周勝瑜,周任軍,李紅英,李紹金
(1.智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長沙理工大學(xué)),長沙 410004;2.長沙理工大學(xué)電氣及信息工程學(xué)院,長沙410004)
當(dāng)前,組合預(yù)測已成為預(yù)測中主要的研究方向之一,被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域,但傳統(tǒng)的組合預(yù)測方法都是擬合歷史數(shù)據(jù)、獲取最小誤差的優(yōu)化預(yù)測方法,目標(biāo)仍然是單一的誤差最小,沒有計(jì)及預(yù)測中的不確定性及與專家知識的結(jié)合[1-2]。
針對這一問題文獻(xiàn)[1-2]提出了基于模糊層次分析法的組合預(yù)測模型。文獻(xiàn)[3]提出了基于模糊綜合評判的組合預(yù)測方法。雖然上述兩種方法能將專家知識引入組合預(yù)測過程中,但二者也面臨著一定的問題,主要表現(xiàn)為:第1,專家評價(jià)形式的單一化。第2,隸屬函數(shù)選擇主觀計(jì)算繁瑣,在基于模糊評判的組合預(yù)測中,模型隸屬函數(shù)選擇的好壞對最終的預(yù)測結(jié)果有著較大的影響,而隸屬函數(shù)的選取目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。而在基于模糊層次分析法的組合預(yù)測中,需要專家對預(yù)測模型的不同指標(biāo),做兩兩比較評價(jià),這極大地增加了專家的工作量。第3,專家意見的集成較困難,不同專家之間評價(jià)的尺度是不同的,如何消除這種情況的影響,上述兩種方法并沒有研究。第4,沒有有效考慮定量誤差指標(biāo)的影響,在上述兩種組合預(yù)測過程中對于定量誤差的處理,是根據(jù)預(yù)測效果,由專家直接進(jìn)行評價(jià)或是將兩種預(yù)測模型的擬合精度直接相比,而這兩種方法都比較粗糙,并不能較好地體現(xiàn)定量誤差的真實(shí)情況。
因此,為解決上述問題,提出一種采用信息轉(zhuǎn)換及專家混合語言評判的電力負(fù)荷組合預(yù)測法。
為了更好地評判各種預(yù)測模型的性能,必須建立起能反映真實(shí)情況的評判體系,這就要求此評判體系應(yīng)包含定量與定性兩方面的指標(biāo)。
定量指標(biāo)為歷史數(shù)據(jù)的擬合精度,此項(xiàng)指標(biāo)與傳統(tǒng)的各種負(fù)荷預(yù)測方法中的數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化目標(biāo)一致,其計(jì)算式為
式中:xj為擬合精度;T 表示預(yù)測的時(shí)間跨度表示第j 預(yù)測模型在第t 時(shí)間的預(yù)測值;yjt為實(shí)際值。
定性指標(biāo)包含經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)性、預(yù)測方法的適應(yīng)性以及決策者對模型的信賴程度3 方面。
預(yù)測模型評判體系如圖1 所示。
圖1 預(yù)測模型評判體系Fig.1 Prediction model evaluation system
如何通過語言科學(xué)、合理地衡量預(yù)測模型的性能,對于最終預(yù)測結(jié)果的產(chǎn)生有著極大的意義,語言評判標(biāo)度則提供了一個很好的方式,評判中一般采用定量標(biāo)度如“1、3、5”來表示“弱、中、強(qiáng)”關(guān)系。為了更加符合人們的思維情況,文獻(xiàn)[4]設(shè)定了一種以零為中心對稱,且語言術(shù)語個數(shù)為奇數(shù)的加性語言評估標(biāo)度。
式中:Sα表示語言術(shù)語;τ 為標(biāo)度計(jì)算基準(zhǔn)。語言術(shù)語下標(biāo)在零右側(cè)的語言術(shù)語集為
語言術(shù)語下標(biāo)在零左側(cè)的語言術(shù)語集為
并定義:若α ≥β,則Sα≥Sβ
