第35卷 第5期
2011年10月
武汉理工大学学报(交通科学与工程版)
JournalofWuhanUniversityofTechnology
(TransportationScience&Engineering)
Vol.35 No.5
Oct.2011
基于灰理论的时滞经济预测模型及应用
唐伟敏
(中南财经政法大学会计学院 武汉 430073)
摘要:针对经济预测中具有时滞性样本数据序列的预测建模问题,在对GM(1,1)模型拟合残差分
析的基础上,结合AR模型及残差自回归模型建立了新的时滞GM(1,1)模型,并给出了该模型一
种基于最小二乘的求解算法.最后通过对我国GDP指数进行预测,给出了经济预测中建模的一个
应用实例,取得了较为满意的效果.
关键词:时滞GM(1,1)模型;GDP指数;残差修正;AR模型
中图法分类号:P258 DOI:10.3963/j.issn.10062823.2011.05.046
收稿日期:20110718
唐伟敏(1967):博士,副教授,主要研究领域为经济分析、投资组合与风险分析
国家自然科学基金项目资助(批准号:70971103)
0 引 言
灰色系统理论自1982年问世以来,理论研究
与应用都取得了很大进步.GM(1,1)模型作为常
用模型,在经济领域也常用作预测模型.在建立
GM(1,1)模型进行预测时,模型误差是不可避免
的.模型残差产生的原因有很多,其中一个就是模
型未引入滞后项所导致的,这在经济数据中是普
遍存在的.滞后效应是指因变量受到自身或另一
解释变量的前几期值影响的现象.因此,本文在对
残差进行分析时,试图利用时间序列处理数据的
思想对数据相对较多的序列进行残差修正,充分
提取残差信息.
为了提高模型的精度,有很多学者专家从残
差方面研究,对GM(1,1)模型进行改进.文献[1
2]介绍了已提出的残差GM(1,1)模型,时序残差
GM(1,1)模型等.文献[34]针对常规的灰色模型
没有考虑时滞效应的问题,在 MGM(1,m)模型
中引入时滞项,提出了时滞 MGM(1,m)模型.文
献[56]采用GM(1,1)模型对原始数据进行预测
后,再用ARMA模型对残差进行拟合,利用二者
的组合模型进行预测,取得了较好的结果.文献
[78]与文献[911]引入了GM(1,1,sinω)模型,
该模型对于波动性较大且具有周期摆动的资料较
为适用,在离散性越大的情况下越能体现出它的
优越性.
本文在对残差进行自相关分析的基础上,结
合实际中经济数据存在的时滞效应,提出新的时
滞GM(1,1)模型,在实例中显示,拟合效果较好,
并且新模型的残差为白噪声序列.
1 模型的建立与检验
1.1 GM(1,1)模型
1.1.1 模型建立
设原始序列 x(0) 有 n 个观察值,x(0) =
(x(0)1,x(0)(2),…,x(0)(n)),其一次累加生成序
列为x(1)=(x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)),其中
x(1)(k)= ∑
k
i=1
x(0)(i),均值序列为z(1)(k)=
0.5x(1)(k)+0.5x(1)(k - 1),k = 2,…,n,则
GM(1,1)模型的相应微分方程为
dx(1)
dt +ax
(1)=b (1)
式中:a为发展系数;b为内生控制灰数,将2个待
估参数写成向量形式为a^=
a[]b ,最小二乘解为a^
=(B′B)-1B′Y,式中
B=
-12
(x(1)(1)+x(1)(2)) 1
-12
(x(1)(2)+x(1)(3)) 1
-12
(x(1)(n-1)+x(1)(n))
熿
燀
燄
燅
1
Y=
x(0)(2)
x(0)(3)
x(0)(n
熿
燀
燄
燅)
将最小二乘法求得的结果代入微分方程,求
解的GM(1,1)预测模型为
x^(1)(k+1)= (x(0)(1)-ba
)e-ak+ba
x^(1)(1)=x(1)(1)
(2)
x^(0)(k+1)=x^(1)(k+1)-x^(1)(k)=
x(0)(1)-b( )a (1-ea)e-ak
k=1,2,…,n-1
1.1.2 模型的检验
关联度计算式为 ξ=
1
n-1∑
n
k=1
ξ(k)
第k个数据关联度系数为
ξ(k)=
min{Δ(k)}+ρmax{Δ(k)}
Δ(k)+ρmax{Δ(k)}
k=1,2,…,n (3)
式中:ρ为取定的最大百分比,一般取0.5;Δ(k)
为原始序列与模型拟合值的绝对误差,Δ(k)=
|^x(0)(k)-x(0)(k)|.
