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灰色模型

基於灰色系統理論的灰色模型GM(Grey Model)可用於序列預測、突變預測、季節性突變預測、拓撲預測和系統綜合預測。地基沈降預測是GM模型的壹種數列預測,這種預測的特點是需要對預測值進行等時間間隔的觀測[199]。

最常用的灰色預測模型是GM (1,1)模型,但GM (1,1)模型只適用於強指數規律的序列,只能描述單調的變化過程。對於非單調的擺動發展系列或飽和狀態的“S”形系列,可以考慮建立GM(2。

從上述曲線擬合方法的預測結果來看,S形成的珍珠曲線模型預測效果最好。因此,本書采用了能夠描述飽和狀態過程(S形過程)的灰色Verhulst模型來預測淤泥軟基的沈降發展趨勢。灰色Verhulst模型是由德國生物學家Verhulst(1837)建立的Verhulst模型發展而來的。灰色Verhulst模型的建模和求解過程如下[200]。

設同壹時間間隔內的沈降增量數據序列為原始序列,原始序列S(0)為

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由S(0)的第壹次累加產生的序列(1 -AGO序列)是S(1)

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其中:k = 1,2,…,n。

S(1)的相鄰均值生成序列Z(1)為

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並且Z(1)滿足:

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那麽灰色GM(1,1)冪模型可以得到如下

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當θ=2時,GM(1,1)的冪模型為灰色Verhulst模型,其灰色微分方程為

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灰色Verhulst模型的白化方程為

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記住灰色Verhulst模型的參數列為=[a,b]T,其中-a為發展系數,b為灰色作用量,這樣:

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那麽參數序列的最小二乘估計為

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灰色Verhulst模型的白化方程的解是

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灰色Verhulst模型的時間響應為

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模型的估計值(縮減值)為

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為了評估預測模型的可靠性,必須檢驗模型的準確性。常用的測試方法有:

1)殘差檢驗——殘差檢驗是對模型預測值與實測值S(0)(k)之間的殘差q(k)和相對殘差(誤差)ε(k)的逐點檢驗,其中:

殘差q(k)=S(0)(k)-,k = 1,2,…,n。

相對殘差(誤差),k = 1,2,…,n

2)關聯度檢驗——關聯度檢驗是檢驗灰色模型值曲線與建模序列曲線的相似性。

3)後驗差檢驗——後驗差檢驗是檢驗殘差分布的統計特征,用後驗差比c和小錯誤概率p來檢驗。

記住原始序列S(0)(k)的方差為0,殘差序列q(k)中非零殘差的均值和方差分別為和,那麽後驗差比C和小錯誤概率P分別為

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灰色模型的精度等級= max(P的等級,C的等級),P和C的等級由查表5.10確定。

表5.10灰色預測模型精度檢驗

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