改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型的導(dǎo)彈退化狀態(tài)預(yù)測*

徐廷學(xué)，劉崇屹，朱桂芳，唐玲，劉沛紋

(1.海軍航空大學(xué),山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍92957部隊(duì)，浙江 舟山 316000； 3.中國人民解放軍92095部隊(duì)，浙江 臺州 318050)

0 引言

導(dǎo)彈系統(tǒng)中某些部件的性能退化是影響導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素。利用導(dǎo)彈部件的相關(guān)狀態(tài)信息準(zhǔn)確預(yù)測其狀態(tài)發(fā)展趨勢，在故障發(fā)生前進(jìn)行有計(jì)劃的科學(xué)合理的維修，可以克服傳統(tǒng)維修方式帶來的“維修過?！焙汀熬S修不足”等問題，對提高導(dǎo)彈的戰(zhàn)備完好性具有十分重要的意義。

導(dǎo)彈在貯存狀態(tài)下的測試數(shù)據(jù)往往是不等時(shí)間間隔的[1]。在進(jìn)行導(dǎo)彈退化狀態(tài)的預(yù)測時(shí)，傳統(tǒng)非等間距灰色模型因其對趨向性數(shù)據(jù)的預(yù)測優(yōu)越性而得到廣泛的應(yīng)用[2-4]，然而由于該模型的自身局限性問題，在數(shù)據(jù)適應(yīng)性和預(yù)測精度方面往往達(dá)不到人們的期望。王大鵬[5]針對傳統(tǒng)灰色模型在中長期預(yù)測中精度不高的問題，通過緩沖算子對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，強(qiáng)化了發(fā)展趨勢，提高了精度，但是預(yù)測精度的改善有限?？状姑蚚6]將灰色模型與馬爾可夫模型相結(jié)合，使模型序列更適用于波動(dòng)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)序列預(yù)測，卻是以犧牲預(yù)測精度為代價(jià)的。吳利豐[7]對離散灰色模型進(jìn)行了改進(jìn)，提高了預(yù)測精度，但是算法較為復(fù)雜。考慮到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理隨機(jī)性和非線性數(shù)據(jù)時(shí)有很大的優(yōu)勢[8-9]，可以填補(bǔ)灰色模型難以把握波動(dòng)性較大等非線性復(fù)雜問題的缺陷，因此，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與灰色模型相結(jié)合，以期實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補(bǔ)，提高數(shù)據(jù)適應(yīng)性和預(yù)測精度。

基于以上分析，本文提出了一種基于改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型的導(dǎo)彈退化狀態(tài)預(yù)測方法。首先，提出一種權(quán)值搜索的背景值構(gòu)造方法，然后以原始序列和擬合序列的一次累加生成序列的平均相對誤差絕對值最小為目標(biāo)對初始條件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合新陳代謝思想實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)非等間距GM(1,1)模型的改進(jìn)，減小擬合誤差，提高模型精度。進(jìn)而構(gòu)造灰色模型擬合值與實(shí)際值的差值序列，最后采用滾動(dòng)預(yù)測法建立差值序列的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，還原得到最終預(yù)測值。通過導(dǎo)彈的預(yù)測實(shí)例對本文提出模型的預(yù)測性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 改進(jìn)非等間距GM(1,1)模型的構(gòu)建

1.1 傳統(tǒng)非等間距GM(1,1)模型的建立

設(shè)原始序列X(0)(ti)={x(0)(t1),x(0)(t2),…,x(0)(tn)}，時(shí)間間隔Δti=ti-ti-1(i=2,3,…,n)不等于常數(shù)，則序列X(0)(ti)為非等間距序列。

若X(0)(ti)與X(1)(ti)滿足準(zhǔn)光滑性檢驗(yàn)、準(zhǔn)指數(shù)規(guī)律檢驗(yàn)和級比檢驗(yàn)，則X(1)(ti)序列具有指數(shù)增長的規(guī)律，即滿足一階線性微分方程：

(1)

稱為模型的白化微分方程。

對應(yīng)的灰微分方程為

x(0)(ti)Δti+az(1)(ti)=bΔti,

(2)