1.2 AR模型
具有如下结构的模型称为p阶自回归模型,
简记为AR(p):
xt=φ0+φ1xt-1+φ2xt-2+…+φpxt-p+εt
φp ≠0
E(εt)=0,Var(εt)=σ2ε,E(εtεs)=0,s≠t
Exsεt =0,s<
烅
烄
烆 t
(1)
条件一:φp≠0,这个限制条件保证了模型的
最高阶数为p.
条件二:E(εt)=0,Var(εt)=σ2ε,E(εtεs)=0,s
≠t,这个限制条件实际上是要求随机干扰序列
{εt}为零均值白噪声序列.
条件三:Exsεt=0,s<t,这个限制条件说明
当期的随机干扰与过去的序列值无关.
当φ0=0时,自回归模型又称为中心化的
AR(p)模型.对一个平稳非白噪声且自相关的序
列,可以建立AR(p)模型来提取信息.
1.3 一种新的时滞GM(1,1)模型
1.3.1 模型建立
为了使模型的精度更高,对数据的信息从分
利用,对GM(1,1)模型拟合的残差进行白噪声检
验,若发现残差序列非白噪声,说明残差部分还有
信息没有提取,不能将残差部分丢掉,因此需对残
差建立适当模型来修正灰色模型预测的误差.当
残差存在自相关时,即存在滞后问题,因此尝试用
含滞后项的灰色 GM(1,1)模型,考虑x(1)(t)-
x^(1)(t)的滞后问题,取含有滞后时期为p阶的灰
色GM(1,1)模型进行分析.
εt =x(1)(t)-x^(1)(t),…,εt-p =
x(1)(t-p)-x^(1)(t-p)
εt =ψ1εt-1+ψ2εt-2+…+ψpεt-p+υt
x(1)(t)-x^(1)(t)=ψ1(x
(1)(t-1)-x^(1)(t-1))
+…+ψp(x
(1)(t-p)-x^(1)(t-p))+υt
x(1)(t)-ψ1x
(1)(t-1)-…-ψp(x
(1)(t-p)=
x^(1)(t)-ψ1^x
(1)(t-1)-…-ψp^x
(1)(t-p)+υt
式中:t=p,2,…,n;p=0,1,2,….因为x^(1)(t)
=(x(0)(1)-ba
)e-a(t-1)+ba
,从而可以得到滞后
p阶的灰色GM(1,1)模型
x(1)(t)=ψ1x
(1)(t-1)+…+
ψpx
(1)(t-p)+ce-a(t-p)+b+υt (5)
式中:υt为残差,是平稳白噪声序列,发展系数a
为原始GM(1,1)模型的值,目标函数为
min∑
n
t=3
(x(1)(t)-x^(1)(t))2 (6)
1.3.2 模型求解
定理 若采用最小二乘线性回归拟合,待估
参数为:u=[ψ1 … ψp c b]
T,则最小二乘法
求解可得u^=(BTB)-1BTY.式中:
B=
x(1)(p) … x(1)(1) 1 1
x(1)(p+1)… x(1)(2) e-a 11
x(1)(n) …x(1)(n-p+1)e-(n-p)a
熿
燀
燄
燅1
Y=
x(1)(p+1)
x(1)(p+2)
x(1)(n
熿
燀
燄
燅)
证明 将数据代入模型x(1)(t)=ψ1x
(1)(t-
1)+…+ψpx
(1)(t-p)+ce-a(t-p)+b写成矩阵形
·8601· 武汉理工大学学报(交通科学与工程版) 2011年 第35卷
式如
Y=B^u
误差序列为ε=Y-B^u,目标函数即
minεTε= (Y-B^u)T(Y-B^u)
(Y-B^u)T(Y-B^u)=YTY-^uTBTY-YTB^u+
^uTBTB^u=YTY-2^uTBTY+^uTBTB^u
ε
^u=-
2BTY+2BTB^u=0
BTY=BTB^u
两边同乘以(BTB)-1,即可得u^=(BTB)-1BTY,定
理成立.
2 在GDP指数预测中的应用
国内生产总值是反映一国国民经济的生产规
模及综合实力的总量指标,在经济研究中发挥着
重要的作用,是宏观经济中最受关注的经济统计
数字,是目前各个国家和地区用来衡量该国或地
区的经济发展综合水平通用的指标,同时也是政
府制定经济发展战略和经济政策的重要依据.因
此,对我国GDP指数进行预测具有重要意义.数
据来源:中国统计年鉴.(1978~2008年 GDP指
数,以不变价格计算,1978年为100).
