理 论 探 索 Theory P robe MATLAB 实现 BP 神经网络的煤炭需求预测 ■ 余良晖 贾文龙 薛亚洲 陈甲斌 当前 我 国 煤 炭 消费 量 不 断 增 长, 给煤 炭 供 应 带 来 较大压力, 因此 对未 来 煤 炭 消 费 情况 的 掌 握 显 得尤 为 重要。本文采集 了 与 煤 炭 消 费相 关 的 指 标 数据, 采 用 BP 神 经 网 络 预 测 方 法 , 在 MATLAB 上 , 利 用 其 中 神 经网络功能, 建 立 合 理训 练 模 型, 进 行数 据 测 试 和 预 测, 最后得出 2010 年中国煤炭消费量的预测结果, 并 提出相关结论。 消费量。 表 1 预测数据源 年份 产 量 ( 万 tce ) GDP ( 亿元) 1989 75 314.5 16 992.3 价格指数 1989 年= 100 100 职工工 资总额 ( 亿元) 199.0 1990 77 110.12 18 667.8 106.2 234.3 一、 煤炭消费量及相关指标变化 1991 77 689.4 21 781.5 120.112 2 262.9 中国煤炭的消费量随着经济的快速发展逐年增长, 根据 《中国统计年鉴 2006》数据显示, 2005 年中国煤 炭 消 费 量 达 到 153 866.8 万 tce。 根 据 柯 布 —道 格 拉 斯 函数的意义可 以知 道, 生 产 过 程 中生 产 要 素 主 要 包括 资本、劳动和原 材 料 煤 炭 等 。所以 为 了 在 煤 炭消 费 预 测中有更充足的 数 据 分 析, 本 文 收 集 了 与煤 炭 相 关 的 价 格、 生 产 量 、GDP、 工 人 数 量 、 工 资 和 投 资 额, 作 为 BP 神 经 网 络 的分 析 数 据 ( 见 表 1) , 以 达 到 更 好 的 分析结果。 二、 BP 神经网络简介 BP 网络是一种多层前馈神经网络, 是一种具有三 层或三层以 上 的 神经 网 络, 包 括 输 入层 、中 间 层 和 输 出层。上下层 之 间实 现 全 连 接, 而 每层 神 经 元 之 间无 连接。算法 机 理是: 一 对 学 习 样 本提 供 给 网 络, 神经 元的激活值从输 入 层 经 中 间层 向 输 出 层 传 播, 在 输 出 层的各神经元 获 得 网 络的 输 入 响 应 。然 后, 按 照 减 少 目标输出与实际 误 差的 方 向, 从 输 出 层经 过 各 中 间 层 逐层修正各连接权值, 最后回到输入层。 BP 网络设计: 输出 层: 这 里 我 们的 输 出 层 只 有 1 维, 就 是 煤 炭 34 煤炭经济研究 2007 年第 10 期 采掘业 人数 ( 人) 消费量 ( 万 tce ) 842 882 905 898 932 915 932 902 868 721 667 597 561 558 481 73 766.77 75 211.69 78 978.86 82 641.69 86 646.77 92 052.77 97 857.3 103 794.2 98 801.17 92 020.94 92 463.82 93 869.37 95 485.23 100 671.9 119 658.4 1992 79 691.21 26 923.5 139.450 3 289.3 1993 82 183.66 35 333.9 194.812 337.7 1994 88 571.83 48 197.9 238.060 3 417.0 1995 97 162.6 60 793.7 264.961 1 516.2 1996 99 727.23 71 176.6 301.260 8 565.2 1997 98 115.81 78 973.0 325.361 6 574.3 1998 89 335.75 84 402.3 314.299 3 513.9 1999 91 428.81 89 677.1 297.955 8 494.9 2000 92 864.16 99 214.6 292.294 6 496.0 2001 98 685.51 109 655.2 311.293 8 528.2 2002 103 974.6 120 332.7 347.279 3 593.2 2003 123 045.3 135 822.8 371.588 9 655.556 8 2004 142 379.2 159 878.3 430.671 5 821.185 491.150 4 138 173.8 2005 157 436 183 084.8 509.053 7 1016.319 497.587 3 153 866.8 资源来源: 《中国统计年鉴 2006》 输入 层: 输 入 层 的神 经 元 以 表 1 中 除消 费 量 以 外 的其他变量为基准, 共 5 个。 隐 层 : 本 文 采 用 三 层 BP 网 络 , 隐 层 的 隐 单 元 定 为 8～12, 最后根据训练结果进行调整。 

