摘要：介紹了GM(1，1)灰色殘差模型，據此模型對天津市燃氣年負荷進行了預測。
關鍵詞：城市燃氣；灰色模型；GM(1，1)灰色殘差模型；燃氣負荷預測；等維遞補
Forecasting of Annual Gas Load Based on Grey Model
JIN Fang
Abstract：The grey residual error model GM(1,1)is introduced.The annual gas load in Tianjin is forecasted by this model.
Key words：city gas； grey model；grey residual error model GM(1,1)；gas load forecast；equal dimension replenishment
1 概述
我國城市燃氣事業正處于快速發展期，燃氣用量增長迅速。研究城市燃氣年負荷預測。[1～7]，可以科學地制定管網規劃方案，優化燃氣管網調度。準確預測城市燃氣負荷，是科學制定燃氣管網規劃方案的基礎，是確定儲氣調峰規模的重要依據，也是簽訂燃氣供銷合同的主要參考[8]。
常用的燃氣負荷預測方法有因果解釋性預測法和歷史數據法。因果解釋性預測法分析用氣量的主要影響因素，建立起預測變量與影響因素的關系模型，如回歸分析法。歷史數據法依賴于被預測變量的歷史觀測數據[9]，通過序列分析找出其系統演變規律，進而對系統未來發展做出預測，如時間序列分析法、灰色模型法(GM模型法)等。本文主要利用灰色模型法對天津市“十二五”期間的燃氣負荷進行預測。
2 灰色模型概況
灰色理論認為時間序列包含著極為豐富的信息，其中蘊藏著參與系統動態過程的全部其他變量的痕跡。通過對無規則的離散時空數列進行生成變換和重組，使之變成有規則的序列。灰色理論所建立的微分方程模型，其系數描述了待辨識系統內部物理或化學過程的本質，是對動態信息的開發、利用和加工，由少量數據即可體現系統動態變化的本質和特點。
灰色模型法將隨機量當作在一定范圍內變化的灰色量，將隨機過程當作在一定范圍、一定時區內變化的灰色過程，通過灰數的不同生成方式和數據的不同取舍，建立微分方程預測模型和不同級別的殘差GM模型，來調整、修正、提高精度。用GM模型所得數據做逆生成，還原后就能得到原始數據的預測值。
灰色理論建模有3個突出的特點：灰色系統理論的建模實際上是生成數列的建模，而一般建模方法是采用原始數列直接建模；只要原始數據有4個以上，就可以通過生成變換來建立灰色模型；灰色理論建立的是微分方程模型，微分方程的系數描述了我們所希望辨識的系統內部的物理或化學過程的本質，而一般系統理論只能建立差分模型，差分模型是一種遞推模型。
3 GM(1，1)灰色殘差模型
基于灰色系統理論的GM(1，1)模型的預測稱為灰色預測。將城市燃氣管網負荷系統看作灰色系統，采用累加生成法將歷史負荷數據進行灰數生成，建立GM(1，1)模型進行求解，然后再采用累減還原法得到預測值。
本文采用GM(1，1)灰色殘差模型進行預測，主要計算步驟見文獻[10]。
等維遞補灰色預測是一種滾動預測，其原理是：以1到n時刻的值構成的序列對n+1時刻做出預測，然后以2到n時刻的值以及n+1時刻的預測值構成的序列對n+2時刻做出預測，依此類推。顯然，等維遞補灰色預測均以之前時刻的值構成的序列對下一時刻進行預測，而且用作預測的原始序列的長度始終固定，這也是“等維遞補”名稱的由來。
4 GM(1，1)模型的應用實例
本文采用的原始數據是2001—2010年天津市的天然氣用量。關于煤制氣，天津市原有3座煤氣廠供應焦爐煤氣，隨著環境保護的要求和天然氣事業的發展，2007年起煤制氣已不再供應居民和商業用戶。因此，為了能夠更真實地反映實際情況，考慮到燃料的替代關系，將2001—2007年的居民和商業用煤制氣按照熱值折算成天然氣。焦爐煤氣低熱值應為16.747MJ/m3，但考慮到實際應用中有時摻混水煤氣，因此實際的煤制氣熱值可能略低，可取15MJ/m3。同時，針對2005年天津“氣荒”，對2005年的用氣量追加6000×104m3。最終得到2001—2010年天津市天然氣用量，見表1。
表1 2001-2010年天津市天然氣用量 m3/a
|
年份
|
天然氣
|
煤制氣
|
煤制氣折算為天然氣后與天然氣的總量
|
|
2001
|
3.8802×108
|
8865×104
|
4.2560×108
|
|
2002
|
4.1215×108
|
9099×104
|
4.5072×108
|
|
2003
|
4.8981×108
|
9352×104
|
5.2945×108
|
|
2004
|
6.2329×108
|
9374×104
|
6.6303×108
|
|
2005
|
6.8966×108
|
9343×104
|
7.8926×108
|
|
2006
|
9.3246×108
|
6809×104
|
9.6132×108
|
|
2007
|
12.0142×108
|
0