在信息集成過程中,為避免丟失決策信息,在原有的基礎(chǔ)上定義了一個拓展標(biāo)度。
式中,q(q〉τ)為一充分大的自然數(shù),若Sα∈S1,則稱Sα為本原術(shù)語;否則,稱Sα為拓展術(shù)語,不論Sα為何種語言術(shù)語皆被統(tǒng)稱為確定語言信息。一般地,決策者用本原術(shù)語評估指標(biāo)因素,拓展術(shù)語只在計(jì)算和評價(jià)中出現(xiàn)。語言標(biāo)度的具體情況如圖2所示,若τ=4 則語言評估標(biāo)度S1中的元素為:S-3=極差;S-4/3=很差;S-1/2=差;S0=一般;S1/2=好;S4/3=很好;S3=極好。
圖2 τ=4 時(shí)的語言評估標(biāo)度Fig.2 Lingual assessment scale of τ=4
從圖2 中可以看出該類語言評估標(biāo)度其間距并不均勻,本質(zhì)上是一種非平衡語言信息,越靠近零點(diǎn)標(biāo)度越密集,這符合人類的思維情況。
在現(xiàn)實(shí)社會中,由于人類語言的模糊性以及問題的復(fù)雜性,決策者有時(shí)更傾向用類似于“介于“一般”與“好”之間”的表達(dá)方式來表達(dá)對于某個指標(biāo)的評價(jià),基于這一情況,定義不確定語言信息如下:
在客觀條件下,由于決策者知識水平、自信程度以及偏好的不同,往往會導(dǎo)致決策者給出的語言信息是混合的。語言信息的混合性主要體現(xiàn)在以下兩個方面。
(1)對于同一決策者而言,其可能選取不同類型的語言信息對預(yù)測模型的不同定性指標(biāo)進(jìn)行評價(jià),即評價(jià)信息可能是確定語言信息也可能是不確定語言信息。
(2)對于不同決策者而言,決策者選取的語言標(biāo)度可能不同。如決策者A 可能選取τ=4 時(shí)的語言標(biāo)度,而決策者B 可能選取τ=6 時(shí)的語言標(biāo)度。
上述所說的評價(jià)語言信息即為混合語言信息。
第1.4 節(jié)中提到?jīng)Q策者在對預(yù)測模型進(jìn)行評價(jià)時(shí),所給出的評價(jià)值往往是混合的,為了進(jìn)一步計(jì)算模型綜合評價(jià)值,必須將混合信息一致化。針對語言信息混合情況的不同一致化方法也有所不同。
對于同一決策者,所給語言信息類型不同這一問題,可采用將不確定語言信息轉(zhuǎn)化為確定語言信息的方法。
式中,I 為取下標(biāo)算子。
則稱
為不確定語言信息集成算子,其中γ 的求取方法為
式(10)中數(shù)值fφ([α,β])計(jì)算式為
式中函數(shù)φ:[0,1]→[0,1],具有下列性質(zhì):
若x ≥y,則φ(x)≥φ(y),且有
這樣可稱f 為連續(xù)區(qū)間信息集成算子,而函數(shù)φ(x)則被稱為基本單位區(qū)間單調(diào)函數(shù)(basic unit-interval monotonic function),以下簡稱為BUM 函數(shù)[5]。
這種轉(zhuǎn)化方法客觀性強(qiáng),計(jì)算方便,非常適合于處理不同類型的語言信息。
針對不同決策者,所選評價(jià)標(biāo)度不同的問題,其一致化方法如下。
設(shè)決策者1 所選取的語言評估標(biāo)度為
其中本原術(shù)語個數(shù)為2τ1-1。決策者2 所選取的語言評估標(biāo)度為
其中本原術(shù)語個數(shù)為2τ2-1,則定義它們之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)[6]為
通過式(16)~(19)可實(shí)現(xiàn)任意兩連續(xù)性非平衡語言標(biāo)度的轉(zhuǎn)化。為了保證語言信息的豐富性,規(guī)定語言標(biāo)度的轉(zhuǎn)化一律從低標(biāo)度向高標(biāo)度轉(zhuǎn)化,即若τ1〉τ2,則標(biāo)度τ2向標(biāo)度τ1轉(zhuǎn)化。
為了更加科學(xué)地認(rèn)識各預(yù)測模型的性能以確定模型權(quán)重值,必須對專家所給的語言信息進(jìn)行集成。
