區(qū)域性時令農(nóng)產(chǎn)品價格實時預(yù)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計

王翠 解心江 黃芳

摘要：針對區(qū)域性時令農(nóng)產(chǎn)品價格波動過大的問題，探討構(gòu)建區(qū)域性時令農(nóng)產(chǎn)品價格實時預(yù)警系統(tǒng)的方案，設(shè)計開發(fā)基于全球廣域網(wǎng)（world wide web，簡稱web）的區(qū)域性時令農(nóng)產(chǎn)品價格實時預(yù)警系統(tǒng)，以山東省濟南市的生姜為例，通過動態(tài)收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)并結(jié)合已有數(shù)據(jù)，預(yù)測生姜的價格并進(jìn)行預(yù)警。該系統(tǒng)包含4個模塊，分別具有如下功能：數(shù)據(jù)采集模塊收集農(nóng)戶的基本信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如預(yù)種植面積、預(yù)期收益等）;數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范性和有效性檢驗;價格預(yù)警模塊用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行價格的預(yù)測并進(jìn)行預(yù)警，作為農(nóng)戶最終決策的依據(jù);系統(tǒng)維護(hù)模塊主要進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的修改和導(dǎo)入。系統(tǒng)旨在為農(nóng)戶提供高可靠性的生產(chǎn)前期預(yù)測，為組織生產(chǎn)提供決策依據(jù)，引導(dǎo)農(nóng)戶合理安排生產(chǎn)活動，有效緩和“扎堆種植”引起的價格波動，避免“價低傷農(nóng)”現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而保障區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟健康穩(wěn)定發(fā)展。

關(guān)鍵詞：區(qū)域時令農(nóng)產(chǎn)品;價格實時預(yù)警系統(tǒng);BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)處理;系統(tǒng)維護(hù);生姜

農(nóng)產(chǎn)品價格的異常波動不僅會影響農(nóng)民收入，還會影響區(qū)域性農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展，甚至影響國民經(jīng)濟其他部門價格水平以及整個物價水平。掌握農(nóng)產(chǎn)品價格變化趨勢以及引起價格變動的主要因素，有利于引導(dǎo)生產(chǎn)者合理種植和經(jīng)營，從而有效提高生產(chǎn)者收益，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域供求平衡[1]。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，利用互聯(lián)網(wǎng)及系統(tǒng)開發(fā)工具，設(shè)計開發(fā)區(qū)域性時令農(nóng)產(chǎn)品價格實時預(yù)警系統(tǒng)，是“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的一個具體應(yīng)用實例，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)的采集分析和模型的構(gòu)建，對農(nóng)產(chǎn)品未來的價格作出實時預(yù)測，并為農(nóng)戶提供必要的預(yù)警信息，從而引導(dǎo)其合理安排生產(chǎn)活動，有效緩和“扎堆種植”引起的價格波動，避免“價低傷農(nóng)”現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而保證區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。山東省是重要的生姜種植基地，生姜種植一般在每年四五月，10月收獲。近年來，生姜價格波動較大，繼2013年“姜你軍”現(xiàn)象出現(xiàn)后，每隔2～3年生姜價格就會大幅波動1次，對居民消費以及姜農(nóng)的收益產(chǎn)生了很大影響。本研究以山東省濟南市生姜產(chǎn)品為例，通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建生姜的價格預(yù)測模型，通過線上動態(tài)收集種植面積等反映姜農(nóng)種植意愿的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預(yù)測下一年的生姜價格，當(dāng)預(yù)測得出的價格低于姜農(nóng)的預(yù)期收益時則發(fā)出預(yù)警。系統(tǒng)旨在對姜農(nóng)的生產(chǎn)活動起到一定的參照指導(dǎo)作用。此外，系統(tǒng)還對生姜的一些種植數(shù)據(jù)和價格變化趨勢進(jìn)行統(tǒng)計分析和可視化展示，幫助用戶更加直觀地了解生姜種植和價格波動的基本信息。后期，通過對該系統(tǒng)的使用并不斷進(jìn)行優(yōu)化，可將其應(yīng)用于其他時令農(nóng)產(chǎn)品中去。

