混沌時間序列預(yù)測模型研究.ppt

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1、混沌時間序列算法模型研究研究生姓名：陳亮指導(dǎo)老師：髙嵐課題來源實驗室自選課題課題研究的目的、意義“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”，但由于研究對象的復(fù)雜性、多樣性、不確定性等因素，預(yù)測有時是困難的，需要人們根據(jù)具體情況不斷探索新的預(yù)測模型。傳統(tǒng)預(yù)測往往采用線性模型，其預(yù)測結(jié)果很難滿足人們的要求?；煦缋碚撌欠蔷€性理論的重要組成部分，能夠很好地描述非線性系統(tǒng)運動的變化規(guī)律，從而為預(yù)測模型的研究開辟了新思路。船舶各種機(jī)械的運行具有混沌特性，從混沌的角度，分析船舶各種機(jī)械的運行狀況。從而提高船舶運行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性具有重要的現(xiàn)實意義和工程背景。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析（

2、1）混沌理論研究混沌的英文為chaos，其初始涵義是混亂，在非線性理論中指的是確定性系統(tǒng)產(chǎn)生的對初值極端敏感的非周期態(tài)行為。1890年左右，法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家Poincare，在太陽系穩(wěn)定性的研究中，發(fā)現(xiàn)了今天所說的混沌現(xiàn)象。20世紀(jì)60年代初，天氣預(yù)報和氣象學(xué)的研究叩開了混沌科學(xué)的大門，混沌學(xué)開始在美國興起。1975年美國華裔數(shù)學(xué)家李天巖和他的導(dǎo)師Yorke發(fā)表了一篇名為《周期3意味著混沌》的論文，首次正式提出了混沌的含義和性質(zhì)。從此，“混沌”這個新的科學(xué)名詞經(jīng)常出現(xiàn)在科技文獻(xiàn)之中。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析二十世紀(jì)八十年代以來，混沌研究成為國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)

3、注的熱點?；煦缰杂腥绱舜蟮奈?，因為它是一種關(guān)于過程的科學(xué)，而不是關(guān)于狀態(tài)的科學(xué)；是關(guān)于演化的科學(xué)，而不是關(guān)于存在的科學(xué)，它使人們看到了運動演化中的生機(jī)和動力。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析（2）混沌時間序列預(yù)測模型研究時間序列分析預(yù)測法是系統(tǒng)預(yù)測的最基本的方法，混沌系統(tǒng)是由非線性動力機(jī)制決定的確定性系統(tǒng)，貌似隨機(jī)運動的混沌系統(tǒng)內(nèi)部存在確定性規(guī)律。因此根據(jù)混沌時間序列本身所計算出來的客觀規(guī)律建立預(yù)測模型，這樣可以避免預(yù)測的人為主觀性，提高預(yù)測的精度和有效性。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析為了充分展示混沌時間序列的客觀規(guī)律，常常要進(jìn)行相空間重構(gòu)。1980年美國物理學(xué)家Pac

4、kard、Farmer等人提出了用原始系統(tǒng)中某變量的延遲坐標(biāo)來重構(gòu)相空間，這是目前最常用方法。1981年荷蘭數(shù)學(xué)家Takens用數(shù)學(xué)證明了只要合理選取嵌入維數(shù)和延遲時間，重構(gòu)的相空間與原動力學(xué)系統(tǒng)微分同胚，為相空間重構(gòu)技術(shù)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析以相空間重構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，自20世紀(jì)90年代以來，混沌時間序列預(yù)測模型研究已進(jìn)入深化發(fā)展階段，并已成功被應(yīng)用到氣象預(yù)報、水文觀測、工業(yè)災(zāi)害預(yù)測、交通事故預(yù)警等諸多領(lǐng)域。人們已經(jīng)提出了多種混沌時間序列預(yù)測模型，經(jīng)典的混沌時間序列預(yù)測模型按方法分主要有全域法模型、局域法模型和基于最大Lyapunov指數(shù)

5、的預(yù)測模型等。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析綜上所述，雖然混沌理論相對比較成熟，預(yù)測模型也具有一定的合理性，在實踐中也取得了一些初步成果，但仍然存在許多缺點與不足：1）利用混沌理論分析船舶機(jī)械運行狀況的研究相對比較少；2）要求非常恰當(dāng)?shù)闹貥?gòu)系統(tǒng)相空間；3）模型沒有學(xué)習(xí)能力；4）對歷史數(shù)據(jù)代表性要求較高；5）大樣本情況下才能保證較高的預(yù)測精度。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有強(qiáng)大的非線性映射能力、自適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，是非線性研究的有力工具；支持向量機(jī)理論基礎(chǔ)雄厚，算法簡單，適合小數(shù)據(jù)量預(yù)測。因此，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)這些新的混沌時間序列預(yù)測模型，借鑒其他理論的分析思

6、路與方法，從嶄新的角度研究混沌時間序列預(yù)測模型，希望能夠通過新的嘗試，提高預(yù)測的精度和有效性。研究目標(biāo)針對傳統(tǒng)預(yù)測模型無法解決的非線性問題，尋求采用混沌時間序列預(yù)測模型的新途徑，完善包括混沌判別和混沌預(yù)測在內(nèi)的軟件平臺。重點研究混沌經(jīng)典方程的算法，船舶類的動力學(xué)方程并對其進(jìn)行算法的實現(xiàn)，判別該系統(tǒng)的混沌行為；并進(jìn)行混沌時間序列預(yù)測，分析預(yù)測的精度和有效性，并給出評價。研究內(nèi)容（1）實驗數(shù)據(jù)來源上，編寫混沌經(jīng)典方程的算法，搜集船舶類的動力學(xué)方程并對其進(jìn)行算法的實現(xiàn)，實現(xiàn)時間序列并判別該系統(tǒng)的混沌行為；（2）針對具體的混沌時間序列采用合理的算法，確定最佳的嵌

7、入維數(shù)和延遲時間，進(jìn)行相空間重構(gòu)；（3）在相空間重構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)計算Lyapunov指數(shù)的P-范數(shù)方法的算法。建立混沌預(yù)測模型，對實驗結(jié)果進(jìn)行比較，分析預(yù)測的精度和有效性。（4）建立包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的多種混沌時間序列預(yù)測模型，并進(jìn)行實驗仿真，對實驗結(jié)果給出分析和評價。擬解決的關(guān)鍵問題1.求出準(zhǔn)確的Lyapunov指數(shù)等特征值，以保證正確的混沌判別；2.挖掘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與混沌時間序列預(yù)測的內(nèi)在聯(lián)系，建立預(yù)測模型；3.編程實現(xiàn)各種算法，完善包括混沌判別和混沌預(yù)測在內(nèi)的軟件平臺。研究方法1）廣泛查閱與混沌理論相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)，把握住混沌理論在預(yù)測方面的應(yīng)用

8、方法和研究趨勢，為課題研究做好準(zhǔn)備工作；2）分析各種船舶機(jī)械系統(tǒng)是否存在混沌特性