下面运用3种不同的方法对我国GDP指数
序列进行建模.
2.1 传统GM(1,1)模型
x^(0)(k)=1076.0995e0.093984467(k-1)-976.0995
k=1,2,…,n
2.2 文献[2]单变量的时滞GM(1,1)模型
选择拟合效果最好的三阶滞后模型如下
x^(0)(t)=
x(0)(t) 1≤t<5
2(^B^Mt-1+
^u)-x^(0)(t-1)
t≥
烅
烄
烆
烍
烌
烎
5
C=
B[ ]u = [1.7851 -2.9267
1.2457 -0.0726 30.4399]T
Mt =Mt-1+ΔMt
珚x^(0)(t)= 12
(^x(0)(t)+x^(0)(t-1))
ΔMt =
珚x^(0)(4) 珚x^(0)(3) 珚x^(0)(2) 珚x^(0)(1)
珚x^(0)(5) 珚x^(0)(4) 珚x^(0)(3) 珚x^(0)(3)
珚x^(0)(n)珚x^(0)(n-1)珚x^(0)(n-2)珚x^(0)(n-3
熿
燀
燄
燅)
2.3 新的时滞GM(1,1)模型
通过平稳性检验发现残差序列平稳2阶自相
关,利用SAS软件得到下面的残差AR(2)模型表
达式为
εt =1.3028εt-1-0.73147εt-2+υt
εt-1=x(0)(t)-x^(0)(t)
式中:残差υt为白噪声序列.说明信息已提取完.
x^(0)(k+1)=x^(0)(k+1)+^εk
计算出拟合的平均相对误差绝对值 MAPE
=1.1438%,说明精度有明显提高.
x^(1)(t+1)=1.7164x(1)(t)-
0.9471x(1)(t-1)+290.4559e0.0940(t-2)-
228.1058 t=2,3,…,n-1
对回归方程参数显著性检验可以看出,方程
4个待估的参数均显著.对残差υt进行平稳性检
验以及白噪声检验,发现残差显著为平稳白噪声
序列,因而没有信息可以提取,分析到此可结束.
3种模型结果对比见表1.
表1 3种模型结果对比
年份 原始数据
传统GM(1,1)模型 时滞GM(1,1)模型 新的时滞GM(1,1)模型
模型值 相对误差/% 模型值 相对误差/% 模型值 相对误差/%
1978 100.0 100.00 0.00 100.00 0.00 100.00 0.00
1979 107.6 106.04 -1.45 107.60 0.00 107.60 0.00
1980 116.0 116.49 0.42 116.00 0.00 116.36 0.31
1981 122.1 127.97 4.81 122.10 0.00 125.81 3.04
1982 133.1 140.58 5.62 136.43 2.51 131.15 -1.47
1983 147.6 154.43 4.63 150.21 1.77 147.35 -0.17
1984 170.0 169.65 -0.20 171.83 1.07 165.22 -2.81
1985 192.9 186.37 -3.38 190.91 -1.03 193.68 0.40
1986 210.0 204.74 -2.51 215.12 2.44 215.87 2.80
1987 234.3 224.91 -4.01 234.42 0.05 228.05 -2.67
1988 260.7 247.08 -5.23 257.72 -1.14 258.52 -0.84
1989 271.3 271.42 0.05 276.70 1.99 286.26 5.51
1990 281.7 298.17 5.85 301.86 7.16 285.43 1.33
1991 307.6 327.55 6.49 325.78 5.91 299.82 -2.53
·9601· 第5期 唐伟敏:基于灰理论的时滞经济预测模型及应用
续表1
年份 原始数据
传统GM(1,1)模型 时滞GM(1,1)模型 新的时滞GM(1,1)模型
模型值 相对误差/% 模型值 相对误差/% 模型值 相对误差/%
1992 351.4 359.83 2.40 358.94 2.14 341.64 -2.78
1993 400.4 395.29 -1.28 393.03 -1.84 400.22 -0.05
1994 452.8 434.24 -4.10 437.13 -3.46 451.55 -0.28
1995 502.3 477.03 -5.03 481.49 -4.14 504.65 0.47
1996 552.6 524.04 -5.17 534.29 -3.31 550.50 -0.38
1997 603.9 575.68 -4.67 585.72 -3.01 601.50 -0.40
1998 651.2 632.41 -2.89 644.72 -1.00 654.60 0.52
1999 700.9 694.73 -0.88 702.84 0.28 701.14 0.03
2000 759.9 763.19 0.43 770.48 1.39 756.96 -0.39
2001 823.0 838.40 1.87 840.33 2.11 827.97 0.60
2002 897.8 921.01 2.59 923.21 2.83 898.87 0.12
2003 987.8 1011.77 2.43 1011.43 2.39 987.80 0.00
2004 1087.4 1111.48 2.21 1114.88 2.53 1093.73 0.58
2005 1200.8 1221.00 1.68 1224.78 2.00 1203.94 0.26
2006 1340.7 1341.33 0.05 1350.15 0.71 1331.16 -0.71
2007 1515.5 1473.50 -2.77 1481.94 -2.21 1493.44 -1.46
2008 1651.2 1618.71 -1.97 1629.63 -1.31 1693.44 2.56
MAPE/% 2.81 1.99 1.14
灰色关联度 0.6710 0.6722 0.9053
残差是否白噪声 否 否 是
从表1可以看出3种模型的拟合值均能通过
检验,但是在残差分析方面,只有第3种模型的残
差为白噪声,并且平均相对误差绝对值明显小于
前两种模型的残差,精度98.86%,灰色关联度也
显著大于前两个模型的,由此可见,本文提出的时
滞GM(1,1)模型可以用来预测经济数据.
