摘 要:基于甲醇价格影响因素的分析,采用极端学习机算法,提出甲醇价格的短期与长期预测等问题,评估公司,评估机构,房地产评估机构通过构建短期和长期预测模型,分析甲醇价格和进口量、煤炭价格、出口量、进口均价、月产量、出口均价之间的关系,发现甲醇价格与甲醇进口量呈负相关,与出口量、进口均价、出口均价呈线性相关;与其他影响因素相比,软件评估,资产评估,价值评估,企业资产评估与煤炭价格、月产量相关性相对较低。 短期预测表明,甲醇价格实际值和预测值之间绝对误差在44 元左右,相比于甲醇平均价格2750 元/ 吨,预测精度较好。 长期预测表明,甲醇价格实际值和预测值之间平均相对误差约为1. 6% ,预测精度
较好。
关键词:甲醇;预测模型;极端学习机算法;精度;短期和长期
中图分类号:F426:F767:TP301.6 文献标识码:A
随着经济发展越来越快,我国在很短的周期 甲醇和很多商品价格走势预测是我们国内外
内实现了工业大国的发展进程,而甲醇一直是我 很多学者关心热点话题[8 -10] ,李康琪等采用MA
国工业发展进程中不可或缺的重要角色[1] 。 随时 (3) - GARCH(1,1)模型专业地分析了 BRENT 原
间的变化,受月度产量、季节、国家宏观经济等因 油期货收盘价波动性的相关数据[11] ;董振宇等多
素影响,甲醇产品价格具有波动性、不稳定性[2] 。 人搭建了国际原油价格预测的双层随机整数规划
对于传统预测方法来说,其预测过程的主要依据 模型[12] ;陈羽瑱采用Copula 及小波分析法,研究
为专家经验与统计学相关信息,对价格波动的预 了原油期货价格的波动与人民币汇率变动[13] ;王
测准确性可能会存在误差[3] 。 由于甲醇是我国工 新宇等提出CPAAVS - CAViaR 原油市场的风险预
业发展进程中不可或缺的一部分,而大宗商品又 测模型[14] 。 基于这些,本文基于甲醇价格影响因
与经济兴衰直接相关,因此很多研究人员对预测 素的专业分析,提出甲醇价格的短期与长期预测
甲醇产品价格投入极大精力[4] 。 甲醇价格在原材 等问题,构建短期和长期预测的模型。
、 市场供求关系和其他系列相关产品影响 一、极端学习机算法
料价格
下,会出现比较明显的波动[5] 。 在关乎国家战略 神经系统网络的迅猛发展,为深层前馈神经
意义的大宗商品当中,甲醇会对农业发展起到关 系统网络带来机遇,受众范围也越来越广[15] ,极端
键的推动作用,因此其重要性可见一斑[6] 。 对甲 学习机(Extreme Learning Machine,ELM) 为这一类
醇价格进行精确预测面临巨大挑战性,大宗商品 单隐层前馈神经网络(Single - hidden Layer Feed
的数据正在飞速累积,与此同时网络技术也正在 forward Network,SLFN)的学习方法,与单隐层前馈
迅速发展,如果有效利用网络技术筛选有用信息, 神经系统网络学习算法相比,其不同之处就是当
对预测过程非常重要[7] 。 其处于训练状态时,输入权值的多选性可随机进
作者简介:裴钦,硕士,讲师,皖江工学院财经学院。 研究方向:企业风险管理、化工经济分析。
雷昭,博士,副教授,安徽工业大学化工学院。 研究方向:化工过程模拟、化工过程控制。
基金项目:安徽高校人文社会科学研究重点项目“基于熵协同原理的甲醇价格预测模型研究”(项目编号:SK2019A1120)。
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第1 期 黑龙江工业学院学报 2022 年
行指令,即将输入层和隐层权值连接,权值输出后 的变量关系都属于噪声的一部分。 输入数据通过
将会对输出层与隐层权值进行连接,并基于分析 隐层神经元进行转换后,会转变为不同的表现形
方法确定。 式。 基于输入层偏差、权重实现隐层数据的投影。
1. 极端学习机算法原理 转换投影数据后,非线性转换函数可将ELM 学习
极端学习机单隐层前馈神经网络神经元有三 能力极大提高,转换后,隐层数据寻找输出权重用
层,然而输入层不执行计算,但提供数据特征,隐 H 表示。 图1 为极端学习机的输出示意图。
层为非线性神经元,输出层是线性的,无偏置或转
换函数。 在ELM 方法中随机设置输入层权重w 和
偏差b。 固定输入权重后,输出权重 β 是相对独立
的,不需迭代处理算法学习。 线性输出层计算速
度非常快,且最终可得到线性解。 随机输入层权
重产生几乎正交隐含层特征,可提高线性输出层
解的泛化性质。 因系数较小,在输出时线性系统
不增加输入误差,则权重小使系统抗噪性更强、更
稳定。 给定一组N 个不同训练样本( xi,ti),i∈ 图1 极端学习机的输出示意图
在神经元中,隐层变换函数不受函数类型限