參數(shù)a和b的最小二乘估計(jì)為

式中：

若規(guī)定x(1)(t1)=x(0)(t1)，則白化微分方程的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)為

(3)

(4)

1.2 非等間距GM(1,1)模型的優(yōu)化

1.2.1 誤差原因分析

根據(jù)非等間距GM(1,1)模型的建模過程可知，非等間距GM(1,1)模型的模型精度與發(fā)展系數(shù)a與灰色作用量b以及待定常數(shù)c的選取有關(guān)。其中，a和b取決于原始序列和背景值的構(gòu)造；計(jì)算c時(shí)，是以x(1)(t1)=x(0)(t1)為前提條件的，事實(shí)上二者并不一定相等，因此需要對初始條件進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.2 權(quán)值搜索的背景值優(yōu)化

由此受到啟發(fā)，在非等間距GM(1,1)模型(圖2)的構(gòu)造過程中，將時(shí)間間隔因素Δti考慮進(jìn)來，仍用梯形面積abcd近似計(jì)算背景值：

(5)

顯然，存在當(dāng)曲線急劇增長造成的偏差ΔS過大的問題，此外，由于x(1)(ti)和x(1)(ti-1)的權(quán)值各占0.5，是一種等值分配，實(shí)際過程中由于時(shí)間間隔的不對稱等因素，相鄰2個(gè)x(1)(ti)值不一定是等權(quán)的，存在一定的不合理性。在文獻(xiàn)[12]引入的動(dòng)態(tài)適應(yīng)因子r(0≤r≤1)基礎(chǔ)上，本文構(gòu)造背景值為

z(1)(ti)=[(1-r)x(1)(ti)+rx(1)(ti-1)]Δti.

(6)

并且，以擬合值相對于實(shí)際值的平均相對誤差絕對值達(dá)到最小為目標(biāo)，提出一種權(quán)值搜索的背景值優(yōu)化方法。

步驟如下：

Step 1:令r=0，計(jì)算模型的平均相對誤差絕對值

Step 2:使r有一個(gè)較小的增加量，即r=r+Δr，計(jì)算此時(shí)的平均相對誤差絕對值。

Step 3:利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能重復(fù)Step 2，直至r=1。

Step 4:比較各個(gè)r對應(yīng)的平均相對誤差絕對值，最小的平均相對誤差絕對值對應(yīng)的r′值即為所求。代入式(5)得到優(yōu)化后的背景值為

z(1)(ti)=[(1-r′)x(1)(ti)+r′x(1)(ti-1)]Δti.

(7)

1.2.3 初始條件優(yōu)化

傳統(tǒng)的非等間距GM(1,1)模型選取原始序列的第一個(gè)數(shù)據(jù)作為模型的初始值，已有學(xué)者[13]證明這種方式不能保證整個(gè)擬合序列的誤差最小，反而還浪費(fèi)了原始序列的第一點(diǎn)信息?，F(xiàn)有的改進(jìn)方法主要包括3種：①以原始序列x(0)(tm)(1≤m≤n)或者帶有修正項(xiàng)的x(0)(tm)+c(1≤m≤n)作為初始條件[14]；②以原始序列每一個(gè)數(shù)據(jù)非等加權(quán)的和s1x(0)(t1)+s2x(0)(t2)+…+snx(0)(tn)作為初始值[15]； ③以原始序列和擬合序列的誤差平方和或者相對誤差平方和等衡量標(biāo)準(zhǔn)最小為約束條件[11]。

本文在背景值以平均相對誤差絕對值最小為目標(biāo)的基礎(chǔ)上，仍以平均相對誤差絕對值最小作為約束條件，優(yōu)化模型，進(jìn)一步減小擬合誤差，提高模型精度。

由白化微分方程(3)可知其解為

(8)

離散化，

(9)

那么，優(yōu)化模型建立的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)為

(10)

(11)

i=2,3,…,n.

