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1、灰色系统在灾害中的应用研究灰色系统在灾害中的应用研究摘要摘要为预防地质灾害对我国未来经济社会的影响，本文应用了灰色系统预测的方法。其中由于地质灾害受到了气候、地质周期，人为等多因素的影响，故对于未来具体地质灾害数的预测难以把握，本文在研究我国地质灾害时，通过对我国近 11 年地质灾害的统计数据分析，建立灾害预测模型，并对几种主要灾害分别研究，应用了灰色建模系统和软件，预测了未来我国地质灾害年。Matlab通过模型的预测值与真实值得残差对比分析中，可以了解到由于泥石流和地面坍陷的数据波动，原始灾变预测不能达到比较高的精度，故本文后部分提出了一种基于模型改进的灾变预测，使得灰色系统预测应用更加广泛
2、。) 1 , 1 (GM关键词：关键词：灰色预测 灾害预测模型 模型 改进的灾变预测Matlab) 1 , 1 (GM目录目录1 引言.4 1.1 课题背景 4 1.2 国内外研究现状 4 1.3 研究方法和意义 5 2 灰色理论.5 2.1 灰色系统概述 5 2.2 基本内容 5 2.3 基本原理 6 2.4 灰色系统理论的主要内容.7 2.5 灰色预测 7 3 灰色灾变预测 .7 3.1 灰色灾变预测的原理.7 3.2 灰色灾变预测的方法分析.7 3.3 参数与模型检验 10 4 我国地质灾害预测 .11 4.1 我国地质灾害简述 11 4.2 灾害预测模型应用 12 4.3 灾害预测总体
3、分析 16 5 模型评价及改进 .17 5.1 模型评价 17 5.2 模型改进 17 5.2.3 两种模型比较 .18 结论20 参考文献20 致谢21 声 明22 附录23 附录231 1 引言引言1.11.1 课题背景课题背景现代科学技术在高度分化的基础上高度综合的大趋势，导致了具有方法论意义的系统科学学科群的出现，系统科学揭示事物之间的本质联系，促进了科学技术的整体化进程，使得人们对于自然界和客观事物演化规律的认识逐步深化。灰色系统由于其小样本，贫信息的优势方法，在各个领域应用十分宽广。灰色预测作为一种预测未知世界，提前捕捉未知信息，在当今社会作用巨大。我国是滑坡、崩塌、泥石流等自然灾
4、害频发国家，每年造成灾害损失巨大，给国家和社会的正常运行也产生了巨大影响，所以应用灰色模型预测自然灾害，能给国家和社会及时提供预计灾害发生的资料，使我们提前采取综合措施，减少经济损失，保障人民生命财产安全。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状灰色系统理论的迅速发展及其在众多科学领域中的成功应用，赢得了国际学术界的肯定和关注。1989 年在英国创办的英文版国际学术刊物灰色系统学报(The Journal of Grey System)已成为英国科学文摘(SA)、 美国数学评论(MR)等重要国际文摘机构的核心期刊。全世界有 300 余种学术期刊接受、刊登灰色系统论文，美国计算机学会会刊、台
5、湾模糊数学通讯 、系统与控制国际杂志 Kybernetes(SCI 源期刊)出版了灰色系统专辑。 灰色系统理论的应用范围已拓展到工业、农业、社会、经济、能源、交通、石油、地质、水利、气象、生态、环境、医学、教育、体育、军事、法学、金融等众多领域，成功地解决了生产、生活和科学研究中的大量实际问题。如徐忠祥教授等完成的新疆塔里木盆地油气圈闭灰色综合预测、林昌荣高工完成的南海西部油气储量分布灰色预测、范兆木高工完成的黄河人海口地形演变灰色预测、潘和平教授完成的河南油田油井岩层灰色聚类分析、施卫国等人的登陆破障方案选优、蒋忠信等完成的泥石流变化趋势灰色预测、邱学军研究员开发的中西医灰色诊断系统等，产生