[1,N],且 xi ∈Rn,ti ∈Rm。 带有隐层神经元 L 个
的输出方程如式(1)所示。 制,可运用曲正切函数、sigmoid 函数、阈值函数等。
L 一般情况下,神经数量与线性数据特征数量存在
∑j=1βjϕ(wjxi + bj),i ∈ [1,N] (1) 相等的关系,且神经元的特征都会被其复制,即一
在公式(1)当中,βi 、bi 分别表示输出权重与偏 个w 和零个b。 对于ELM 来说,径向基神经元比
差。 网络的输入与输入权重分别为xi 、wi ,激活函 较常见,其隐层输入为到原心距离,基于非线性投
数用 ϕ 表示,而ti 则表示期望输出,公式(2) 所示 影函数进行操作。 当ELM 当中存在RBF 神经元
为估计输出yi 关系。 时,发挥原心、样本间的任何距离函数的作用,预
L 测主要基于相似训练数据样本进行,从而推动解
yi = ∑j=1 βjϕ(wjxi + bj) = ti + εi,i ∈ [1,N]
决目标、数据特征间复杂依赖关系。 当基于矩阵
(2) 表示ELM,此时会输出并聚集隐层神经元,表示形
其中,ε 表示噪声。 随机噪声与输入中未显示 式如式(3)、式(4)所示。
é ϕ w x + b 1 ) ϕ w x 1 + b 2 ) … ϕ w x + bL ) ù
ê ( 1 1 ( 2 ( 1 1 ú
ê ϕ(w2 x2 + b1 ) ϕ(w2 x2 + b2 ) … ϕ(w2 x2 + bL) ú (3)
H = ê ú
ê … … … … ú
ê ϕ(wL xN + b1) ϕ(wL xN +b2) … ϕ(wL xN ú
ë +bL)û
β = ( T T T T ,T = T T T T (4)
β1 ,β2 ,…,βL ) (t1 ,t2 ,…,tN )
在随机初始化SLFN 输入偏差、权重条件下, i =1,2,…,L;第二步是对隐层神经元的输出 H 进
激活函数无限可微,对隐层输出矩阵进行确定,并 行计算;第三步是利用隐层输出的广义逆,对隐层
提供一个估计值,该值是带有任意小噪声目标值 和输出间的连接突触权值 β 进行计算,β = H+
估计。 T,T =[t1 ,t2 ,…,tN ]T 。
2. 极端学习机算法步骤 二、甲醇价格的短期和长期预测
设{(xi,ti)| xi ∈Rn,ti ∈Rm,i =1,2,…,N} 为 1. 影响甲醇价格因素的相关性分析
算法参数学习样本集合,给定隐层神经元个数、激 要提高甲醇价格预测精度,需将影响甲醇价
活函数类型后,第一步是连接输入层、隐层间突触 格的主要因素找出来,影响甲醇价格因素众多,在
权值wi 及隐层神经元偏差,随机生成bi, 预测甲醇产品价格前,需对相关评价指标进行
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第1 期 极端学习机算法下甲醇价格的短期与长期预测研究 2022 年
确定。 2. 甲醇产品价格预测评价指标的相关性分析
(1)影响甲醇价格的因素 影响甲醇价格的因素并不只有一个,而是多
甲醇市场供需是影响甲醇价格的诸多元素中 个因素同时对其产生协同作用,预测甲醇产品价
的一项,该因素包括甲醇的进出口量、产量等,如 格评价指标的相关性分析非常必要。 本文采用关
果在某个阶段国外甲醇产品的价格较低,而产量 联分析对相关因素进行确定,所选取的方法为比
和进口量又较高时,国内市场将出现供大于需的 较常见的回归关联分析法和皮尔逊(Pearson) 相关
情况,产品价格自然下降;而如果某个阶段国外甲 系数法。
醇产品价格较高,出口量较大时,此时国内将会出 (1)皮尔逊(Pearson)相关系数
现供小于需的情况,产品价格自然提高。 需求量 皮尔逊相关系数指的是两变量相近程度的统
也是对甲醇价格产生很大影响的关键因素,然而 计值,可对其特性和类别之间的相似值进一步核
统计参数过程复杂,且很难统计完全。 因此,本文 算,以此可对其提取出的特性和种类的程度进行
将需求量作为定量,选取甲醇价格产量、进口量、 一一判断核验。 可以此方法来判断两个变量之间
出口量作为自变量,衡量甲醇价格波动的情况。 的相关方位,将X 设为一定变量,Y 为可变量,皮尔
(2)甲醇的历史价格及成本因素 逊相关系数为 ρX ,Y 为因变量,皮尔逊相关系数为
历史价格、供需都会对甲醇未来价格产生影 ρX,Y ,增大自变量后因变量随之增大时,ρX,Y >0;反
响,也就是说过去的价格是决定甲醇未来价格的 之,ρX,Y <0;ρX,Y =0 表示两者间无关系。 通常
重要因素。 因此,要参考甲醇历史价格才能更客 ρX,Y ∈[1,1],可得到更大绝对值的相关系数,此时
观地预测甲醇未来价格。 煤炭成本是甲醇价格成 有更高的相关(正、负)关系;如果得到较小绝对值