如何集成語言信息,是一個十分重要的課題。近年來,許多學(xué)者對語言信息的集成方式進(jìn)行了深入的研究,基于第1.2 節(jié)介紹的語言評估標(biāo)度S1,提出了各種不同的信息集成算子。
文獻(xiàn)[7-8]定義了兩種語言信息集成算子。分別為有序加權(quán)平均算子OWA(ordered weighted averaging)和混合集成算子LHA(linguistic hybrid averaging)。設(shè)
式(20)中函數(shù)符號OWA 下標(biāo)變量v 表示加權(quán)向量,具體為v =(v1,v2,…,vn),且vi≥0(i =使得
式中:Sβj(j = 1,2,…,n)為語言評價(jià)信息(Sα1,Sα2,…,Sαn)中第j 大的語言數(shù)據(jù),n 為屬性個數(shù)。OWA算子的本質(zhì)是:對數(shù)據(jù)從大到小按順序排列,再通過數(shù)據(jù)所在位置進(jìn)行集結(jié),權(quán)重vi僅反映數(shù)據(jù)位置的重要程度,與數(shù)據(jù)本身無關(guān),稱為位置權(quán)重。以O(shè)WA 算子集結(jié)語言評價(jià)信息可以較好地消除決策者主觀評價(jià)過高或過低所造成的影響,但是卻忽略了屬性本身的重要性。為此定義了LHA 算子。設(shè)
式(22)中函數(shù)符號LHA 下標(biāo)變量v,w 表示加權(quán)向量,具體為v=(v1,v2,…,vn),且vi≥0(i=,使得
式中:Sβj(j = 1,2,…,n)為語言評價(jià)信息(nw1Sα1,nw2Sα2,…,nwiSαi,…,nwnSαn)中第j 大的語言加權(quán)數(shù)據(jù);vi為位置權(quán)重,僅反映數(shù)據(jù)位置的重要程度;w=(w1,w2,…,wn)為語言評價(jià)值Sαi(i=1,2,…,n)的權(quán)重向量,反映屬性本身的重要性與位置無關(guān),可被稱為屬性權(quán)重,wi≥0,且為屬性個數(shù),亦稱為平衡系數(shù)。
LHA 算子既考慮了數(shù)據(jù)本身的重要性又考慮了數(shù)據(jù)位置的重要性,可認(rèn)為是OWA 算子的擴(kuò)展。
通過利用上述兩種信息集成算子可對某預(yù)測模型做出一個定量的客觀評價(jià)。
如前所述,為了更加客觀、合理地評價(jià)各預(yù)測模型,在建立預(yù)測模型評價(jià)體系時(shí),既考慮了定量指標(biāo)又考慮了定性指標(biāo),而為在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下綜合考慮這兩類指標(biāo)且從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā),需將定量數(shù)據(jù)指標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成定性語言評價(jià)信息,因此特將模糊推理技術(shù)引入至轉(zhuǎn)換的過程中。
利用模糊推理方法,實(shí)現(xiàn)定量數(shù)據(jù)到定性標(biāo)度的轉(zhuǎn)化,首先必須將二者模糊化。根據(jù)第1.2 節(jié)所選取的語言評估標(biāo)度以及模糊數(shù)學(xué)的原理定義這些標(biāo)度在論域X[-q,q]上的模糊集合為A極差、A一般、A極好等,選取目前應(yīng)用最為廣泛的三角函數(shù)作為對應(yīng)模糊集合的隸屬度函數(shù),取τ=4 時(shí)詳細(xì)討論語言標(biāo)度轉(zhuǎn)換為模糊集合的過程,其轉(zhuǎn)化隸屬度函數(shù)如圖3 所示。圖中x 軸表示語言標(biāo)度值,μ 軸表示語言評價(jià)值隸屬于對應(yīng)模糊語言集合的隸屬度。
圖3 τ=4 時(shí)標(biāo)度隸屬度函數(shù)Fig.3 Time-scale membership functions of τ=4