|
12.0142×108
|
|
2008
|
13.7800×108
|
0
|
13.7800×108
|
|
2009
|
14.9000×108
|
0
|
14.9000×108
|
|
2010
|
19.0000×108
|
0
|
19.0000×108
|
由表1可知，近年來天津市天然氣用量增長速度穩定，采用灰色GM(1，1)模型對天津市天然氣的發展進行分析。分別取2002—2005年的年用氣量(序列長度為4)，2001—2005年的年用氣量(序列長度為5)和2001—2006年的年用氣量(序列長度為6)，按照灰色模型計算步驟，先建立GM(1，1)模型，再建立GM(1，1)殘差模型，用修正模型預測第1個預測年的年用氣量，然后用這個數據等維遞補到原始數據中，再建立等維的GM(1，1)模型和GM(1，1)殘差模型，對下1個預測年的年用氣量進行預測，依次遞推至2010年，研究不同歷史數據序列長度的模型預測精度，結果見表2。表2中的GM4、GM5、GM6是指序列長度分別為4、5、6的模型。
表2 2006—2010年天然氣用量實際值與預測值的對比
|
年份
|
2006
|
2007
|
2008
|
2009
|
2010
|
|
實際值/(m3·a-1)
|
9.6132×108
|
12.O142×108
|
13.7800×108
|
14.9000×108
|
19.0000×108
|
|
GM4預測值
/(m3·a-1)
|
9.6080×108
|
11.6840×108
|
14.2100×108
|
17.280 0
×108
|
21.0150×108
|
|
GM4相對
誤差/%
|
-0.05
|
-2.75
|
3.12
|
15.97
|
10.61
|
|
GM5預測值
/(m3·a-1)
|
9.5300×108
|
11.5300
×108
|
13.3500
×108
|
16.8780×108
|
20.4200×108
|
|
GM5相對誤差/%
|
-0.87
|
-4.O3
|
-3.12
|
13.28
|
7.47
|
|
GM6預測值
/(m3·a-1)
|
—
|
11.5640×108
|
14.0020×108
|
16.955 0
×108
|
20.5300×108
|
|
GM6相對誤差/%
|
—
|
-3.75
|
1.61
|
13.79
|
8.05
|
由表2可知，歷史數據序列長度為5時，在中長期預測中的精度相對較高，因此采用灰色模型法對2006—2010年的天然氣用量建模，對“十二五”期間天津市的天然氣年負荷進行預測。GM模型計算結果見表3。
表3 “十二五”期間天津市天然氣年負荷預測值 m3/a
|
年份
|
2011
|
2012
|
2013
|
2014
|
2015
|
|
天然氣年負荷
|
26.5×
108
|
32.4×
108
|
39.6×
108
|
48.5×108
|
58.9×108
|
灰色模型法解決了可用歷史數據較少，序列的完整性及數據的可靠性較低，規劃設計中往往又需要對未來數年后的用氣負荷做出預測的問題。對天津市“十二五”期間燃氣年負荷的預測表明，應用灰色模型法預測年負荷，是一種簡便易行的方法，具有較強的適應性和靈活性，可在實際中應用，對天然氣輸配管網的優化運行和統一調度管理具有重要的參考意義。
參考文獻：
[1] 譚羽非.城市燃氣季節性負荷預測模型的建立及求解[J].煤氣與熱力，2003，23(3)：131-133、151.
[2] 苗艷姝，段常貴，張淑紅.數據挖掘技術在燃氣負荷預測的應用[J].煤氣與熱力，2005，25(11)：1-4.
[3] 肖久明.基于模糊邏輯技術的燃氣負荷預測[J].煤氣與熱力，2004，24(10)：547-549.
[4] 李持佳，焦文玲，朱建豪，等.基于人工神經網絡的春節期間燃氣負荷預測[J].煤氣與熱力，2004，24(9)：477-480
[5] 姚奕穎.燃氣負荷預測專家系統模型的研究[J].煤氣與熱力，2006，26(7)：16-19.
[6] 韓艷平，焦文玲，高華偉.杭州燃氣負荷預測軟件的編制[J].煤氣與熱力，2008，28(3)：B08-B10.
[7] 楊愛萍，鄧連杰，劉鳳國.城市燃氣負荷預測技術應用分析[J].煤氣與熱力，2011，31(9)：A39-A41.
[8] 陳佳.城市天然氣負荷預測及主干網調度優化研究[D].上海：同濟大學，2009：18-19.
[9] 王兵，田丹，劉書文，等.天然氣消費量的灰色模型預測[J].管道技術與設備，2008(5)：2-4.
[10] 焦文玲，嚴銘卿，廉樂明.城市燃氣負荷的灰色預測[J].煤氣與熱力，2001，21(5)：387-389.
(本文作者：金芳 天津市燃氣熱力規劃設計院 天津 300191)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
- 注解：本資料由會員及群友提供僅供閱讀交流學習，不得用于商業用途！
