天然气消费量的灰色模型预测.pdf

20 08矩 第 5期 管 技 术 P i p e l i n e Te c h n i q u e 5 设 台 a n d E q u i p me n t 2 0 o8 No ． 5 天然气 消费量的灰色模型预测 王兵 ， 田 丹 ， 刘书文 ， 罗 山。 ， 方炯 ， 孙丽 1 ． 中国石油西气东输管道 销售 公司豫皖管理处， 安徽滁州2 3 3 2 , 0 0 ； 2 ． 重庆凯源石油天然气有限责任公司， 重庆4 0 0 0 2 1 ； 3 ．四川科宏石油天然气工程有限公司， 重庆4 0 0 0 2 1 ； 4 ． 西南石油大学研究生院， 四川成都6 1 0 5 0 0 摘要 介绍了 利用灰 色理论预测天然气消费量的模型， 包括 G M 1 ， 1 模型和动态等维灰数递补灰 色预测模型， 对模 型进行了求解， 介绍了模型精度的检验方法， 并用实例加以验证， 同时与实际消费量进行了对比。计算结果表明 此方法 预测天然气消费量既简单又准确， 有较好的适应性和较高的精度， 对天然气输配管网的优化运行和统一调度管理具有重 要的参考意义。 关键词 灰色模型； 预测； 天然气消费量； 灰色理论； 模型检验 中图分类号 T E 0 1 文献 标识码 A 文章编 号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 5 0 0 0 3一o 3 App l i c a t i o n o f Gr e y M o d e l t o Pr e d i c t Na t ur a l Ga s Co ns u m p t i o n W ANG B i n g ， T I AN Da n ， L I U S h u - we n 。 ，L UO S h a h ， F ANG J i o n g 4，S UN L i ‘ 1 ． Y u W a l l Ma n a g e me n t Di v i s i o n ， We s t - E a s t Gas P i p e l i n e C o r p o r a t i o n o f P e t r o c h i n a ， C h u z h o u 233 2 0 0， C h i n a ； 2 ． Ch o n g q i n g Ka i y u a n P e t r o l e u m Na t u r a l Gas Co ．， Lt d ．， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 2 1，Ch i n a； 3 ． S i ch u a n Ke h o n g Oi l Ga s En g i n e e r i n g Co ．， Lt d ．，Cho n g q i n g 4 0 0 0 2 1 ，Ch i n a； 4 ． Grad u a t e S c h o o l ， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， C h i n a A b s t r a c t I t i n t r o d u c e s t h e m o d e l o f g r e y t h e o r y t o p r e d i c t n a t u r a l g a s c o n s u m p ti o n ， i n c l u d i n g G M 1 ， 1 a n d t h e d y n a m i c e q u a l d i me n s i o n al g r e y n u mb e r p r o gre s s i v e c o mp l e me n t g r e y p r e d i c t i o n mo d e 1 ． I t als o i n t r o d u c e s t h e me t h o d f o r v e ri f y i n g t h e a c c u r a - c y o f t h e mod e l ， g i v e s a n e x a mp l e t o v a l i d a t e t h e mo d e l an d c o n t r a s t s t h e a c t u al c o n s u mp t i o n me an w h i l e ． T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e me thod p r e d i c t i n g n a t u r a l g a s c o n s u mp ti o n i s s i mp l e a n d a c c u r a t e ， tha t t h e mod e l h as g o o d a d a p t a b i l i t