給定語言標(biāo)度的模糊集合后,專家還需根據(jù)實(shí)際情況給出代表相應(yīng)定量數(shù)據(jù)的模糊集合。為與語言標(biāo)度模糊集合相匹配,規(guī)定定量數(shù)據(jù)模糊化后的模糊集合個數(shù)應(yīng)等于語言評價(jià)信息模糊化后的模糊集合個數(shù)且命相同名稱,如B極差、B一般、B極好等,取同類型模糊化隸屬函數(shù),同時(shí)兩者各自對應(yīng)模糊集合的質(zhì)心相對距離應(yīng)成比例,具體表示為
式中:ai表示語言評價(jià)信息模糊化后第i 個模糊集合的質(zhì)心,若某個模糊集合有無窮多個質(zhì)心取其與0 點(diǎn)最近的質(zhì)心點(diǎn);bi表示實(shí)際數(shù)據(jù)模糊化后與ai所對應(yīng)的模糊集合同名稱的模糊集的質(zhì)心;k 為某一常數(shù)。圖4 表示τ=4 時(shí)預(yù)測誤差絕對值的模糊化結(jié)果。
圖4 τ=4 時(shí)預(yù)測誤差絕對值的模糊化結(jié)果Fig.4 Obscuretheresultsofpredictionerrorabsolutevalue
通過第2.1 節(jié)和第2.2 節(jié)的介紹可知定量數(shù)據(jù)模糊化后的集合與語言標(biāo)度模糊化后的集合是一一對應(yīng)的,因此所建立的模糊推理規(guī)則應(yīng)反映這種關(guān)系。規(guī)則庫的建立過程,具體情況如下。
共有7 條規(guī)則,在規(guī)則庫中FRi表示第i 條模糊規(guī)則,Sα為專家語言評價(jià)信息,x 為定量數(shù)據(jù)。
建立模糊規(guī)則庫后,采用取大-取小整合方式,根據(jù)所建立的模糊規(guī)則和專家語言評價(jià)信息對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行推理,計(jì)算式為
式中:U 表示輸入x 后最終的推理結(jié)果;r 表示由輸入數(shù)值x 激活的模糊規(guī)則數(shù);Ai與Bi分別表示激活的標(biāo)度模糊集合與定量數(shù)據(jù)模糊集合。
模糊推理產(chǎn)生的結(jié)果是模糊集合,而評價(jià)計(jì)算需要的是精確值,因此還需對模糊結(jié)果清晰化,采用如今比較常用的面積平分法[9],清晰化最終模糊集合結(jié)果。
經(jīng)過第2.1~2.3 節(jié)的計(jì)算過程,即完成了將定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成語言信息的過程。
獲得專家對各模型所有指標(biāo)的語言評價(jià)信息后即可進(jìn)行信息的集成評價(jià)。根據(jù)語言算子的定義,評價(jià)模型的重點(diǎn)在于相關(guān)權(quán)重的確定,而在模型評價(jià)過程中需要確定的相關(guān)權(quán)重主要有兩類,分別是專家位置權(quán)重和屬性位置權(quán)重(統(tǒng)稱為位置權(quán)重)、影響因素權(quán)重(也可稱為屬性權(quán)重)。不同類別的權(quán)重,其確定的方式是不同的。
對于專家位置權(quán)重(或?qū)傩晕恢脵?quán)重),可依據(jù)各專家(或?qū)傩裕┧o評價(jià)值的大小順序進(jìn)行賦權(quán),即對專家(或?qū)傩裕┑脑u價(jià)值從大到小按順序排列,再通過評價(jià)值所在位置賦予各專家(或?qū)傩裕┪恢脵?quán)重。權(quán)重的分布應(yīng)該是中間高兩邊低,呈對稱形狀,以消除專家主觀判斷的不良影響。確定方法如下。
設(shè)φ(x)為BUM 函數(shù),則有
式中,vi為第i 個位置上的專家(或?qū)傩裕┑臋?quán)重,i =1,2,…,l,l 為專家(或?qū)傩裕﹤€數(shù),而φ(x)的確定式為
式中,g(y)為聚中函數(shù)[10],滿足如下性質(zhì):
(1)y∈[0,1];
(2)g(y)關(guān)于0.5 對稱;
(3)g(y)為單峰,且在y=0.5 時(shí)最大。
