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        基于組合模型的安徽省農(nóng)產(chǎn)品物流需求量預(yù)測

        2024-12-31 00:00:00師小雨劉祥偉
        鄉(xiāng)村科技 2024年8期

        摘 要:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和供應(yīng)鏈管理者要想合理制訂和調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃,就需要更加精準(zhǔn)地預(yù)測農(nóng)產(chǎn)品物流需求量。為了提高預(yù)測模型的擬合程度及預(yù)測結(jié)果的精確度,利用GM(1,1)結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合模型,對安徽省未來5年的主要農(nóng)產(chǎn)品物流需求量進(jìn)行預(yù)測。首先,通過對傳統(tǒng)的GM(1,1)預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化,構(gòu)成預(yù)測的主體部分;其次,根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析法,選取與安徽省農(nóng)產(chǎn)品物流需求量關(guān)聯(lián)度最大的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),并建立相關(guān)的BP神經(jīng)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測;最后,對GM(1,1)非線性殘差部分通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,構(gòu)建出無偏GM-BP組合預(yù)測模型,并對比幾種不同方式的預(yù)測結(jié)果。根據(jù)對比結(jié)果,組合模型的預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

        關(guān)鍵詞:滑動(dòng)無偏灰色模型;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);組合模型;農(nóng)產(chǎn)品物流

        中圖分類號(hào):F224 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-7909(2024)8-46-5

        DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.08.009

        0 引言

        隨著我國農(nóng)產(chǎn)品市場的不斷壯大和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,農(nóng)產(chǎn)品物流發(fā)展的重要性也日益凸顯。一方面,農(nóng)產(chǎn)品物流能夠促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品的流通和銷售,提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值,推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)的現(xiàn)代化建設(shè);另一方面,農(nóng)產(chǎn)品物流也能夠促進(jìn)國際貿(mào)易和農(nóng)產(chǎn)品出口,提高中國農(nóng)產(chǎn)品在國際市場上的競爭力,推動(dòng)中國農(nóng)業(yè)的國際化進(jìn)程。而農(nóng)產(chǎn)品物流的穩(wěn)定發(fā)展離不開對農(nóng)產(chǎn)品物流需求量的預(yù)測。農(nóng)產(chǎn)品物流需求量預(yù)測是指通過對農(nóng)產(chǎn)品物流行業(yè)的市場環(huán)境、產(chǎn)品種類、交通運(yùn)輸?shù)纫蛩剡M(jìn)行分析,以預(yù)測未來一定時(shí)間內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品物流需求的變化趨勢和數(shù)量規(guī)模。該預(yù)測可以為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸和銷售等環(huán)節(jié)提供決策參考,支持物流企業(yè)的規(guī)劃和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

        很多學(xué)者研究提出了針對特定指標(biāo)的預(yù)測方法。Wang X等[1]提出了一種基于粒子群優(yōu)化的支持向量機(jī)(SVM)的房地產(chǎn)價(jià)格預(yù)測模型。Selakov A等[2]介紹了一種結(jié)合粒子群優(yōu)化(PSO)和支持向量機(jī)(SVM)的混合方法,其可用于考慮溫度變化的短期負(fù)荷預(yù)測。Kisi O[3]探討了最小二乘支持向量機(jī)(SVM)和多元自適應(yīng)回歸樣條(MARS)模型在長期河流水污染預(yù)測中的應(yīng)用。Zou H F等[4]在多階段優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)短期食品價(jià)格預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。Qi Fang[5]等通過組合模型對港口物流需求預(yù)測進(jìn)行研究。

        也有學(xué)者研究提出針對物流和冷鏈物流的預(yù)測模型??娸x等[6]基于多元線性回歸模型對貴州省物流需求進(jìn)行了預(yù)測。戎陸慶等[7]基于灰色理論的定量分析方法研究了區(qū)域果蔬冷鏈物流需求發(fā)展,為其發(fā)展過程所受到的環(huán)境因素影響提供了一種可行的范式。李思聰?shù)龋?]通過灰色—回歸組合模型對我國農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流市場需求進(jìn)行了預(yù)測。李捷等[9]提出了兩階段組合預(yù)測模型GSPS-BPNN,通過兩個(gè)不同階段、不同的模型對區(qū)域物流需求進(jìn)行預(yù)測,證明其預(yù)測結(jié)果比單階段單一預(yù)測模型預(yù)測的結(jié)果更穩(wěn)定。李國祥等[10]基于深度學(xué)習(xí)對物流需求預(yù)測模型進(jìn)行了研究。岳偉等[11]利用灰色關(guān)聯(lián)法對各個(gè)影響因素指標(biāo)進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)了對區(qū)域冷鏈物流需求量的預(yù)測,并且根據(jù)Shapley值法進(jìn)行邊際貢獻(xiàn)分析[12],對組合模型進(jìn)行優(yōu)化,提高了模型的預(yù)測優(yōu)勢。李義華等[13]利用滑動(dòng)無偏灰色預(yù)測模型對湖南省農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流需求量進(jìn)行了分析預(yù)測,發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)無偏灰色預(yù)測模型要優(yōu)于傳統(tǒng)灰色預(yù)測模型。王曉平等[14]采用定性分析和定量統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法研究農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流需求的影響因素,建立了多種農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流需求預(yù)測模型,并進(jìn)行對比分析。