三、预测分析 1. 数据源归一化。 为了在 MATLAB 中计算的方便, 需要对数据的大 小进行归一化 处 理, 这 里 根据 现 有 的 数 据 情况, 分 别 对输入和输出 量 ( 除 煤 炭消 费 量 作 为 输 出量 以 外, 其 他 变量 值 都 作 为 输 入量) , 进 行 y=log10 ( x) /10 的 算 法进行归一化。归一化代码如下。 p 为输入变量集合。 p= [ 75 314.5 16 992.3 100 199 842 ; 77 110.12 18 667.8 106.2 234.3 882 ; 77 689.4 21 781.5 120.112 2 262.9 905 ; 7 9691.21 26 923.5 139.450 3 289.3 898 ; 82 183.66 35 333.9 194.812 337.7 932 ; 88 571.83 48 197.9 238.060 3 417 915 ; 97 162.6 60 793.7 264.961 1 516.2 932 ; 99 727.23 71 176.6 301.260 8 565.2 902 ; 98 115.81 78 973 325.361 6 574.3 868 ; 89 335.75 84 402.3 314.299 3 513.9 721 ; 91 428.81 89 677.1 297.955 8 494.9 667; 92 864.16 99 214.6 292.294 6 496 597; 157 436.0 183 084.8 509.053 7 1 016.319 497.587 3] ’; 用循环对输入量进行归一化处理。 for i=1 ∶5 P ( i, ∶) =log10 ( p ( i, ∶) ) /10; end t 为输出量 t= [ 92 052.75; 97 857.3; 103 794.2; 98 801.17; 95 485.23; 92 020.94; 100 671.9; 119 658.4; 138 173.8; 153 866.8] ’; 938 693.37; 92 463.82; 用循环对输出量进行归一化处理。 for i=1 ∶1 T ( i, ∶) =log10 ( t ( i, ∶) ) /10 end 2. BP 网络训练。 一 般 的 预 测 问 题 都 可 以 通 过 单 隐 层 的 BP 网 络 实 现, 这里也 是 单 隐 层。网 络 中 间 层 的 神经 元 传 递 函 数 采用 S 型的正切函数 tansig, 输出层神经元传递函数采 用 S 型对数函数 logsig。选择的理由是函数的输出位于 区 间 [ 0, 1] 中, 正 好 满 足 网 络输 出 的 要 求 。并 采 用 trainbfg 函数进行训练, 从训练结果图中可以看到训练 理论探索 全国优秀科技期刊 中国工业经济类核心期刊 2 次后误差达到要求。 MATLAB 代码如下: 0.423 0 0.427 1 0.433 8 0.443 0 0.454 8 0.468 3 0.478 4 0.485 2 0.489 7 0.492 6 0.495 3 0.200 0 0.202 6 0.208 0 0.214 4 0.229 0 0.237 7 0.242 3 0.247 9 0.251 2 0.249 7 0.247 4 0.229 9 0.237 0 0.242 0 0.246 1 0.252 9 0.262 0 0.271 3 0.275 2 0.275 9 0.271 1 0.269 5 P= [ 0.487 7 0.488 7 0.489 0 0.490 1 0.491 5 0.494 7 0.498 7 0.499 9 0.499 2 0.495 1 0.496 1 0.292 5; 0.294 5; 0.295 7; 0.295 3; 0.296 9; 0.296 1; 0.296 9; 0.295 5; 0.293 9; 0.285 8; 0.282 4] ’; T= [ 0.496 4 0.499 1 0.501 6 0.499 5 0.496 4 0.496 6 0.597 3 0.498 0 0.500 3 0.507 8 0.514 0] ; threshold= [ 0 1; 0 1; 0 1; 0 1; 0 1; ] ; net=newff ( threshold, 'trainbfg’) ; net.trainParam.epochs=1 000; net.trainParam.goal=0.01; net=train ( net, P, T) ; TRAINBFG- srchbac, Epoch 0 /100 0, MSE 0.210 775 / 0.01, Gradient 0.147 396 /1e- 006 TRAINBFG- srchbac, Epoch 2 /1 000, MSE 0.000 785 357 /0.01, Gradient 0.009 315 74 /1e- 006 TRAINBFG, Performance goal met. [ 11, 1] , {'tansig’, 'logsig’}, 3. 测试数据和预测。 根据网络训练的结果, 并采用 2000 年的归一化数 据进行测试, 以 验 证 训练 结 果 的 可 应 用性 。根 据 测 试 得出 测 试 值 y = 0.516 4, 并 进 行换 算 与 实 际 值 误 差 仅 为 0.023, 说 明 网 络 训 练 成 功 , 可 以 用 来 预 测 2010 年 的煤炭需 求 量 。输 入相 应 的 输 入 量, 最后 得 出 预 测 量 z =0.535 8, 经 换 算 后 , 即 预 测 值 为 228 034.2 万 tce, 结果列入表 2。 表 2 BP 网络实现结果与误差分析 归一化值 y=log10 ( x) /10 误差 2000 年实际值 2000 年测试值 2010 年预测值 0.518 7 0.516 4 0.535 8 训练测试及预测代码和结果: 实际值 x 153 815.5 0.023 145 881.4 228 034.2 COAL ECONOMIC RESEARCH 35 