利用BUM 函數(shù)求得的權(quán)重值,滿足權(quán)重的基本性質(zhì),即非負(fù)性、和值為1 性。
在實(shí)際計(jì)算中,依照式(26)~式(27),可令聚中函數(shù)
式中,y∈[0,1],求得位置權(quán)重的計(jì)算式為
式中,i=1,2,…,l,l 為位置個數(shù),亦可以代表專家個數(shù)或?qū)傩詡€數(shù)。
對于影響因素權(quán)重即屬性權(quán)重,可采用離差最大化思想,求得屬性的權(quán)值。該思想的核心是,模型某影響因素評價(jià)值偏差越大,則該因素對模型的整體評價(jià)影響也就越大,應(yīng)賦予較大的權(quán)重值。其計(jì)算過程如下:
設(shè)A=(aij)n×m為一致化后的評價(jià)矩陣,n 為模型個數(shù),m 為指標(biāo)個數(shù),則第j 指標(biāo)的權(quán)重為
因影響因素評價(jià)值是以語言形式給出的,所以不需要?dú)w一化處理。
通過式(29)和式(30)求得各類別的權(quán)重值之后,利用OWA 算子、LHA 算子對語言信息做出最終集成得出各模型的綜合評分值,其評價(jià)步驟如下。
步驟1 利用LHA 算子,單獨(dú)計(jì)算出各專家對各模型的語言綜合評價(jià)值。
步驟2 利用OWA 算子,綜合集成各專家的語言綜合評價(jià)值。
組合預(yù)測模型可表示為
設(shè)W=(W1,W2,…,Wn)為專家對n 個預(yù)測模型的最終綜合評價(jià)值,其中,若有模型的評判值小于或等于0,則不考慮該模型的影響,即模型權(quán)值為0,如此各預(yù)測模型在組合預(yù)測中所對應(yīng)的權(quán)重為
式中,r 表示除掉評判值小于或等于0 的模型后剩余模型的個數(shù)。
綜上所述,基于專家語言評判的組合預(yù)測方法主要步驟如下。
步驟1 選取適當(dāng)預(yù)測模型,計(jì)算各模型的預(yù)測效果(即求取歷史擬合精度),并將其作為定量指標(biāo)信息。
步驟2 邀請專家語言評價(jià)各預(yù)測模型的定性指標(biāo),并將步驟1 中的定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為定性語言信息。
步驟3 計(jì)算相關(guān)權(quán)重,利用LHA 算子單獨(dú)計(jì)算出各專家對各模型的語言綜合評價(jià)值,利用OWA 算子綜合集成各專家的語言綜合評價(jià)值。
步驟4 利用W 選取適當(dāng)預(yù)測模型并通過式(32)計(jì)算其權(quán)重,式(31)進(jìn)行組合預(yù)測。
以某地區(qū)8 年內(nèi)的負(fù)荷預(yù)測為例,檢驗(yàn)所提方法的可行性。
1)單個預(yù)測模型計(jì)算
該地區(qū)年最大負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)見表1。
表1 某地區(qū)最大負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)Tab.1 Acertainregion'slargestloadhistoricaldata
分別選取了二次指數(shù)平滑法、三次指數(shù)平滑法、灰色預(yù)測法、一元線性回歸法、非線性回歸法、單耗法以及彈性系數(shù)法共7 種方法對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測效果見表2。
表2 單個模型預(yù)測效果Tab.2 A single model prediction effect
2)定性指標(biāo)評價(jià)
現(xiàn)選取3 位專家分別對7 種預(yù)測模型的3 個定性指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。已知專家1、2 采用τ1,2=4 時(shí)的語言評估標(biāo)度,專家3 采用τ3=3 時(shí)的語言評估標(biāo)度?,F(xiàn)以專家3 為例詳細(xì)介紹模型評價(jià)過程,專家3 定性指標(biāo)語言評價(jià)結(jié)果如表3 所示。