1 系統(tǒng)構(gòu)建思路

本研究從價格聯(lián)動機制的基本原理出發(fā)，探究農(nóng)產(chǎn)品價格波動機制，對農(nóng)戶行為理論進(jìn)行分析，并通過實地調(diào)研生姜的生產(chǎn)、運輸和銷售情況，確定影響價格波動的主要因素;在技術(shù)上構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行價格預(yù)測，選擇合適的系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)技術(shù)，搭建區(qū)域性時令農(nóng)產(chǎn)品價格實時預(yù)警系統(tǒng)平臺，并在平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、模型的建立、價格的預(yù)測預(yù)警和數(shù)據(jù)的可視化展示（圖1）。

2 基礎(chǔ)理論研究

2.1 價格聯(lián)動機制

價格聯(lián)動機制是指下游產(chǎn)品價格因受上游產(chǎn)品價格變動的影響而漲跌趨向一致的價格調(diào)整制度。這種機制的最大特點是下游產(chǎn)品價格直接與上游產(chǎn)品價格掛鉤，即上游產(chǎn)品價格上漲時，下游產(chǎn)品隨之上漲;上游產(chǎn)品價格下跌時，下游產(chǎn)品價格隨之下跌[2]。

從全產(chǎn)業(yè)鏈角度看，農(nóng)產(chǎn)品“從田間地頭到餐桌”主要包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)、流通環(huán)節(jié)和銷售環(huán)節(jié)。廣義的農(nóng)產(chǎn)品價格包括生產(chǎn)價格、批發(fā)價格、零售價格3種，其中生產(chǎn)價格即上游產(chǎn)品價格，批發(fā)價格和零售價格為下游產(chǎn)品價格。穩(wěn)定價格主要是指穩(wěn)定農(nóng)產(chǎn)品的零售價格，從而保證消費者的利益;提高價格主要是指提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)價格，從而增加農(nóng)民收益。必須從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度厘清價格傳遞機制以及相互之間的影響。

近年來，學(xué)術(shù)界有關(guān)生產(chǎn)價格與零售價格之間關(guān)系的研究有很多，并針對2類價格究竟誰帶動誰進(jìn)行了探討。Cushing等實證分析美國的價格傳導(dǎo)機制，發(fā)現(xiàn)從零售價格到生產(chǎn)價格的傳導(dǎo)機制不如從生產(chǎn)價格到零售價格的傳導(dǎo)機制重要[3]。Clark運用回歸分析和向量自回歸（VAR）模型對美國的數(shù)據(jù)進(jìn)行實證分析，發(fā)現(xiàn)從生產(chǎn)價格到零售價格的傳導(dǎo)機制較微弱[4]。許世衛(wèi)等選取食品零售價格指數(shù)（SPLS）和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)價格總指數(shù)（SCJG）作為產(chǎn)銷價格信號，通過脈沖響應(yīng)函數(shù)和方差分解分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)地的農(nóng)產(chǎn)品市場價格對銷地市場的傳遞效應(yīng)存在滯后性，并隨著時間的推移越來越明顯，而銷地市場零售價格指數(shù)對產(chǎn)地市場生產(chǎn)價格指數(shù)的影響逐漸增加但效果不明顯[5]?？梢?，生產(chǎn)價格的上漲會帶動零售價格大幅上漲，而零售價格的上漲對生產(chǎn)及批發(fā)價格的影響不大。

2.2 農(nóng)產(chǎn)品價格波動研究

國內(nèi)學(xué)者針對農(nóng)產(chǎn)品價格波動的成因也作了較多的研究。價格波動最基本的形成原因就是市場供求機制，當(dāng)年農(nóng)產(chǎn)品價格上漲就會促進(jìn)農(nóng)民下年擴大生產(chǎn)，于是陷入“價格上漲—擴大生產(chǎn)—供大于求、價格下跌—減小生產(chǎn)—供不應(yīng)求、價格再次上漲”的周期循環(huán)，即“蛛網(wǎng)理論”[6]。

李桂芹在分析蔬菜全產(chǎn)業(yè)鏈價格形成過程中發(fā)現(xiàn)，影響蔬菜零售價格波動的主要因素是生產(chǎn)成本和蔬菜的產(chǎn)量[7]。此外，農(nóng)產(chǎn)品零售價格還受市場需求、貨幣流動性、食品安全等眾多因素影響而具有較強的自主波動性。農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)價格受交通運輸成本、生產(chǎn)資料價格、自然氣候等因素影響，會發(fā)生一定的波動。