y an d a c c u r a c y ， a n d t h a t the me tho d i s i mp o r t a n t t O o p t i mi z e t h e o pe r a t i o n a n d u n i t e d d i s p a t c h mana g e me n t o f the t r ans mi s s i o n a n d d i s t ri b u t i o n p e p e l i n e n e t ‘ wo r k ． Ke y wo r d s gre y mode l ； p r e d i c t ； n a t u r a l g as c o n s u mp t i o n； g r e y t h e o r y ； mo d e l v e r i fic a t i o n 0 引言 随着经济的发展， 天然气产量及需求均逐年增加， 2 0 0 4年， 国内天然气产量超过 3 5 0亿 m ， 比2 0 0 3年增长 7 ％以上 ； 2 0 0 5 年， 国内天然气消费仅 占全球消费量的 1 ． 7 ％ ， 但 比2 0 0 4年增 长2 0 ． 8 ％； 2 0 0 6年， 国内天然气 消费量达到 4 9 0亿 m ， 比上 2 0 0 6年增长 2 6 ％ J 。 国内的天然气主要应用于化工、 油气田开采以及发电等领 域， 它们在天然气消费结构 中占8 7 ％以上， 居民用气在天然气 消费结构中所占比例不到 1 1 ％， 今后将大力发展居民用气 ] 。 天然气消费量是反映居民生活消费水平 的一个重要的指 数。故对其进行预测 ， 对保证管 网供气量， 进行管网的优化调 度、 设备维修等具有重要的意义。 常用的预测方法有因果解释性预测法和历史数据法。因 果解释性预测法分析用气量的主要影响因素， 建立起预测变量 与影响因素的关系模型， 如回归分析法。历史数据法依赖于被 预测量的历史观测数据， 通过序列分析找出其系统演变规律， 进而对系统未来发展做出预测， 如时间序列分析法、 灰色预测 法等。历史数据分析法资料易于收集， 方法简捷易行， 应用较 收稿 日期 2 0 0 71 2 2 9 收修改稿 日期 2 0 0 8 0 8 0 5 多 】 o 天然气消费量受众多因素的影响， 各影响因素与用气量之 间存在着高度的复杂性和非线性。从建模机理出发， 介绍了灰 色理论预测天然气消费量的模型 ， 并对此模型进行了求解及检 验。最后 ， 用实例对模型进行了验证 ， 并与实际消费量进行了 对 比。 1 灰色预测模型 灰色系统理论认为 时间序列包含着极为丰富的信息 ， 通 过充分开发并利用少量数据中的显信息和隐信息， 可对离散数 据建立微分方程的动态模型， 即灰色模型 G r e y Mo d e l ， 缩写为 G M 。天然气消费受到许多不确定因素的影响， 在这个变化系 统中， 既存在着已知 的信息 ， 也存在着未知的信息， 它是一个 “ 黑色” 参数与“ 白色” 参数共存的系统， 可用灰色系统理论对 天然气消费进行分析和预测L 6 J 。 1 ． 1 灰色模型 GM 1 ， 1 原理 灰色预测是用灰色模 型进行 定量 预测 ， 主要 使用数 列预测 方法 J 。 对原始数据 序列 ‘ 。 ’ 进行一次 累加生成处理生成数列 “， ，其微分方程形式为 ．，l、 似 1 Ⅱ 1 4 Pi p e l i ne Te c h ni q ue a nd Eq u i p me n t S e p ． 2 0 08 式中 o ， u为模型参数 。 式 中 根据微分方程理论 ， 式 1 的解为 ￡ } o 一 一 ／Z l e 2 对其进行离散化 ， 并取 “ ’ 0 1 ， 则 1 l ‘。 1 一 l e 矗 3 对式 3 再作累减还原， 得 互 ‘ 。 k 1 星 ‘ k1 一 星 ‘ 4 式 3 、 式 4 即为 G M 1 ， 1 模型的时间相应函数， 也是 G M 1 ， 1 模型的计算公式。 灰色 预测 G M 1 ， 1 模型的局限性 在于 ， 由于模型本身的缺 陷， 使其仅能适于原始数据序列按指数规律变化且变化速度不 是很快的场合， 其预测精度与被预测对象目标值的灰度及变化 递变规律密切相关 ， 当系统发生转折变化时， 利用 G M 1 ， 1 模 型所建立的系统预测模型精度较差。 1 ． 2 动态等维灰数递补灰色预测模型 对于城市天然气消费来说， 随着时间的推移， 未来的一些 扰动因素将不断地对系统产生影响， 未来时刻越远 ， 预测值的 灰色区间越大， 真正有实际意义且精度较高的预测值是最近的 一 二个数据。 在天然气 规划设计 中， 常常需要预测未来几年 或更长 时期 的消费量， 可能利用的资料仅仅是过去到现在的几个数据。这 时可先用已知的数据不多的数列建立 G M 1 ， 1 模型预测一个 值， 然后把这个预测值补充到已知数列中， 同时去掉最老的一 个数据， 使构成的发展序列与原序列等维。