本的重要支出,这是由于其生产流程中煤炭作为 的相关系数,此时有更小的相关( 正、负) 程度,1、
主要消耗品决定的,这就意味着煤炭价格因素会 -1 分别表示完全正相关与完全负相关,式(5) 所
对甲醇价格产生直接影响。 E ( ( X - 示为Pearson 相关系数公式。
ρX Y = cov(X,Y) = = E(XY) - E(X)E(Y)
, X)- (Y - Y)) (5)
σX σY σX σY E(X2 ) - E2(X) E(Y2) - E2(Y)
其中,相应特征数组分别用X、Y 表示,对应特 独立样本检验系数,对样本一致性进行检验。 表1
, X 、 Y 、 Pearson 。
、 σ σ Y 标准 为 算法计算相关系数
征平均值用X Y 表示 分别表示X
差。 在实际应用中,输出Pearson 相关系数 ρX,Y 和
表1 Pearson 算法计算的相关系数表
煤炭价格 进口量 进口均价 出口量 出口均价 月产量 甲醇价格
煤炭价格 1.000 0.626 0.140 -0.249 0.438 0.353 -0.122
进口量 0.626 1.000 -0.337 -0.332 0.321 0.370 -0.439
进口均价 0.140 -0.337 1.000 0.552 0.240 0.401 0.737
出口量 -0.249 -0.332 0.552 1.000 -0.020 0.298 0.322
出口均价 0.438 0.321 0.240 -0.020 1.000 0.150 0.224
月产量 0.353 0.370 0.401 0.298 0.150 1.000 -0.055
甲醇价格 0.122 -0.439 0.737 0.322 0.224 -0.055 1.000
根据表1,分析甲醇价格影响因素之间的关联 回归关联分析方法是确定两组或两组以上变
性,由此得出甲醇价格与出口量、进口均价、出口 量间的关系,本文通过线性回归的方式处理变量,
均价呈线性相关,与甲醇进口量呈负相关,与其他 将甲醇价格作为研究过程的因变量,其价格影响
影响因素相比,与月产量、煤炭价格相关性相对 因素则分别作为自变量。 相关性分析结果如表2
较低。 所示。
(2)回归关联分析
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第1 期 黑龙江工业学院学报 2022 年
表2 相关性分析结果表
模型 非标准化系数 标准化系数 T 显著性
B 标准错误 Beta
常数 183. 362 265. 543 -0.273 6. 881 0.000
煤炭价格 1. 810 0. 691 -3.042 0.005
进口量 -2.592 -3.125 0. 097 0. 834 0.424
进口均价 6. 418 0. 740 0. 987 11. 040 0.000
出口量 19. 885 11. 547 -0.165 -2.104 0.060
出口均价 2. 433 1. 952 0. 132 1. 862 0.094
月产量 -1.365 0. 553 -0. 349 -4.270 0.000
分析表2 可以看出,甲醇价格与煤炭价格、进 数,在确定 τ =1、m =10 后,对原时间序列空间重
口量、进口均价、出口量、出口均价月产量存在如 构获得式(7)所示的相空间矢量式。
式(6)所示的关联。 p(ti ) = F(P(ti-1 ),P(ti-2 ),…,P(ti-10 )) (7)
y = 1. 810x1 - 2. 592x2 + 6. 418x3 + 19. 885x4 + 其中,预测的产品价格为p(ti),P(tk),
2. 433x5 - 1. 365x6 + 183. 362 (6) i - 1 k i - 10 表示甲醇价格。 将自变量输入极
其中,煤炭价格为x1 ,进口量为x2 ,进口均价 端学习机,维数为10,同时确定10 个输入层神经
为x3 ,出口量为x4 ,出口均价为x5 ,月产量为x6 ,甲 元;甲醇实际价格为自变量,维变量和输出层神经
醇价格为y。 分析式(6) 可以看出,甲醇价格的影 元均为1。
响因素中,煤炭价格与月产量的相关性较低,进出 (2)短期结果预测分析
口均价、出口量与甲醇价格为线性相关,同时与进 本文在MATLAB7. 1 环境下, 计算CPU 为
口量负相关,所以能够准确分析得出不同变量与 3.2GHz的奔腾四机器上进行,验证算法有效性,采
甲醇价格之间的关联。 用Sigmoid 函数为ELM 学习算法激活函数,激活函
3. 甲醇价格短期预测 数个数为 20 个。 以 2011—2020 年每天甲醇价格
为提高预测甲醇价格的准确度,划分输入变 为数据进行训练,并进行数据相空间重构,对样本