2.3 農(nóng)戶行為理論

我國農(nóng)戶具有小規(guī)模、分散經(jīng)營的特點，農(nóng)戶生產(chǎn)決策的趨同性和不確定性會引起農(nóng)產(chǎn)品供給量的波動，從而對農(nóng)產(chǎn)品價格的波動產(chǎn)生影響。如農(nóng)戶盲目擴大、縮小規(guī)?；蚰嫦蛘{(diào)節(jié)生產(chǎn)等行為都會引起價格的波動。

農(nóng)戶在作生產(chǎn)決策時首先考慮的是利潤最大化，農(nóng)產(chǎn)品的成本、效益以及當(dāng)年的農(nóng)產(chǎn)品市場價格會影響用戶的決策，但農(nóng)戶對價格信息的反應(yīng)有一定的滯后性[8]。另外，農(nóng)戶在作出生產(chǎn)決策時還會受到種植習(xí)慣的影響，以及傾向于鄰里之間的一致性。因此，能讓農(nóng)戶實時了解周邊人群的種植意愿，科學(xué)預(yù)測將來的價格情況，從而指導(dǎo)農(nóng)戶作出正確的決策是一個亟待解決的問題。

3 模型構(gòu)建過程

系統(tǒng)中主要是價格預(yù)測模型，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（back propagation neural network，簡稱BPNN，別稱誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），其在快速模擬復(fù)雜非線性問題時具有一定的優(yōu)勢，可以用來描述影響因素與價格之間的映射關(guān)系。模型構(gòu)建首先要確定影響生姜價格的主要因素，然后采集相關(guān)數(shù)據(jù)，將進(jìn)行預(yù)處理后的數(shù)據(jù)樣本作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，將生姜的價格作為模型的輸出，通過模型的訓(xùn)練和參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)而得到最終的生姜價格預(yù)測模型。

3.1 影響價格的因素分析

價格的波動是由多方面因素造成的。從宏觀角度分析，國家的貨幣政策、居民的消費價格指數(shù)等會影響價格的波動;從微觀角度分析，供求關(guān)系、生產(chǎn)及流通成本等都會影響農(nóng)產(chǎn)品的價格;從全產(chǎn)業(yè)鏈角度分析，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)量、生產(chǎn)成本等，流通環(huán)節(jié)的運輸成本、損耗、儲藏和人工費用等，消費環(huán)節(jié)中居民的收入水平、人口數(shù)量、消費價格指數(shù)等都會影響農(nóng)產(chǎn)品最終的零售價格。此外，游資的炒作、上一年的產(chǎn)品價格以及外部調(diào)運也會對區(qū)域時令農(nóng)產(chǎn)品的價格產(chǎn)生一定的影響。

綜上分析，對生姜價格波動的主要影響因素有產(chǎn)量、市場供給數(shù)量、外運價格水平、居民收入水平和能源價格水平等。由此確定9個影響生姜價格的因素，即種植面積、產(chǎn)量、種植總投入、外運量、常住人口、城鎮(zhèn)人均收入、上一年的生姜價格、柴油價格和消費價格指數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

本研究數(shù)據(jù)采集時間為2010—2016年，其中種植面積、產(chǎn)量、常住人口、城鎮(zhèn)人均收入、消費價格指數(shù)、柴油價格等數(shù)據(jù)來自歷年濟南市統(tǒng)計局網(wǎng)站的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》;種植總投入、外運數(shù)量在濟南市官方?jīng)]有相關(guān)數(shù)據(jù)，故這2項數(shù)據(jù)通過社會調(diào)查報告的方式獲取;零售價格數(shù)據(jù)來自“中國蔬菜網(wǎng)”中濟南市3個重要蔬菜批發(fā)市場的歷年數(shù)據(jù)。

不同變量的量綱之間的差異會對建模結(jié)果產(chǎn)生不利的影響，因此，為確保各變量之間具有可比性，須要對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理。本研究將所有變量按照下列公式進(jìn)行規(guī)格化到[0，1]范圍內(nèi)，以滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模要求。