6、了显著的社会经济效益；自 20 世纪 8O 年代以来，我国有数百个市、县和省级区域运用灰色系统理论的方法、模型和技术研究区域社会、经济和科技发展问题.编制综合发展规划，促进了区域经济的健康发展；国家及各省、市科学基金积极资助灰色系统研究，每年都有一大批灰色系统理论或应用研究项目获得各类基金资助。据统计，全国各地有 200 多项灰色系统成果获得国家或省部级奖励；2002 年，我国灰色系统学者获系统与控制世界组织奖。灰色系统理论的创立催生了“灰色水文学” 、 “灰色地质学” 、 “灰色统计学” 、 “灰色育种学” 、 “灰色控制” 、 “灰色医学”等一批新兴交叉学科，推动了科学事业的发展。 20
7、年来，灰色系统理论已以其强大的生命力自立于科学之林，奠定了其作为一门新兴横断学科的学术地位。灰色系统理论的蓬勃生机和广阔发展前景正日益广泛地为国际、国内各界所认识、所重视。 1.31.3 研究方法和意义研究方法和意义灰色系统理论自邓聚龙教授 1982 年提出以来, 已广泛应用于诸多研究领域, 灰色灾变预测作为灰色系统理论的重要预测理论与方法之一, 在灾害预测方面取得了许多利研成果, 为灾害学科的发展与完善及区域防灾减灾作出了很大贡献。滑坡、崩塌、泥石流是我国发生数量最多、分布范围最广、造成危害最严重的地质灾害。在全国 31 个省自治区、直辖市(上海市除外)都有发生.据调查,目前全国存在滑坡、崩
8、塌、泥石流等突发性地质灾害隐患点十多万处、威胁上亿人的生命安全和上百至上千亿元的财产损失。因此,国家需要进一步加强地质灾害防治工作的力度.所以灰色灾变预测在我们现阶段的应用变得尤为突出。但是在预测中, 灾害的中、长期预测精度却不能得到保证。本文从灰色灾变预测的特点及充分开发利用灾变信息出发, 通过改进灰色灾变预测模型, 提高灾害中、长期预测精度.2 2 灰色理论灰色理论2.12.1 灰色系统概述灰色系统概述1982 年，中国学者邓聚龙教授创立的灰色系统理论，是一种研究少数据、贫信息不确定性问题的新方法。灰色系统理论以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、 “贫信息”不确定性系统为研究对象
9、，主要通过对“部分”已知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统运行行为、演化规律的正确描述和有效监控。社会、经济、农业、工业、生态、生物等许多系统，是按照研究对象所属的领域和范围命名的，而灰色系统确是按颜色命名的。在控制论中，人们常用颜色的深浅形容信息的明确程度，如艾什比(Ashby)将内部信息未知的对象称为黑箱(BlackBox)，这种称谓已为人们普遍接受。我们用“黑”表示信息未知，用“白”表示信息完全明确，用“灰”表示部分信息明确、部分信息不明确。相应地，信息完全明确的系统称为白色系统，信息未知的系统称为黑色系统，部分信息明确、部分信息不明确的系统称为灰色系统。 2.22.2 基本
10、内容基本内容它是一门研究信息部分清楚、部分不清楚并带有不确定性现象的应用数学学科。传统的系统理论，大部研究那些信息比较充分的系统。对一些信息比较贫乏的系统利用黑箱的方法，也取得了较为成功的经验。但是，对一些内部信息部分确知、部分信息不确知的系统，却研究得很不充分。这一空白区便成为灰色系统理论的诞生地。在客观世界中，大量存在的不是白色系统(信息完全明确)也不是黑色系统(信息完全不明确)，而是灰色系统。因此灰色系统理论以这种大量存在的灰色系统为研究而获得进一步发展。其基本观点有：(1)灰色系统理论认为，系统是否会出现信息不完全的情况、取决于认识的层次、信息的层次和决策的层次，低层次系统的不确定量是
11、相当的高层次系统的确定量，要充分利用已知的信息去揭示系统的规律。灰色系统理论在相对高层次上处理问题，其视野较为宽广；(2)应从事物的内部，从系统内部结构和参数去研究系统。灰色系统的内涵更为明确具体；(3)社会、经济等系统，一般部存在随机因素的干扰，这给系统分析带来了很大困难，但灰色系统理论把随机量看作是在一定范围内变化的灰色量，尽管存在着无规则的干扰成分经过一定的技术处理总能发现它的规律性；(4)灰色系统用灰色数、灰色方程、灰色矩阵、灰色群等来描述，突破了原有方法的局限更深刻地反映了事物的本质；(5)用灰色系统理论研究社会经济系统的意义，在于一反过去那种纯粹定性描述的方法，把问题具体化、量化，
