霍　向，武慧榮，王麗麗，劉　霄，張　進(jìn)，孟　樂(lè)

（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(cè)的集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量預(yù)測(cè)

霍向，武慧榮，王麗麗，劉霄，張進(jìn)，孟樂(lè)

（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(yùn)運(yùn)量預(yù)測(cè)是多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)規(guī)劃的重要依據(jù)，為了提高預(yù)測(cè)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(dòng)力學(xué)模型加權(quán)組合，綜合單一模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差、方差確定權(quán)重，構(gòu)建了組合預(yù)測(cè)模型。以大連港集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明該模型能在一定程度上提高預(yù)測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：海鐵聯(lián)運(yùn)；運(yùn)量預(yù)測(cè)；組合預(yù)測(cè)；集裝箱運(yùn)輸

我國(guó)集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)發(fā)展相對(duì)較緩，伴隨“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，將促進(jìn)集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)的快速發(fā)展。正確、合理預(yù)測(cè)集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量，是多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、投資的重要依據(jù)，而預(yù)測(cè)方法的選擇將直接影響預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用了多種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量預(yù)測(cè)，主要有時(shí)間序列預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法、回歸分析預(yù)測(cè)法、灰色預(yù)測(cè)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)法等。每一種預(yù)測(cè)模型建立時(shí)，都需要做出一定的假設(shè)。然而實(shí)際的運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展環(huán)境不會(huì)是一成不變的，單一模型難以準(zhǔn)確描述現(xiàn)實(shí)世界錯(cuò)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(wú)偏的單項(xiàng)預(yù)測(cè)組合優(yōu)于每個(gè)單項(xiàng)預(yù)測(cè)方法。組合預(yù)測(cè)就是將不同的單一預(yù)測(cè)方法組合，綜合利用各種預(yù)測(cè)方法所提供的信息，以提高預(yù)測(cè)的精度及穩(wěn)定性。因此，本文采用組合預(yù)測(cè)方法，將線性回歸預(yù)測(cè)、指數(shù)平滑預(yù)測(cè)及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法組合為一種預(yù)測(cè)方法，以降低預(yù)測(cè)環(huán)境的不確定性，提高預(yù)測(cè)的科學(xué)合理性。

一、單一預(yù)測(cè)模型

（一）線性回歸分析模型

回歸分析預(yù)測(cè)是以相關(guān)原理為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)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(cè)模型，以定量分析方法揭示自變量在預(yù)測(cè)期的數(shù)量變化對(duì)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(cè)值；a，b為回歸系數(shù)。

（二）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型

系統(tǒng)動(dòng)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(shí)際系統(tǒng)為原型，以計(jì)算機(jī)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(jìn)而仿真分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。該方法通過(guò)建立反饋環(huán)、設(shè)定各種變量及方程實(shí)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(guò)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(shí)間序列預(yù)測(cè)方法，是在數(shù)值加權(quán)平均法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的預(yù)測(cè)模型。該方法的基本原理是通過(guò)對(duì)歷史觀察值進(jìn)行加權(quán)處理，平滑掉部分隨機(jī)信息，并根據(jù)觀察值的表現(xiàn)趨勢(shì)，建立一定的模型，據(jù)此對(duì)預(yù)測(cè)對(duì)象作出預(yù)測(cè)?？梢韵龝r(shí)間序列的偶然性變動(dòng)，進(jìn)而尋找預(yù)測(cè)對(duì)象的變化特征和趨勢(shì)。

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(cè)模型：

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

α值直接影響預(yù)測(cè)的精度，一般根據(jù)數(shù)據(jù)序列的特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。α值越小，說(shuō)明近期值對(duì)預(yù)測(cè)值的影響越小；反之，則近期值對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響越大?？砂淳讲钭钚〉脑瓌t確定，即確定為達(dá)到最小時(shí)的α值。

二、組合預(yù)測(cè)模型

建立組合預(yù)測(cè)模型時(shí)，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(yùn)運(yùn)量的預(yù)測(cè)精度。常見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)差法等。

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

考慮到集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量預(yù)測(cè)工作中對(duì)預(yù)測(cè)精度要求更高，更偏重于降低預(yù)測(cè)相對(duì)誤差，因此本文綜合考慮方差和相對(duì)誤差，在組合模型權(quán)重確定時(shí)相對(duì)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(cè)模型的權(quán)重系數(shù)，即：

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

式中：Y為組合預(yù)測(cè)值；yi為第i個(gè)模型的預(yù)測(cè)值。

三、集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量預(yù)測(cè)

（一）單一模型預(yù)測(cè)

1.線性回歸預(yù)測(cè)模型

以大連港為例，查閱中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒、大連統(tǒng)計(jì)年鑒和大連市統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站等，獲得1998～2012年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)相關(guān)數(shù)據(jù)，以對(duì)外貿(mào)易總額為自變量，建立集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量線性回歸預(yù)測(cè)模型：

選用2010～2012年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南鄬?duì)誤差，結(jié)果如表1所示。

2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型

根據(jù)文獻(xiàn)3，考慮集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)受腹地經(jīng)濟(jì)、對(duì)外貿(mào)易發(fā)展、運(yùn)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(yùn)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(fù)號(hào)分別表示正反饋關(guān)系和負(fù)反饋關(guān)系。

圖1　集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)因果關(guān)系

建立集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)流圖、系統(tǒng)方程，應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)并檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

3.二次指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型

根據(jù)1998～2009年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)平滑預(yù)測(cè)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定平滑系數(shù)為0.7，建立集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量二次指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型：

選用2010～2012年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量進(jìn)行模型檢驗(yàn)，預(yù)測(cè)及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　單一模型預(yù)測(cè)及相對(duì)誤差

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

表2　單一模型預(yù)測(cè)檢驗(yàn)結(jié)果

（二）組合預(yù)測(cè)模型構(gòu)建及檢驗(yàn)

根據(jù)表2及公式（1）計(jì)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(cè)模型為：

同樣選用2010～2012年的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行模型檢驗(yàn)，驗(yàn)證組合模型的可靠性和準(zhǔn)確性。驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。

表4　組合預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)結(jié)果

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

（三）集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量預(yù)測(cè)

應(yīng)用組合預(yù)測(cè)模型對(duì)大連港2016-2020年集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，未來(lái)幾年大連港集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量將持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在2018年將突破70萬(wàn)標(biāo)箱，大連港集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量將以年均約10%的速度增長(zhǎng)，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(yùn)體系網(wǎng)絡(luò)，被交通部、鐵路總公司列為全國(guó)鐵水聯(lián)運(yùn)六個(gè)示范港口之一。與此同時(shí)，中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)的規(guī)劃調(diào)整使大連港通過(guò)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(yùn)的作業(yè)流程，逐步實(shí)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(yùn)市場(chǎng)前景廣闊。

預(yù)測(cè)結(jié)果表明組合預(yù)測(cè)模型能夠提高預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)定性，大連港未來(lái)幾年的集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量將持續(xù)快速增長(zhǎng)，與大連港提出的發(fā)展目標(biāo)較吻合，因此應(yīng)用該模型進(jìn)行集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量預(yù)測(cè)是可行且可靠的。

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［責(zé)任編輯：方曉］

中圖分類號(hào)：F552.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-913X（2016）07-0013-02

收稿日期：2016-04-29

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳科技研究項(xiàng)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(jì)劃項(xiàng)目（2572015CB16）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2572015CB16）

作者簡(jiǎn)介：霍向（1994-），男，河北邯鄲人，本科學(xué)生，研究方向：交通運(yùn)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(yùn)理論與方法。