式中：x、y分別表示變量規(guī)格化前和規(guī)格化后的值;xmax表示變量最大值;xmin表示變量最小值。

3.3 模型設(shè)計

構(gòu)建3層結(jié)構(gòu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)果見圖2。其中，輸入值為9個影響因子，輸入層的神經(jīng)元為9個，輸入的變量X1～X9為生姜價格影響因素經(jīng)過規(guī)格化處理后的值;輸出值Y為生姜的預(yù)測價格，輸出層的神經(jīng)元為1個;隱含層的神經(jīng)元數(shù)量參考經(jīng)驗公式來確定，其經(jīng)驗公式為 L=sqrt（x+y）+a，其中x為輸入層節(jié)點數(shù)，y為輸出層節(jié)點個數(shù)，a介于4～13之間，具體數(shù)值須要經(jīng)過反復(fù)試驗來確定。隱含層的傳遞函數(shù)選擇雙曲線正切S型傳遞函數(shù)（tansig），線性函數(shù)（purelin）作為輸出層的傳遞函數(shù)，輸入層與隱含層的權(quán)值wij、隱含層與輸出層的權(quán)值zkp隨機初始化，訓(xùn)練函數(shù)為學(xué)習(xí)動量梯度下降算法（traingdx）。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的迭代次數(shù)可設(shè)置為500次，學(xué)習(xí)率為0.1，學(xué)習(xí)目標(biāo)為0.001。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的學(xué)習(xí)過程由信號的正向傳播與誤差反向傳播2個部分組成。正向傳播時樣本從輸入層傳入，經(jīng)過隱含層處理后再傳向輸出層。當(dāng)輸出值與目標(biāo)值相差很大時，則將輸出誤差以某種形式向隱含層方向傳播，并將誤差分?jǐn)偨o各層神經(jīng)元，各層神經(jīng)元以此誤差信號作為修改權(quán)值的依據(jù)。正向傳播與誤差反向傳播2個過程不斷重復(fù)，直到誤差很少，或到達(dá)預(yù)先設(shè)定的迭代時間或迭代次數(shù)[9]。經(jīng)過訓(xùn)練得到的模型可以用來進(jìn)行下一年價格的預(yù)測（圖3）。

4 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)功能分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)在城鄉(xiāng)日益普及，農(nóng)戶的信息化水平已普遍提高，通過建立價格預(yù)測預(yù)警平臺，引導(dǎo)農(nóng)戶積極參與，在線實時匯總生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)預(yù)測價格并計算收益，使農(nóng)戶可以根據(jù)實際情況及時調(diào)整生產(chǎn)決策來保證收益。本研究以濟南市生姜產(chǎn)品為例，通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建生姜的價格預(yù)測模型，通過線上動態(tài)收集種植面積等反映姜農(nóng)種植意愿的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合已有數(shù)據(jù)對下一年的生姜價格進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)預(yù)測得出的價格低于農(nóng)戶的預(yù)期收益時發(fā)出預(yù)警。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、價格預(yù)警、系統(tǒng)維護(hù)4個功能模塊[10]（圖4）。

4.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊 系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要由用戶手動輸入完成，用戶首先須要注冊并設(shè)置用戶名和密碼，注冊成功后可隨時登錄系統(tǒng)，并可修改個人登錄密碼;基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由用戶登陸后通過輸入界面輸入，如姓名、電話、住址、預(yù)種植面積以及預(yù)期的收益水平等;區(qū)域外部產(chǎn)品對應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)通過上傳文件的形式完成采集。

4.1.2 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊主要對用戶提交數(shù)據(jù)的規(guī)范性與有效性進(jìn)行檢驗，對上傳文件的格式進(jìn)行檢查，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式后存儲到數(shù)據(jù)庫中，并對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此外，還要對模型的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理。

4.1.3 價格預(yù)警模塊 該模塊分為生產(chǎn)模擬和產(chǎn)品流通模擬2個部分，從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，作生產(chǎn)過程和流通過程的模擬處理，然后輸出數(shù)據(jù)供價格預(yù)測模型集成調(diào)用。價格預(yù)測預(yù)警模型的主要功能是根據(jù)用戶的輸入數(shù)據(jù)，計算出預(yù)測價格并把預(yù)警信息反饋給用戶，作為其調(diào)整預(yù)決策、作出最終決策的依據(jù);用戶還可以在此模塊查看往年的價格走勢圖、同一作物其他生產(chǎn)者的預(yù)決策數(shù)據(jù)等。