12、从变化规律不明显的情况中找出规律，并通过规律去分析事物的变化和发展。例如人体本身就是一个灰色系统，身高、体重、体型等是已知的可测量的指属于白色系统，而特异功能、穴位机理、意识流等又是未知的难以测量的，属黑色系统，介于此间便属灰色系统。体育领域也是一个巨大的灰色系统，可以用灰色系统理论来进行研究。这一理论是我国华中理工大学邓聚龙教授在 1982 年提出的它是系统思想的一种深化和发展该理论在国际上引起了很大的重视，并给予了很高的评价。当今的理论和方法广泛地应用于不同学科、不同领域的研究之中，获得了许多可喜的成果。 2.32.3 基本原理基本原理 (1)差异信息原理。 差异是信息，凡信息必有差异，我
13、们说两件事物不同，即含有一事物对另一事物之特殊性有关信息。客观世界中万事万物之间差异为我们提供了认识世界的基本信息。 (2)解的非唯一性原理。信息不完全、不确定的解是非唯一的，由于系统信息的不确定性，就不可能存在精确的唯一解。 (3)最少信息原理。 最少信息原理是“少”与“多”的辩证统一，灰色系统理论的特点是充分开发利用已占有的最少信息，研究小样本、贫信息不确定性问题，所获得的信息量是判断灰与非灰的分水岭。 (4)认知根据原理。 信息是认知的根据，认知必须以信息为依据，没有信息，无以认知，以完全、确定的信息为根据，可以获得完全确定的认知，以不完全、不确定的信息为根据，只能获得不完全确定的认知。
14、 (5)新信息优先原理。 新信息认知的作用大于老信息，直接影响系统未来趋势，对未来发展起主要作用的主要是现实的信息。 (6)灰性不灭原理。 信息不完全是绝对的，信息不完全、不确定具有普遍性，信息完全是相对的、暂时的，人类对客观世界的认识，通过信息的不断补充而一次又一次地升华，信息无穷尽，认知无穷尽，灰性永不灭。 2.42.4 灰色系统理论的主要内容灰色系统理论的主要内容灰色系统理论经过 30 年的发展，现已建立起一门新兴学科的结构体系。其主要内容包括以灰色代数系统、灰色方程、灰色矩阵等为基础的理论体系，以灰色序列生成为基础的方法体系，以灰色关联空间为依托的分析体系，以灰色模型（gm）为核心的模
15、型体系，以系统分析、评估、建模、预测、决策、控制、优化为主体的技术体系。 2.52.5 灰色预测灰色预测预测就是借助对过去的探讨去推测、了解未来。灰色预测就是通过少量的、不完全的原始数据的处理，建立灰色微分预测模型，发现、掌握系统发展规律，对系统的未来状态做出科学、合理的定量预测。对于具体问题，选择什么样的预测模型，应通过充分的定性分析结论为依据。模型需要经过多种检验才能判断合理性，是否有效，能否预测。常见的灰色预测模型有数列预测、灾变预测、季节灾变预测、拓扑预测、系统综合预测和模糊预测。3 3 灰色灾变预测灰色灾变预测3.13.1 灰色灾变预测的原理灰色灾变预测的原理灰色灾变预测实质上是异常
16、值预测，什么样的值算作异常值，往往是人们凭经验主管确定的，灰色灾变预测的任务就是给出下一个或几个异常值出现的时刻，以便人们提前准备，采取对策。灾变预测就是要通过对灾变日期序列的研究，寻找其规律性，预测以后若干次灾变发生的日期，灰色系统的灾变预测是通过对灾变日期序列建立模型实现。) 1 , 1 (GM3.23.2 灰色灾变预测的方法分析灰色灾变预测的方法分析 3 3. .2 2. .1 1 灰灰色色模模型型) 1 , 1 (GM令为建模序列，(0)X) 1 , 1 (GM，(0)(0)(0)(0)(1),(2),.,( )Xxxxn为的（一次累加生成）序列，(1)X(0)XAGO1，(1)(1)(1)(1)(1),(2),.,( )Xxxxn,(1)(0)1( )( )kixkxi1,2,.,kn令为的紧邻均值生成序列(1)Z(1)X)(MEAN(1)(1)(1)(1)(2),(3),.,( )Zzzzn（1）) 1(5 . 0)(5 . 0)()1()1()1(kxkxkz即定义:的灰微分方程模型
