單一模型預(yù)測

1.線性回歸預(yù)測模型

以大連港為例，查閱中國統(tǒng)計年鑒、大連統(tǒng)計年鑒和大連市統(tǒng)計局官方網(wǎng)站等，獲得1998～2012年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運相關(guān)數(shù)據(jù)，以對外貿(mào)易總額為自變量，建立集裝箱海鐵聯(lián)運運量線性回歸預(yù)測模型：

選用2010～2012年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運運量進行預(yù)測，并檢驗?zāi)Ｐ偷南鄬φ`差，結(jié)果如表1所示。

2.系統(tǒng)動力學(xué)預(yù)測模型

根據(jù)文獻3，考慮集裝箱海鐵聯(lián)運系統(tǒng)受腹地經(jīng)濟、對外貿(mào)易發(fā)展、運輸需求、港口和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等因素綜合作用，建立集裝箱海鐵聯(lián)運系統(tǒng)發(fā)展因果關(guān)系如圖1所示。圖中箭頭表示因果關(guān)系，正負號分別表示正反饋關(guān)系和負反饋關(guān)系。

圖1　集裝箱海鐵聯(lián)運系統(tǒng)因果關(guān)系

建立集裝箱海鐵聯(lián)運系統(tǒng)流圖、系統(tǒng)方程，應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)模型進行預(yù)測并檢驗，結(jié)果見表1。

3.二次指數(shù)平滑預(yù)測模型

根據(jù)1998～2009年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運運量實際數(shù)據(jù)進行指數(shù)平滑預(yù)測，經(jīng)過多次試驗，確定平滑系數(shù)為0.7，建立集裝箱海鐵聯(lián)運運量二次指數(shù)平滑預(yù)測模型：

選用2010～2012年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運運量進行模型檢驗，預(yù)測及檢驗結(jié)果見表1。

表1　單一模型預(yù)測及相對誤差

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計算單一模型的平均相對誤差及方差，如表2所示。

表2　單一模型預(yù)測檢驗結(jié)果

（二）組合預(yù)測模型構(gòu)建及檢驗

根據(jù)表2及公式（1）計算ωi，結(jié)果如表3所示。

表3　組合模型權(quán)重系數(shù)

根據(jù)表3及公式（2）建立組合預(yù)測模型為：

同樣選用2010～2012年的實際數(shù)據(jù)進行模型檢驗，驗證組合模型的可靠性和準確性。驗證結(jié)果如表4所示。

表4　組合預(yù)測模型檢驗結(jié)果

與表1、表2中單一預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果相比，組合模型的相對誤差和方差均下降，即組合預(yù)測模型的精度及波動性都更優(yōu)。因此，該模型預(yù)測可信度更優(yōu)，可以用該模型進行集裝箱海鐵聯(lián)運運量的預(yù)測。

（三）集裝箱海鐵聯(lián)運運量預(yù)測

應(yīng)用組合預(yù)測模型對大連港2016-2020年集裝箱海鐵聯(lián)運運量進行預(yù)測，從預(yù)測結(jié)果可以看出，未來幾年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運運量將持續(xù)增長，預(yù)計在2018年將突破70萬標箱，大連港集裝箱海鐵聯(lián)運運量將以年均約10%的速度增長，這得益于大連港已建立了輻射東北三省及內(nèi)蒙古東部全境的內(nèi)陸集疏運體系網(wǎng)絡(luò)，被交通部、鐵路總公司列為全國鐵水聯(lián)運六個示范港口之一。與此同時，中長期鐵路網(wǎng)的規(guī)劃調(diào)整使大連港通過港口和鐵路的緊密合作，不斷優(yōu)化調(diào)整集裝箱海鐵聯(lián)運的作業(yè)流程，逐步實現(xiàn)裝卸作業(yè)港、站直取，大大提高作業(yè)效率和能力，使得集裝箱海鐵聯(lián)運市場前景廣闊。

預(yù)測結(jié)果表明組合預(yù)測模型能夠提高預(yù)測精度和穩(wěn)定性，大連港未來幾年的集裝箱海鐵聯(lián)運運量將持續(xù)快速增長，與大連港提出的發(fā)展目標較吻合，因此應(yīng)用該模型進行集裝箱海鐵聯(lián)運運量預(yù)測是可行且可靠的。

參考文獻：

［1］ Bates J.M.，Granger C.W.J.The Combination of Forecasts.Operations Research Quarterly，1969，20（4）：451-468.

［2］王冠威，王純.基于灰色系統(tǒng)理論的集裝箱海鐵聯(lián)運量預(yù)測［J］.集裝箱化，2008，19（5）：20-22.

［3］張樹奎，肖英杰，魯子愛.基于灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的港口集裝箱吞吐量預(yù)測模型研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（5）：135-138.

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［5］陳燕琴.基于灰色系統(tǒng)理論和BP網(wǎng)絡(luò)的集裝箱海鐵聯(lián)運量預(yù)測［J］.中國水運，2010，10（12）：74-76.

［責任編輯：方曉］

中圖分類號：F552.4

文獻標識碼：A

文章編號：1005-913X（2016）07-0013-02

收稿日期：2016-04-29

基金項目：黑龍江省教育廳科技研究項目資助 （12543017）；2015年度東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃項目（2572015CB16）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（2572015CB16）

作者簡介：霍向（1994-），男，河北邯鄲人，本科學(xué)生，研究方向：交通運輸規(guī)劃與管理；武慧榮（1980-），女，山西夏縣人，講師，博士研究生，研究方向：集裝箱多式聯(lián)運理論與方法。