接着再建立 G M 1 ， 1 模型， 把预测出的下一个数据补充到发展序列中， 同时去掉 最老的一个数据， 经过这样逐步预测， 依次递补， 一直到预测年 限为止。用这种方法建立的 G M 1 ， 1 模型， 称为动态等维灰数 递补 G M 1 ， 1 模 型 。 城市天然气消费量时间序列包含了该系统变化的动态过 程 ， 多次利用 已有 的数据必 然能挖 掘 出系统更深 刻 的规 律 ， 通 过充分开发并利用少数数据中的显信息和隐信息， 能够进一步 提高所建模型的精 度。基于这样 的机理可 建立残差 G M 1 ， 1 模型， 对原模型进行修正。记残差为 e‘ 。 ’ k X ‘ 。 k 一 ‘ 。 k k 1 ， 2 ， ⋯ ， n 5 取式 5 中部分残差或全部残差构成残差数列 e o k { e ∞ 1 ， e 2 ， ⋯， e ∞ n } rt ≤ n 6 对 e ∞ 作一次累加生成运算得 到 e ” ， 对 e “ 建立 G M 1 ， 1 模型， 模型的解是 ； I 1 告 奇 7 式 7 与式 3 形 式一样 ， 但式 7 是残差 序列 G M 1 ， 1 模 型的解， 式 3 是原始数据序列的解， 把原模型与修正模型结合 在一起 ， 即得到修正预测模型的生成序列和原始序列 1 e ， l 『 。 1 一 一 ／／ 1 0 。 1 一 1 e - a n ， ‘ k 1 一 量 则后验差比值 C与小误差概率 P为 C Js 2 ／ S l 1 3 P P{ I s i 一 8 l 0 ． 6 7 4 5 S } 1 4 后验差比值 C越小越好； 小误差概率 P越大越好。按 C与 P两个指标综合确定预测模型的精度级别。 模型精度级别 m a x { C所处级别， P所处级别} 。 一 般地 ， 将模型的精度分为 4级， 分级标准及相应的 C 、 P 值见表 1 。 表 1 模型预测精度等级 2实例验证 利用有关文献的数据， 即某地区 1 9 9 6年至 2 0 0 5年天然气 消费量做动态等维灰数递补预测 ， 原始数据见表2 。 表 2 某地区 1 9 9 6年至 2 0 0 5年天然气消费量 1 0 m ／a 采用 G M 1 ， 1 基本模型， 维数确定为 5 ； 残差 G M 1 ， 1 模 型维数确定为 4 ， 动态等维灰数递补灰色预测模型维数是5 ， 每 次用模型对未来做一步预测。 对未来 5年的动态预测过程是 首先用 1 9 9 6年到 2 0 0 0年 u『 。 -1● ●J 一 d e e ● 一 0 。 k ， ● ●● ●● ● ●● ●● ● 、 ●● ●● ● ●● ●● 第 5期 王兵等 天然气消费量的灰色模型预测 5 5 个数据建立 G M 1 ， 1 模型， 用 1 9 9 7年到 2 0 0 0年的 4个残差 数据建立残差 G M 1 ， 1 模型， 用综合的修正模型预测 2 0 0 1年 的消费量； 然后用2 0 0 1年的这个预测数据加上 1 9 9 7年到 2 0 0 0 年的4个原始数据再建立等维 的 5维 G M 1 ， 1 模型和 4 维 G M 1 ， I 残差模型， 对 2 0 0 2年进行预测， 依次递推直到预 测出 5年后 ， 即2 0 0 5年的消费量为止。 所建 5个模型的后验差比值 C均小于 0 ． 3 5 ， 小误差概率 P 均等于 1 ， 模型精度均为“ 1级” 。预测年份实际天然气消费量 与预测计算结果见表 3 ， 可见预测精度相当好。 表3 实际天然气消费量与预测计算结果 3结 论 1 利用灰色理论建立了天然气消费量的预测模型， 包括 G M 1 ， 1 模型和动态等维灰数递补预测模型， 提出了模型精度 的检验方法 。 2 模型的建立解决 了天然气消费量可用历史数据较少 ， 序列的完整性及数据资料的可靠性较低 ， 规划设计中往往又需 要对未来数年后的用气负荷做出预测的问题 ， 对天然气输配管 网的优化运行和统一调度管理具有重要的参考意义。 3 实例计算中， 根据灰色预测小误差概率和后验差 比值 检验所建模型， 所有模型精度均为 1级， 说明所建立的动态等 维灰数递补灰色预测模型对天然气消费量的预测有较好的适 应性和较高的精度， 对预测天然气消费量有一定的实用价值。 4 灰色预测采用生成数列建模， 利用过去到现在的较少 数据， 即可对未来的数据进行预测。这说明了灰色理论在解决 少数据建模和利用微分方程来充分挖掘系统的本质方面所具 有的独特作用。但灰色理论不适用于系统发生转折变化时的 预测 。 参考文献 [ 1 ] 中华报告 网． 2 0 0 4～ 2 0 0 5年 中国天然气 行业研究 年度报 告 [ E B ／ O L] ． [ 2 0 0 71 22 0] ．h tt p ／ ／ w w w ． c c mn e t ． c o rn ／ B 7 ／2 0 0 5 0 4 ／ 8 0 0 7． a s p ． [ 2 ] 赵剑飞．