        這些預(yù)測方法大多是單一模型,雖然準(zhǔn)確率也比較高,但可能會(huì)出現(xiàn)過擬合或欠擬合或者無法適用于多種類型數(shù)據(jù)的情況,從而導(dǎo)致預(yù)測的結(jié)果并不準(zhǔn)確。此研究在傳統(tǒng)灰色預(yù)測模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,不僅能夠有效改善過擬合或欠擬合的現(xiàn)象,還能提高預(yù)測模型的準(zhǔn)確性,減小誤差。

        1 影響因素的選取與分析

        1.1 影響因素的選取

        影響農(nóng)產(chǎn)品物流需求的因素有很多,從宏觀角度來看,包括全球和國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)增長水平、國際貿(mào)易環(huán)境、金融政策的變動(dòng),其都將影響農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)出口,進(jìn)而會(huì)直接或間接影響農(nóng)產(chǎn)品物流。微觀因素包括農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、供應(yīng)、需求及政策等,都會(huì)對農(nóng)產(chǎn)品的需求量產(chǎn)生影響。此次研究主要選取了與經(jīng)濟(jì)水平、生產(chǎn)價(jià)格、物流量有關(guān)的因素。此研究以地區(qū)生產(chǎn)總值和第一產(chǎn)業(yè)增加值來代表供給水平的影響,以農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)價(jià)格指數(shù)、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、國內(nèi)外進(jìn)出口總額來代表供給水平的影響,以貨物運(yùn)輸量、鐵路運(yùn)輸里程和公路運(yùn)輸里程代表物流發(fā)展水平的影響,如表1所示。

        1.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

        為了探尋影響農(nóng)產(chǎn)品物流需求的因素,收集包括地區(qū)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)增加值、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)價(jià)格指數(shù)、社會(huì)消費(fèi)品零售總額、農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、國內(nèi)外進(jìn)出口總額、貨物運(yùn)輸量、貨物運(yùn)輸量、鐵路運(yùn)輸里程、公路運(yùn)輸里程的往年數(shù)據(jù),運(yùn)用Matlab計(jì)算出這些指標(biāo)與安徽省農(nóng)產(chǎn)品物流需求量的灰色關(guān)聯(lián)度值,并按照其關(guān)聯(lián)度值大小進(jìn)行排序,得到表1。

        表1可以看出各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值均大于0.5,說明文中選取的指標(biāo)對安徽農(nóng)產(chǎn)品物流需求的影響都是顯著的。

        2 研究方法

        此研究先對傳統(tǒng)的GM(1,1)預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化,在傳統(tǒng)的GM(1,1)模型、新信息GM(1,1)模型和新陳代謝GM(1,1)模型中選擇最優(yōu)模型的預(yù)測結(jié)果,將其作為GM(1,1)預(yù)測的主體部分;再選取與安徽省農(nóng)產(chǎn)品物流需求量關(guān)聯(lián)度最大的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為影響因素,并建立相關(guān)的BP神經(jīng)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),對數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測,構(gòu)建出無偏GM-BP組合預(yù)測模型;最后,將幾種不同方式的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比,即可得到最優(yōu)模型。

        2.1 GM(1,1)灰色預(yù)測模型及優(yōu)化

        2.1.1 GM(1,1)模型

        GM(1,1)表示的是模型是一階的,包含一個(gè)變量的灰色模型。GM(1,1)灰色預(yù)測的步驟如下:

        ①進(jìn)行一階累加生成數(shù)據(jù)序列,見式(1)。

        [x1k=m=1kx0m,k=1,2,…,n]" " " " " " " " " " "(1)

        一次累加后的數(shù)據(jù)光滑比小于0.5的數(shù)據(jù)占比要大于60%。

        GM(1,1)模型的微分方程見式(2)。

        [dx1dt+aX1(t)=b] (2)

        式(2)中:a為發(fā)展系數(shù),b為灰作用量,利用一元線性回歸,即最小二乘法,求其估計(jì)值。

        [a b=BTB-1BTYn], (3)

        B=[-12x11+x121-12x12+x131……-12x1n-1+x1n1],[Yn=x02x03…x0n]" (4)

        ②建立生成數(shù)據(jù)序列模型,見式(5)。

        [x1k+1=x01-bae-ak+ba,k=1,2,…,n]" (5)