(12)

1.2.4 新陳代謝預(yù)測

在非等間距GM(1,1)模型的實(shí)際應(yīng)用中,新數(shù)據(jù)的加入帶來新的擾動(dòng)和不確定因素，系統(tǒng)會發(fā)生新的變化。距離時(shí)間原點(diǎn)越近的數(shù)據(jù)對預(yù)測的貢獻(xiàn)越大，隨著時(shí)間的推移，遠(yuǎn)離時(shí)間原點(diǎn)的老數(shù)據(jù)的信息意義不斷降低。因此，模型在不斷補(bǔ)充新數(shù)據(jù)的同時(shí)應(yīng)該及時(shí)去掉老數(shù)據(jù)，不僅保證了最優(yōu)的信息量，而且縮小了灰平面，提高預(yù)測精度。

本文對非等間距GM(1,1)模型進(jìn)行等維處理，構(gòu)造新陳代謝非等間距GM(1,1)模型對時(shí)刻tn+1至tn+h進(jìn)行預(yù)測：

2 改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型的構(gòu)建

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由輸入層、隱含層和輸出層3個(gè)層次組成的一種前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。各層由若干個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成，每一層上的神經(jīng)元通過權(quán)重與相鄰層上的神經(jīng)元相連，每個(gè)神經(jīng)元的輸出值由輸入值、閾值和作用函數(shù)決定。

假設(shè)輸入向量X有n個(gè)元素，X=(x1,x2,…,xi,…xn)T，隱含層輸出向量為Y=(y1,y2,…,yj,…ym)T，輸出層輸入向量為Z=(z1,z2,…,zk,…zl)T。從輸入層到隱含層依次對應(yīng)的權(quán)值向量集合為V=(v1,v2,…,vj,…vn)T，其中vj表示隱含層中第j個(gè)神經(jīng)元所對應(yīng)的權(quán)值向量；從隱含層到輸出層依次對應(yīng)的權(quán)值向量集合為W=(w1,w2,…,wk,…wl)T，其中wk表示輸出層中第k個(gè)神經(jīng)元所對應(yīng)的權(quán)值向量。

對于隱含層有

(13)

對于輸出層有

(14)

式(13),(14)中的f(x)為傳輸函數(shù)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法包括2個(gè)方面：信號的正向傳播和誤差的反向傳播。即根據(jù)最小二乘原理和梯度搜索技術(shù)，先將輸入信息從輸入層經(jīng)隱含層正向傳播至輸出層，判斷輸出層是否得到期望的輸出，如果不能，那么將輸出值與期望值相比得到誤差信號，誤差信號經(jīng)原來的路線反向傳播的同時(shí)修正各層的連接權(quán)值和閾值，如此循環(huán)往復(fù)，直至實(shí)際輸出值與期望值的均方誤差最小為止[16]。

2.2 改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP預(yù)測模型

灰色模型能夠較好的預(yù)測數(shù)據(jù)變化的總體趨勢,適用于發(fā)展態(tài)勢明顯的復(fù)雜問題，但是對于其他復(fù)雜形式的非線性函數(shù)或者突變情況擬合性能不是很理想，準(zhǔn)確度普遍不高。然而,實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)變化往往是復(fù)雜的?？紤]到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以以任意精度逼近非線性函數(shù),將二者取長補(bǔ)短,構(gòu)造基于改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型是可行的。

模型構(gòu)造步驟如下：

Step 1:構(gòu)造差值序列。

Step 2:采用滾動(dòng)預(yù)測法建立差值序列的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

令階數(shù)q=3，用r(i-3),r(i-2),r(i-1)(n≥i≥4)來預(yù)測r(i)的值。依次將r(i-3),r(i-2),r(i-1)(n≥i≥4)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，r(i)作為輸出，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

為方便計(jì)算，利用Matlab中的歸一化函數(shù)mapminmax()分別對輸入向量和輸出向量進(jìn)行歸一化處理。

理論上，三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能以任意精度逼近任何非線性系統(tǒng)，因此，構(gòu)建只含有一個(gè)隱含層的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。顯然輸入層神經(jīng)元數(shù)目為6，輸出層為1，將隱含層神經(jīng)元數(shù)目設(shè)置為10。采用Fletcher-Reeves變梯度算法作為訓(xùn)練算法，考慮到實(shí)際情況，設(shè)置學(xué)習(xí)速率為0.025，動(dòng)量因子為0.9，精度為0.000 01，進(jìn)行5 000次迭代。