3 结 论
1)本文采用较多数据进行分析,是为了引入
时间序列平稳白噪声序列无信息可提取的思想,
用来说明经济系统变量存在的滞后性,取得了较
好的结果,实际上,针对相对较少数据加入滞后项
后精度也大大提高,其滞后期阶数由拟合残差的
平均相对误差绝对值最小而定.
2)对于经济变量数据,一般都存在滞后性,
本文针对我国1978~2008年的GDP指数数据,
在运用灰色GM(1,1)模型的基础上,运用时间序
列AR模型处理经济数据滞后性问题,提出新的
滞后GM(1,1)模型,在模型精度上取得了较好的
结果.
3)对于滞后期的选取,本文由残差滞后分
析、参数显著性以及对平均相对误差绝对值最小
所得,实际上计算出滞后一期的 ,滞后三期的
(且有两个滞后项的回归系数不显著).
4)本文建立新的时滞GM(1,1)模型中发展
系数a没变,在参数估计方面,也可以采用递推的
方程估计,因而该模型还可以从这方面进行优化.
参 考 文 献
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TimeLagEconomicForecastingModeland
ItsApplicationBasedonGreyTheory
TangWeimin
(AcountingDepartmentofZhongnanUniversityofEconomicandLaw,Wuhan430073,China)
Abstract:Thepaperdiscussesthemodelingproblemwhichhasthesampledatawithatimelagofthe
sequenceineconomicforecasting.ItbasesontheanalysisaboutthefittingresidualofGM(1,1)mod
el,adoptsARmodeltoestablishestheresidualfromregressionmodel,andthendeducesanewGM
(1,1)model,andgivesamethodwhichbasedontheleastsquaresmethodforsolution.Atthelast,
thepaperprovidesacaseaboutthemodelintheeconomicforecasts,whichistheforecastingaboutour
GDPindex.Anditachievesamoresatisfactoryresult.
Keywords:delayGM(1,1)model;GDPindex;residualerrorcorrection;
欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁
ARmodel
(上接第1066页)
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PhasedArrayAcousticDopplerVelocityLog
HuangXiongfei YuanBingcheng ChenXi TangBo
(DepartmentofWeaponryEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)
Abstract:PhasedarrayacousticDopplervelocitylogadoptsbroadbandphasedarraytechnology,in
creasethedepthandimprovetheprecisionofmeasuringvelocity.Ithasbeenanimportantequipment
ofacousticmeasuringvelocity,andwillbeenusedwidelyinthenavigationofmultipleunderwatercar
riers.AccordingtotherequirementofsemiphysicalemulationofPADVL,theprincipleofmeasuring
velocityisstudied.Atthesametime,theprincipleofvelocityanddepthemulationisstudied.The
emulationalsystemisdesignedandoperatingprocessoftheemulationalsystemisdescribed.Emula
tionalmodulebasedonPXIisdesigned.Theexperimentprovedthevalidityandfeasibilityoftheemu
lationalmeans,atthesametimetheprecisionofemulationalsystemisproved.
Keywords:phasedarray;DVL;simulation;PXImodule
·1701· 第5期 唐伟敏:基于灰理论的时滞经济预测模型及应用