        ③建立原始數(shù)據(jù)序列模型,見式(6)。

        [ x01=x01],

        [x=x1k-x1k-1=1-e-ax01-bae-ak-1,]

        [k=1,2,3,…,n] (6)

        式(6)中:[x0k,k=1,2,…,n]為原始數(shù)據(jù)序列[x0k,]

        [k=1,2,…,n]的擬合值。如果對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測,那么只需要滿足k≥n即可。

        2.1.2 無偏灰色GM(1,1)模型

        設(shè)無偏GM(1,1)模型的參數(shù)為[m]和[A],則對原始序列見式(7)。

        [x0k=Aemk-1,k=1,2,…,n]" (7)

        通過一次累加可以得到式(8)。

        [x1k=x0k=A1-emk1-em,k=1,2,…,n]" "(8)

        參照傳統(tǒng)GM(1,1)建模方法可得式(9)。

        [abT=BTB-1BTYn=21-em1+em2A1+em] (9)

        因此,可以用傳統(tǒng)GM(1,1)模型參數(shù)a和b表示m和A的估計(jì),見式(10)。

        [m=ln2-a2+a,A=2b2+a]" " " " " " " " " " (10)

        建立原始數(shù)據(jù)模型,見式(11)。

        [x01=x01];

        [x0k=Aemk(k=0,1,2,…,n-1)]" " " " " " " " " " " " (11)

        式(11)中:[x0k(k=0,1,2,…,n-1)]為原始數(shù)據(jù)序列的擬合值。

        2.2 灰色預(yù)測模型精度檢驗(yàn)

        殘差檢驗(yàn)一般包括殘差檢驗(yàn)和后殘差檢驗(yàn),通過計(jì)算相對誤差、均方差比值和平均級(jí)比偏差的數(shù)值來判斷數(shù)據(jù)的精度等級(jí),具體標(biāo)準(zhǔn)可參照表2。

        2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

        BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)包括輸入層、輸出層和至少一個(gè)隱藏層。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程可以分為前向傳播和反向傳播兩個(gè)階段。在前向傳播階段,輸入信號(hào)經(jīng)過一系列的加權(quán)和非線性變換后,得到網(wǎng)絡(luò)的輸出。在反向傳播階段,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出與實(shí)際輸出之間的誤差,通過鏈?zhǔn)椒▌t計(jì)算出每個(gè)神經(jīng)元的誤差貢獻(xiàn),并根據(jù)誤差貢獻(xiàn)來更新網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏置。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性映射能力和柔性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可以適應(yīng)各種復(fù)雜的非線性問題。網(wǎng)絡(luò)的中間層數(shù)、各層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)可根據(jù)具體情況而改變,并且隨著結(jié)構(gòu)的改變其性能也有所不同。

        3 實(shí)證分析

        3.1 數(shù)據(jù)來源

        此研究實(shí)證選取數(shù)據(jù)源自《安徽統(tǒng)計(jì)年鑒》《安徽省國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,以及相關(guān)網(wǎng)站數(shù)據(jù)直接或間接得出。

        為了更加準(zhǔn)確直觀地對特定地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品物流需求總量進(jìn)行描述和涵蓋,此研究將特定經(jīng)濟(jì)區(qū)域的糧食、棉花、豬肉、茶葉、水產(chǎn)品、油料等農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)出總量均作為影響農(nóng)產(chǎn)品物流需求總量的因素應(yīng)用于預(yù)測模型,選取了2013—2021年的安徽省主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量作為原始數(shù)據(jù),對安徽省未來5年主要農(nóng)產(chǎn)品的物流需求量進(jìn)行預(yù)測。通過統(tǒng)計(jì)年鑒,得到具體數(shù)據(jù),見表3。

        3.2 滑動(dòng)無偏灰色GM(1,1)模型預(yù)測分析

        此研究以2013—2021年安徽省主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量為試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用Matlab對農(nóng)產(chǎn)品總量采用無偏灰色GM(1,1)模型進(jìn)行預(yù)測,模型以最后3期為試驗(yàn)組,前面的n[-]3期為訓(xùn)練組,分別計(jì)算出傳統(tǒng)的GM(1,1)模型、新信息GM(1,1)模型和新陳代謝GM(1,1)模型的SSE值。選擇SSE值最小的模型作為最優(yōu)模型對主要農(nóng)產(chǎn)品未來5年的物流需求量進(jìn)行預(yù)測,分析得到的預(yù)測值如表4所示。對預(yù)測得到的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),小概率誤差精度檢驗(yàn)結(jié)果等級(jí)為一級(jí),平均相對殘差可靠性等級(jí)為二級(jí),數(shù)據(jù)的均方差比值C=0.249 866 5≤0.35,可靠性等級(jí)為一級(jí),說明該模型對原數(shù)據(jù)的擬合程度具有較高的準(zhǔn)確性。因此,可以利用該預(yù)測結(jié)果作為無偏GM-BP 組合預(yù)測模型的線性主體部分。