“ 天然气 O P E C ” 萌芽 [ E B ／ O L ] ． [ 2 0 0 71 2 2 0 ] ． h t t p ／ ／ W W W ． m f z q ． C O rn． c n ／ B l o g ／ D i a r y ． a s p x D a t a S T i d 3 9 3 8 5 8． [ 3 ] 袁宗 明， 谢英 ， 梁光川． 城市配气． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4] 王效东 ， 黄坤． 天然气消费量的神经网络方法预 测． 天然气勘探 与 开发 ， 2 0 0 7， 3 0 3 7 0 7 2 ． [ 5] 王希勇 ， 张家彬 ， 袁宗 明． 城 市燃 气长 期负 荷预 测模 型 的灰色方 法． 管道技术与设备 ， 2 0 0 4 6 68 ． [ 6 ] 严铭卿， 廉乐明． 天然气输配工程． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 o 5． [ 7 ] 邓聚龙． 灰色理论基础． 武汉 华中科技大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 8 ] C H E N J Y ． D e s i g n o f a s t a b l e g r e y p r e d i c t io n c o n tr o l l e r f o r n o n l i n e a r s y s t e ms ． T h e J o u r n a l of G rey S y s t e m，1 9 9 6 ，8 4 3 8 13 9 6 ． [ 9 ] 汪玉春． 优化技术及其在储运工程中的应用． 成都 西南石油学 院 ， 2 0 0 5 ． 作 者简介 王兵 1 9 8 2 一 ， 硕士研 究生 ， 主要 从事 天然 气管道 输送工 艺 及管道运行方面的研究工作。 上接 第 2页 大， 湍流大大加快了质量及能量 的输运， 从而强化了燃烧爆炸 过程 。 图3显示了受限空间中爆炸波的振荡过程。由于爆炸波 的正向传播与壁面反射波的共同作用 ， 爆炸波产生振荡。由于 爆炸波的振荡促进了可燃气体与空气的混合， 从而改善 了爆炸 状况， 增加了爆炸的稳定性。但是， 高温高频的振荡压力波对 爆炸容器造成了极大的破坏。 图3 爆炸波的振荡特性 3 结束语 建立了油气管道受限空间中可燃气体爆炸的单步化学反 应湍流模型，以有限体积法对控制方程进行求解，以矢通分 裂法处理无黏通量 ，对受限油气管道空间中可燃气体的爆炸 进行了数值模拟研究，成功地描述 了爆炸波发生发展传播过 程及爆炸流场特征，并对爆炸的振荡进行了分析，所得的结 果与实验数据相比有着较高的一致性 ，为受限空间中气体防 爆抑爆技术的工艺实施、系统设计和关键参数计算提供理论 依据。 参考文献 [ 1 ] C HA N C K． C o l l i s i o n o f a S h o c k Wa v e w i t h O b s t a c l e i n a C o m b u s t i b l e Mi x t u r e ． C o mb u s t i o n a n d F l a me ， 2 0 0 2 6 3 4 13 4 8 ． [ 2 ] 张莹． 大型油罐火灾爆炸危害性研究． 管道技术与设备， 2 0 0 7 3 3 3 3 5． [ 3 ] J O N E S D A ． N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f d e t o n a t i o n re i gni t i o n i n H 2 0 2 m i x t u r e s i n a r e a e x p a n s i o n s ． S h o c k Wa v e ， 2 0 0 0 1 0 3 3 4 1 ． [ 4] Y A K HO T V， O R S Z A G S A ．R e n o r ma l i z a t i o n g r o u p a n aly s i s t u r b u l e n c e ． J o u r n al o f S c i e n t i fi c C o mp u t i n g ，1 9 8 6 ， 1 1 35 ． [ 5 ] B A R T HT J ， J E S P E R S O ND C ． T h eD e s i gn andA p p l i c a ti o nofU p w i n d S c h e me s o n Un s t r u c t u red Me s h e s ． AI AA P a p e r ， 8 90 3 6 6。 J a n ． 1 9 8 9． [ 6 ] 张建华． 焦炉煤气在管道中的爆炸性及其火焰传播规律． 武汉理 工大学学报 ， 2 0 0 1 9 2 6～ 2 9 ． 作者简介 张峥 1 9 8 3 一 ， 硕士研究生 ， 从事数值模拟研究。