量,基于甲醇价格间影响关系重构甲醇价格空间, 点进行筛选,最终选取2885 个训练样本,单个样本
在预测甲醇价格时,要结合其价格变化趋势动态 为10 维数,测试样本为2020 年5 月样本点数据,
进行。 建立 ELM 模型并用 2011—2020 年甲醇价 共有样本点30 个。 如图2 所示。
格构成时间序列进行训练,对相应模型中参数进
行确定,利用2020 年5 月中30 天实际价格数据与
预测值进行比较,对模型的有效性进行确认。
(1)数据的预处理
使用ELM 极端学习机构建甲醇价格预测模型
时,需输入神经网络变量,即煤炭价格、甲醇价格、
进口均价、表观消费量、出口均价进行相空间重
构,对输入变量的延迟时间 τ、嵌入维数m 进行确 图2 甲醇价格真实值与预测值间的绝对误差
定。 在甲醇价格短期预测中,通过算法仿真有 本文给出2020 年5 月份30 个数据为甲醇价
τ =1,选取嵌入维数 m =10。 分析甲醇数据,针对 格实际值和预测值间绝对误差。 由图2 可知,绝对
短期预测,本文通过相空间重构的方式处理甲醇 误差在44 元左右,相比于甲醇的平均价格2750
价格时间序列,选取 2011—2020 年甲醇价格作为 元/ 吨,预测精度较好。
时间序列,使用ELM 模型展开训练,确定模型参
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第1 期 极端学习机算法下甲醇价格的短期与长期预测研究 2022 年
图3 甲醇价格的实际值与预测值比较
图3 为2020 年5 月甲醇价格的实际值与预测值比较曲线,由图 3 可知,基于 2011—2020 年 11月数据,12 月份预测值可跟踪拟合甲醇实际值,且预测精度较高,能够在一定程度上指导甲醇真实的价格。
4. 甲醇价格长期预测
(1)数据的预处理
针对长期预测,本文选取 2011—2020 年期间煤炭价格、甲醇价格、进口均价、表观消费量、出口均价等数据,构建神经网络预测模型非线性时间序列,输出变量则为甲醇预测价格。 这与短期预测模式相似,把不同的数据分别作为混沌时间序列,并进行相空间重构,从而将不同影响因素的特征提取出来,可将甲醇价格预测精度提高。 计算
机仿真选择 τ =1,嵌入维数m =2,确定 τ =1,m =2,从而可得到新空间矢量式如式(8)所示。
ê Q ( ti - 1) Q ( ti - 2) ú
é ù
ê P(ti-1 ) P(ti-2 ) ú
ê ú
p(ti) = Fê I(ti-1) I(ti-2 ) ú (8)
ê O(ti-1 ) O(ti-2 ) ú
ê ú
ê C(ti-1 ) C(ti-2 ) ú
ë û
其中,p(ti ) 表示要预测的产品价格,Q( tk ) 为表观消费量、P(tk )为甲醇价格、I(tk ) 为进口均价、O(tk) 为出口均价、C(tk) 为煤炭价格(i - 1 k i - 2),均为输入变量,在极端学习机中变量取2 维,确定10 个神经网络输入层神经元。
(2)长期结果预测分析
本文搜集并分析每个月甲醇价格的平均值以及不同影响因素的相关数据,进行甲醇价格长期预测,选取2011 年1 月至2020 年12 月份期间内的数据,展开相空间重构,确定10 维输入数据,每个影响因素2 维,从而对甲醇的价格进行预测。 利用2020 年5 - 12 月份实际值与预测值进行对比,说明本文方法有效性,表3 为基于长期预测方法的甲醇实际值与预测值比较。
表3 基于长期预测方法的甲醇实际值与预测值比较
2020 年 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月
实际值 2711 2581 2531 2571 2672 2678 2551 2621
预测值 2799 2650 2548 2513 2571 2739 2577 2601
相对误差/% 3.24 2.67 0.67 2.56 3.78 2.28 1.02 0.76
由表3 知,利用本文方法获得的甲醇实际值与预测值间的相对误差最小值为0.67%,最大为3.78%,预测精度较好。
图4 基于长期预测方法甲醇价格预测值
及真实值比较曲线
图4 为基于长期预测方法甲醇价格预测值及
真实值比较曲线,由图4 可知,预测值能跟踪真实值变化,市场指导价值较好。
三、结论
甲醇价格与我国国民经济发展直接相关,但其影响因子较多,想要准确预测难度较大,为将甲醇价格预测精度提高,本文基于甲醇价格影响因素的分析,采用极端学习机算法,提出甲醇价格的短期与长期预测等问题,构建短期和长期预测模型,得出如下结论。
(1) 甲醇价格与甲醇进出口均价、出口量为线性相关,与甲醇进口量负相关,而月产量及煤炭价格与甲醇的相关性比较低。