理 论 探 索 Theory P robe P_test= [ 0.496 8 0.499 7 0.246 6 0.269 5 0.277 6] ’; y=sim ( net, P_test) ; Q= [ 0.519 7 0.526 3 0.270 7 0.300 7 0.269 7] ’; z=sim ( net, Q) ; y = 0.516 4 z =0.535 8 四、结论 1. 根 据 与 煤 炭 消 费 相 关 的 指 标 数 据 , 建 立 了 BP 神经网络预测 模 型, 克 服了 一 般 回 归 分 析的 不 够 精 确 的局限性, 经 过 反 复实 验 训 练 确 定 了最 佳 的 隐 层 结点 个数, 合理 地 确定 了 最 优 的 网 络结 构, 模 型 具 有较 高 的应用价值。 2. 分 析 得 出 的 BP 神 经 网 络 预 测 模 型 , 可 以 不 断 添加历史数 据, 进 一 步 提高 预 测 能 力, 提 高网 络 的 可 信度。  ( 作者单位: 中国国土资源经济研究院) ( 责任编辑: 邹 琳) 训练结果图 ( 上接第 28 页) 全防范主要以 入口 和 边 界 为 重 点防 范 区 域 。住 区在 保 证交通和消防要求的条件下, 尽可能少的设置出入口, 每个出入口都 需 要 配 备保 安 人 员 、门 禁系 统, 实 行 封 闭式管理, 以 减 少 社 会闲 散 人 员 进 入。住 区 周 围 边 界 处采用电子边 界防 越 报 警 系 统, 住区 内 的 道 路 采 用闭 路电视监控和 电 子 巡 更 系 统。第 二, 住 区 环 境 建设 还 要考虑对意外事故的防范, 主要有瓦斯爆炸、火灾等。 保证住区建筑物间距满足消防要求, 使居民可以逃生, 同时住区内要保 留足 够 的 避 难 空间 以 满 足 居 民 在发 生 意外事故时藏 身 使 用 。第 三, 避 免 住 区 饮 用 水受 到 污 染, 保证水质 满 足 饮 用 水卫 生 标 准 。另 外 住区 选 址 时 一定要避开煤矿 塌 陷区 以 保 证 住 区 基地 环 境 安 全 。第 四, 住区所有 的 活动 设 施 应 有 标 记以 说 明 适 合 不同 的 使用人群, 设施的耐久性、稳固性必须符合强度标准。 户 外 活 动 场 地 、 水 景 、 儿 童 设 施 安 全 防 护 措 施 齐 全 , 公共场所要考虑无障碍设计。 4. 人文环境建设。 在矿 区 人 文 社 会环 境 较 差 的 情 况下, 住 区 人 文 环 境的创造就更加重 要, 主 要 从 创 造和 谐 邻 里 关 系和 创 造煤矿特色文 化 环 境 两 方 面着 手 。第 一, 积 极营 造 邻 里交往的公共活 动 空 间 和设 施, 为 居 民 提供 相 互 交 往 和了解的场所 。同 时住 区 规 划 设 计 时, 还 要 考 虑 人 际 公平问题, 使每位居民有小区主人的待遇, 力求公平、 和睦、祥 和 的 邻 里关 系 。第 二, 住 宅 区在 设 计 之 初 就 要把文化建设 提升 到 住 区 文 化 的层 次 来 考 虑, 通过 各 种手段把煤矿 文 化 渗 透 到 住区 的 各 个 领 域, 营 造 与 煤 矿文化有关的建筑造型与景观小品, 建设各类型的文化 娱乐、体育健身场所, 传播文学艺术、价值观念、民俗 民风等精神财富, 形成以煤矿文化为主要特色的住区精 神, 使住区居民形成爱我住区、爱我煤矿的精神风貌。 住区 环 境 建 设 是煤 矿 区 建 设 新 型矿 区 和 可 持 续 发 展的重要组 成 部分 和 目 标 之 一, 它关 系 到 煤 矿 区广 大 居民的生存健 康 和 煤 炭 产 业能 否 健 康 发 展问 题, 煤 矿 区各级领导和 管 理 部 门应 该 从 以 下 几个 方 面 努 力, 大 力 支 持 住 区 环 境 建 设 。 第 一 , 树 立 以 人 为 本 的 思 想 , 重视煤矿 区 生 活空 间 建 设 。第 二, 加大 煤 矿 区 可 持 续 发展建设, 加快矿区生态重建。 第三, 加大煤矿区污 染治理力度 和社 会 环 境 管 理 力度 。第 四, 相 关 部 门要 从资金、人 员等 方 面 大 力 支 持。第 五, 积 极 进 行 煤矿 产业调整, 帮助居民就业, 提高居民收入。只有这样, 矿区居民的生 活 环 境 才 能 真正 得 到 改 善, 它们 的 健 康 生活才有保 障, 才 能 使 煤矿 区 的 发 展 更人 性 化 、科 学 化, 才能使矿区的社会环境更加和谐。 ( 作者单位: 中国矿业大学建筑工程学院 许昌学 院城市与环境学院) ( 责任编辑: 孙驭华) 36 煤炭经济研究 2007 年第 10 期