        3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測分析

        根據(jù)關(guān)聯(lián)度分析所得到的數(shù)據(jù)可以看出,文中所選取的影響因素指標(biāo)對安徽省主要農(nóng)產(chǎn)品物流需求的影響是十分顯著的。因此,可以確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(見圖1)的輸入神經(jīng)元的數(shù)量為10個(gè),通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)公式kolmogorov定理:[h=m+n+a]可知,其隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)應(yīng)為5~14。經(jīng)訓(xùn)練集訓(xùn)練檢驗(yàn),可以確定:其隱含層神經(jīng)元數(shù)量為13個(gè)時(shí),其回歸預(yù)測結(jié)果最好。

        將影響農(nóng)產(chǎn)品物流需求量的9個(gè)因素在2013—2021年的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集數(shù)據(jù),建模后通過測試集對模型進(jìn)行回歸預(yù)測性能檢驗(yàn),設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)為3 000次,最小誤差為0.000 001。模型訓(xùn)練結(jié)果如表4所示。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果總體R=0.996 63,具有較好的擬合度,得到的預(yù)測值如表4所示。

        4 組合模型預(yù)測分析

        從滑動(dòng)無偏灰色GM(1,1)模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果來看,滑動(dòng)無偏灰色 GM(1,1)預(yù)測的總值與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測總值相比更接近原始數(shù)據(jù)值,但個(gè)別數(shù)據(jù)的預(yù)測值與原始數(shù)據(jù)的偏差較大。而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測總值雖然比無偏GM(1,1)預(yù)測的總值偏差大,但每個(gè)預(yù)測值與實(shí)際值的殘差都較小,對于整體預(yù)測來說更有利于準(zhǔn)確判斷未來數(shù)據(jù)變化的趨勢。因此,可以將兩種方法結(jié)合起來組合成為無偏GM-BP組合模型,利用已經(jīng)完善的BP網(wǎng)絡(luò)模型對無偏灰色GM(1,1)模型預(yù)測結(jié)果中得到的殘差項(xiàng)進(jìn)行預(yù)測,然后將預(yù)測得到的殘差項(xiàng)與無偏灰色GM(1,1)模型預(yù)測得到的線性主體部分加和,得到組合模型的最終預(yù)測結(jié)果,并將3種預(yù)測模型的絕對誤差和相對誤差進(jìn)行對比,結(jié)果如表4所示。

        從結(jié)果來看,平均絕對誤差0.32%lt;1.1%,與無偏灰色 GM(1,1)模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比,組合模型的擬合度和準(zhǔn)確度更高。利用GM-BP組合模型對2022—2026年安徽省主要農(nóng)產(chǎn)品物流需求量進(jìn)行預(yù)測,得到結(jié)果如表5所示。

        5 結(jié)束語

        以2013—2021年的安徽省各主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量為原始數(shù)據(jù),分別通過無偏GM(1,1)模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和無偏GM-BP組合模型等3種模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測,探究最適用于安徽省主要農(nóng)產(chǎn)品物流需求量預(yù)測的模型。從分析結(jié)果來看,無偏GM(1,1)模型總相對誤差最小,但絕對誤差偏差較大,而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的隨機(jī)性導(dǎo)致了試驗(yàn)結(jié)果中個(gè)別數(shù)據(jù)存在較大偏差。因此,這兩種模型都不能完全適用于對安徽省主要農(nóng)產(chǎn)品的物流需求量預(yù)測。

        若能將兩種模型結(jié)合,取長補(bǔ)短,就能使兩種模型的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。因此,在無偏 GM(1,1)模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)成了新的無偏GM-BP組合模型,其克服了灰色預(yù)測模型預(yù)測的數(shù)據(jù)需要滿足一定規(guī)律性和趨勢性,以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容易陷入局部最優(yōu)解和數(shù)據(jù)量較少時(shí)產(chǎn)生的過擬合現(xiàn)象的缺點(diǎn)。將原始數(shù)據(jù)代入3種不同GM(1,1)模型中進(jìn)行預(yù)測,選擇最優(yōu)模型的預(yù)測結(jié)果,得到與原始數(shù)據(jù)的殘差后,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重新訓(xùn)練,然后與無偏GM(1,1)模型預(yù)測的主體部分加和,得到最終結(jié)果。對比觀察可以發(fā)現(xiàn),該組合模型預(yù)測精準(zhǔn)度高于無偏GM(1,1)模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,所以此組合模型對安徽省2022—2026年主要農(nóng)產(chǎn)品物流需求量進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果是相對較為準(zhǔn)確的。

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        作者簡介:師小雨(1999—),女,碩士生,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品需求量預(yù)測。

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