4.1.4 系統(tǒng)維護(hù)模塊 該模塊主要具有修改用戶登錄密碼、修改用戶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、調(diào)整預(yù)種植數(shù)據(jù)、設(shè)置上傳文件的格式與位置、導(dǎo)入年度經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等功能。

4.2 平臺搭建

以一臺全球廣域網(wǎng)（world wide web，簡稱web）服務(wù)器為核心，另設(shè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，采用B/S架構(gòu)，建立基于web的時令農(nóng)產(chǎn)品（以濟南市生姜為例）信息平臺，各客戶端數(shù)據(jù)請求均由web服務(wù)器提交給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，再由web服務(wù)器返回發(fā)給請求的客戶端。平臺采用以下WEB軟硬件配置（表1）。

系統(tǒng)的web應(yīng)用服務(wù)器軟件采用Apache，其優(yōu)點是跨平臺、簡單高效、穩(wěn)定安全;數(shù)據(jù)庫采用MySQl，其體積小、速度快、總體擁有成本低、開放源碼，是中小型web應(yīng)用網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫的優(yōu)先選擇;PHP作為服務(wù)器前端腳本解釋器，其使用廣泛，開發(fā)速度較快，非常適合開發(fā)中小型的web應(yīng)用?；谖④浺暣安僮飨到y(tǒng)（Windows）的Apache+PHP+MySQL組合（簡稱AMP）是網(wǎng)站開發(fā)的黃金組合，所有的軟件開源免費，可以減少投入[11]。本系統(tǒng)使用的版本是Apache 2.2、PHP 5.6和MySQL 5.7，使用R語言編程實現(xiàn)價格的動態(tài)預(yù)測模型。其中，R語言和其他編程語言和數(shù)據(jù)庫之間都有很好的接口，PHP也支持R語言程序。通過PHP的system函數(shù)調(diào)用R腳本，實現(xiàn)對R腳本的運行，然后通過PHP的文件操作獲取R腳本執(zhí)行結(jié)果。本系統(tǒng)使用的R語言版本是R-3.3。在PHP中運行R程序yuce.r的方法為“system（“D：/R-3.3/bin/R.exe CMD BATCH--vanilla D：/yuce.r”）;”。

網(wǎng)站的安全性問題從硬件和軟件2個方面來保障：（1）硬件方面。為主服務(wù)器設(shè)置了一臺備份服務(wù)器，將WEB服務(wù)器設(shè)為網(wǎng)關(guān)使用雙網(wǎng)卡，對內(nèi)部機器IP進(jìn)行合理規(guī)劃。（2）軟件方面。數(shù)據(jù)庫的操作及用戶身份驗證的腳本在服務(wù)器端編譯執(zhí)行，在傳遞時進(jìn)行多次加密、校驗。同時，安裝病毒防護(hù)軟件，并時刻注意升級[12]（圖5至圖7）。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計開發(fā)了區(qū)域時令農(nóng)產(chǎn)品價格實時預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要任務(wù)是價格預(yù)測和數(shù)據(jù)可視化展示， 目的是決策預(yù)警。該系統(tǒng)以數(shù)量經(jīng)濟學(xué)理論為基礎(chǔ)，從價格聯(lián)動機制、價格波動原因和農(nóng)戶行為理論角度，以探索供給機制入手，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)擬合、動態(tài)仿真預(yù)測等技術(shù)手段，使農(nóng)戶在生產(chǎn)前期能夠利用系統(tǒng)動態(tài)獲取較全面的生產(chǎn)信息，從而指導(dǎo)其生產(chǎn)決策，避免由于經(jīng)濟市場化原因或系統(tǒng)性風(fēng)險導(dǎo)致“傷農(nóng)”事件的發(fā)生。與國內(nèi)同類預(yù)測相比，該系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果具有超前可應(yīng)用性、預(yù)測方式的動態(tài)有效性、預(yù)警方式創(chuàng)新性、預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用的可移植性等特點。本研究成果也可移植到其他地區(qū)或其他農(nóng)產(chǎn)品。

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