表3 專家3 定性指標(biāo)評價(jià)結(jié)果Tab.3 Expert 3′s qualitative index evaluation results
3)評價(jià)信息一致化
取φ(x)=x 并利用式(11)~(19)一致化專家3的評價(jià)值。一致化結(jié)果如表4 所示。
表4 專家3 一致化結(jié)果Tab.4 Expert 3’s consistent evaluation results
4)定量指標(biāo)信息轉(zhuǎn)換
利用第3 節(jié)介紹的信息轉(zhuǎn)換方法,將表2 所示定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為定性信息,結(jié)果如表5 中指標(biāo)4列所示。
表5 專家3 定性定量指標(biāo)評價(jià)結(jié)果Tab.5 Expert 3’s qualitative and quantitative evaluation results
5)專家信息集成評價(jià)
得到專家3 定性定量指標(biāo)評價(jià)結(jié)果后,利用式(29)和式(30)分別獲得屬性位置權(quán)重以及屬性權(quán)重為v=(0.146 4,0.353 6,0.353 6,0.146 4),w=(0.405 7,0.142 0,0.324 5,0.127 8),由此利用LHA算子計(jì)算出專家3 對各預(yù)測模型的綜合評價(jià)值,如表6 所示。
表6 專家3 綜合評價(jià)值Tab.6 Experts 3’s comprehensive evaluation value
同專家3 評價(jià)步驟,分別求出專家1、2 對各預(yù)測模型的綜合評價(jià)值,并再次利用式(29)獲得專家位置權(quán)重v′ =(0.25,0.5,0.25),進(jìn)而由OWA算子同各專家評價(jià)值,計(jì)算出各預(yù)測模型的最終評價(jià)結(jié)果,如表7 所示。
表7 各預(yù)測模型最終評價(jià)結(jié)果Tab.7 Final results of each prediction model
6)組合預(yù)測
從各預(yù)測模型的最終評價(jià)值中,可以看出二次指數(shù)平滑法、單耗法以及彈性系數(shù)法評價(jià)值為負(fù),在組合預(yù)測中不以考慮,因此最終的組合預(yù)測模型為三次指數(shù)平滑法、灰色預(yù)測法、線性回歸法和非線性回歸法,組合中各自所占權(quán)重為w*=[0.25,0.40,0.35,0.315]。由此權(quán)重向量及各預(yù)測模型所求得的組合結(jié)果的平均相對誤差的絕對值為1.65%,可見以此種方法所得的組合預(yù)測結(jié)果要明顯優(yōu)于由其它單個預(yù)測模型所求得的結(jié)果。
所提基于信息轉(zhuǎn)換及專家混合語言評判的負(fù)荷組合預(yù)測法,相比于傳統(tǒng)基于模糊評判的負(fù)荷組合預(yù)測法,有以下4 點(diǎn)優(yōu)勢。
(1)擴(kuò)展了專家的評價(jià)形式允許專家給出不同類型的評價(jià)結(jié)果,豐富了信息來源。
(2)由專家直接給出語言評價(jià),非常方便,更加符合工程應(yīng)用的需要。
(3)能夠很好地集成各專家意見,有利于預(yù)測模型的選取。
(4)建立了定量數(shù)據(jù)與定性標(biāo)度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,使之對定量數(shù)據(jù)的評價(jià)更為客觀、合理。
需要說明的是,在電力系統(tǒng)中,相較于負(fù)荷的短期預(yù)測,組合預(yù)測方法更適用于中長期負(fù)荷預(yù)測中。且對于決策者而言,其也可以根據(jù)模型最終評價(jià)值的好壞選擇適當(dāng)?shù)膯我荒P瓦M(jìn)行預(yù)測。
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