(2)短期预测表明,甲醇价格实际值和预测值间绝对误差在44 元左右,相比于甲醇的平均价格·131·
第1 期 黑龙江工业学院学报 2022 年
2750 元/吨,预测精度较好。 长期预测表明,甲醇 系研究—基于 MS - VAR 模型的分析[J]. 价格理论与实
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还存在误差,在今后的研究中,重点是进一步提高 2018 34 457 big data and machine
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On Short- term and Long - term Prediction of Methanol Price Based
on Extreme Learning Machine Algorithm
Pei Qin1 , Lei Zhao2
(1. School of Finance and Economics, Wanjian University of Technology, Ma’ anshan, Anhui 243031,China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering,Anhui University of Technology, Ma’ anshan, Anhui243032, China)
Abstract:Based on the analysis of influencing factors of methanol price, using extreme learning machine al⁃gorithm, this paper puts forward the short - term and long - term prediction of methanol price. By constructingshort - term and long - term prediction models, the relationship between methanol price and import volume, coalprice, export volume, average import price, monthly output and average export price was analyzed. The researchshows that methanol price is negatively correlated with methanol import volume, and linearly correlated with ex⁃port volume, average import price and average export price. Compared with other influencing factors, it has arelatively low correlation with monthly output and coal price. The short - term prediction shows that the absoluteerror between the actual value and the predicted value of methanol price is about 44 yuan. Compared with the av⁃erage methanol price of 2750 yuan/ton,the prediction accuracy is higher. The long - term prediction shows thatthe average relative error between the actual value and the predicted value of methanol price is about1.6%, and
the prediction accuracy is higher. model; extreme learning machine algorithm; accuracy; short term and
Key words:methanol; prediction
long term Document Mark:A
Class No.:F426:F767:TP301.6
(责任编辑:张瞳光)
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