Step 3:確定最終擬合值。

Step 4:獲取最終預(yù)測值。

改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型的流程圖如圖3所示。

3 預(yù)測實(shí)例及分析

以處于貯存狀態(tài)的某型導(dǎo)彈為研究對象，選取從2009年初至2016年底，2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的30組不等間隔的測試數(shù)據(jù)，如表1所示，其余性能特征參數(shù)可采用相同的方法進(jìn)行預(yù)測。將前24組測試數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練學(xué)習(xí)，對后6組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果同實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的非等間距GM(1,1)-BP模型的優(yōu)越性。

利用文中提出的非等間距GM(1,1)優(yōu)化建模方法建立測試參數(shù)c1的模型?？梢缘玫桨l(fā)展系數(shù)和灰色作用量分別為a= 0.361 5，b=0.859 4。改進(jìn)非等間距GM(1,1)模型為

同理，測試參數(shù)c2的改進(jìn)非等間距GM(1,1)模型為

表1 原始測試數(shù)據(jù)Table 1 Original test data

為了說明本文設(shè)計(jì)方法的有效性，將文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]、本文改進(jìn)非等間距GM(1,1)模型和改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型擬合結(jié)果進(jìn)行比較分析，2個(gè)測試參數(shù)的擬合效果如圖4,5所示，并分別以平均相對誤差絕對值(MAPE)和殘差平方和(RSE)作為擬合性能評價(jià)指標(biāo)，如表2所示。

表2 測試參數(shù)擬合結(jié)果比較Table 2 Fitting result comparison of test parameters

由圖4,5和表2可以看出，對于波動(dòng)性較小的測試參數(shù)c2,本文建立的改進(jìn)非等間距GM(1,1)模型能夠較好地處理非等時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，并且擬合效果明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]建立的傳統(tǒng)模型。然而，由于灰色模型的局限性，對于波動(dòng)性較大的測試參數(shù)c1而言，本文建立的改進(jìn)非等間距GM(1,1)模型雖然相比于傳統(tǒng)模型精度更高，但是總體效果不理想。通過對比表2中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型擬合精度更高，且計(jì)算簡便，易于實(shí)現(xiàn)。

通過上述擬合效果的比較，本文設(shè)計(jì)的非等間距GM(1,1)模型的優(yōu)化效果顯而易見。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于預(yù)測的效果，分別運(yùn)用單一改進(jìn)改進(jìn)非等間距GM(1,1)模型和改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型對后6組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，2個(gè)測試參數(shù)的預(yù)測結(jié)果如圖6,7和表3所示。

從圖6,7和表3中可以看出，對于退化狀態(tài)的預(yù)測，采用本文設(shè)計(jì)的方法相對于單一GM方法具有更高的預(yù)測精度。為了更直觀地對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比較分析，采用平均相對誤差絕對值(MAPE)和預(yù)測有效度(Mp)作為預(yù)測評價(jià)指標(biāo)，如表4所示。

從表4中可以看出，本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型的平均相對誤差絕對值更低，預(yù)測有效度更高，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方法的合理性和優(yōu)越性，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表3 測試參數(shù)預(yù)測結(jié)果比較Table 3 Prediction result comparison of test parameters

表4 測試參數(shù)預(yù)測結(jié)果對比Table 4 Prediction result comparison of test parameters

4 結(jié)束語

本文結(jié)合灰色模型預(yù)測方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法的優(yōu)勢，提出了一種基于改進(jìn)非等間距GM(1,1)-BP模型的導(dǎo)彈退化狀態(tài)預(yù)測方法。該方法通過優(yōu)化灰色模型的背景值和初始條件，結(jié)合新陳代謝思想建立改進(jìn)的灰色模型，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的規(guī)律性，再通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性擬合能力提高了預(yù)測精度，同時(shí)克服了常用預(yù)測模型無法針對非等時(shí)間間隔數(shù)據(jù)建模的問題。實(shí)例結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)的方法具有更高的預(yù)測精度，且計(jì)算簡便，可為狀態(tài)評估及維修決策提供可靠依據(jù)，具有不錯(cuò)的工程應(yīng)用前景。