农产品价格智能预测方法: History
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农产品价格预测是农业领域的研究热点,准确预测农产品价格是实现农业持续健康发展的关键。智能预测方法在建模中的限制和假设较少,可以有效地对价格序列中的非线性关系进行建模。传统的机器学习方法,如决策树、支持向量机和普通贝叶斯,具有简单、训练快速和鲁棒性等优点,但处理复杂非线性关系的能力有限,需要人工选择和提取特征,泛化能力不足。深度学习模型凭借其强大的表达和特征提取能力,无需依赖特征工程即可从原始序列中提取有效的特征信息,在监督有效、数据量充足、数据质量高的情况下,对序列中的非线性关系具有较好的处理能力。

  • price forecasting
  • combined models
  • intelligent prediction methods

1. Support Vector Machine-Based Prediction Method

The support vector machine (SVM) is a machine learning approach rooted in statistical learning theory [19]. It hinges on VC dimensional theory, the principle of structural risk minimization [20,21], and represents the pioneering algorithm grounded in geometric distance [22]. Serving as a small-sample learning technique with a robust theoretical foundation, an SVM’s final decision function is influenced by only a handful of support vectors. Its computational complexity hinges on these vectors rather than the sample space’s dimensionality, sidestepping the so-called “dimensional disaster”. Wang et al. [23] harnessed SVM to predict the nonlinear facet of garlic prices, coupling it with ARIMA for linear price prediction, yielding accurate results. Nevertheless, SVM does have drawbacks, including diminished performance when data features (dimensions) surpass the sample size, sensitivity to parameters and kernel functions. Consequently, approaches like parameter optimization are frequently employed to enhance SVM prediction performance. Duan et al. [24] employed a genetic algorithm to identify optimal parameter combinations for a support vector regression model. With these optimized parameters, they constructed a support vector regression model for predicting fish prices, yielding precise outcomes with minor errors. SVR’s remarkable ability to manage high-dimensional, nonlinear, and small-sample data positions is a vital technique in agricultural price prediction.

2. Bayesian Network-Based Prediction Method

贝叶斯网络本质上是一个有向无环图,它使用概率网络进行不确定性推断。贝叶斯网络在解决农产品价格预测和其他农业问题方面的卓越表现主要源于以下主要特点:(1)贝叶斯网络可以处理不完整的数据集;(2)贝叶斯网络允许人们理解变量之间的关系并量化这些关系的强度;(3)定量和定性数据相结合的能力;(4)将专业知识和数据结合到贝叶斯网络中的能力;(5)贝叶斯方法可以相对容易地避免学习过程中的数据过度拟合。Putri [25]使用贝叶斯网络算法作为数据挖掘分类方法,根据天气信息预测万隆地区的胡椒商品价格。贝叶斯网络的一个缺点是它们不支持环形网络[26],这会削弱网络的鲁棒推理能力,并且这种限制对静态贝叶斯网络并不友好。动态贝叶斯网络(DBN)是一个融合概率论和影响图的动态模型。它将时变隐马尔可夫模型与传统的静态贝叶斯网络相结合,从两者中获益,同时通过随时间推移的动态适应性和新状态的合并来避开它们的局限性[27]。马再兴[28]利用PC算法从数据中学习,根据专家知识进行构造,并将专家知识和PC算法相结合进行结构学习。得到初始结构后,他调整得到的初始结构得到模型的网络结构,然后用EM算法进行参数学习。此外,他获得了用于价格预测的完整动态贝叶斯网络模型,并根据预测结果选择最佳模型来预测生猪的价格和产量。结果表明,预测效果优于对照组的ARIMA、SVM和BP神经网络模型。

3. 基于神经网络的预测方法

神经网络通常被称为人工神经网络 (ANN)。它们构成了一个复杂的非线性网络系统,由许多以类似于生物神经元的方式相互连接的处理单元组成。神经网络表现出强大的非线性拟合能力,使它们能够映射复杂的非线性关系。此外,他们的学习规则很简单,可以在计算机上轻松实现。它们具有较强的鲁棒性、记忆力、非线性映射能力和强大的自学习能力,在应对农产品价格预测挑战方面具有独特的优势。1987年,Lapedes和Farber [29]率先将神经网络应用于预测,标志着神经网络预测的开始。1993年,Kohzadi等人[30]是最早使用前馈神经网络来预测美国小麦和牛价格的人之一。他们将预测结果与ARIMA的结果进行了比较,得出的结论是神经网络表现出卓越的转折点预测能力,并实现了更准确的价格预测。
随着大数据和人工智能技术的进步,神经网络在农业领域的应用越来越广泛[31]。在价格预测领域,流行的神经网络模型如下(表2和示例总结了神经网络在农产品价格预测中的应用):
  • 反向传播(BP)网络[323334]:BP网络易于实现和理解。但是,很容易陷入局部最优解,训练速度相对较慢。
  • 径向基函数神经网络(RBFNN)[3536]:BP网络是非线性映射的全局近似,而RBF网络是非线性映射的局部近似,训练速度更快。RBF可以处理复杂的非线性关系,具有良好的泛化能力。但是,它对网络结构和超参数敏感,训练和调优相对复杂。当问题涉及复杂的非线性关系并且有足够的训练数据时,您可以尝试使用 RBF 神经网络。
  • 长短期记忆网络(LSTM)[3738]:LSTM神经网络是一种特殊的递归神经网络,它通过引入遗忘门、输入门和输出门等结构来控制通过单元状态的信息流,从而解决长期依赖性和梯度消失的问题。LSTM 神经网络具有记忆和捕获长期依赖关系的能力。因此,当预测问题涉及时间序列数据时,LSTM 是一个不错的选择,尤其是具有长期依赖关系的数据。
  • 卷积神经网络(CNN)[39]:CNN是一个多层前馈神经网络,通过卷积层、池化层和全连接层等结构从数据中提取局部和全局特征,以实现自动特征学习和抽象。在价格预测任务中,CNN 可以学习和捕获输入数据中的重要特征,例如时间序列、数据趋势、周期性等。市场价格通常受到多种因素的组合影响,CNN可以更好地处理这些复杂的非线性关系。
  • 混沌神经网络(CNN)[4041]:混沌神经网络(CNN)是一种结合混沌理论和神经网络的智能信息处理系统。混沌神经网络利用混沌现象的敏感性和不可预测性,增强神经网络的学习和泛化能力,从而提高预测和建模的准确性。通过引入混沌噪声或逻辑图等方法,混沌神经网络能够在一定程度上避免神经网络陷入局部极小值,从而加快训练过程并提高收敛率。
  • 极限学习机(ELM)[42]:极限学习机是一种前馈神经网络,由新加坡南洋理工大学的黄广斌教授于2006年首次提出。ELM具有训练快、泛化能力强、实现简单等优点。
  • 小波神经网络(WNN)[4344]:小波神经网络(WNN)是一种基于小波变换和神经网络的方法。通过将原始数据分解为不同尺度的小波系数,能够有效地提取数据中的各种特征,如趋势、周期、季节性等,WNN结合了神经网络强大的拟合能力,能够进行非线性映射,从而实现对未来价格的准确预测。然而,高复杂性和高数据要求是该方法不可避免的缺点。
表 2.基于神经网络的农产品价格预测应用实例.
参考 [32] [35] [38] [39] [41] [42] [44]
模型/算法 BPNN RBFNN LSTM 美国有线电视新闻网 混沌神经网络 榆树 WNN
特征 较强的非线性映射能力,较高的自学习和自适应能力,将学习成果应用于新知识的能力,具有一定的容错能力。研究结果表明,BP神经网络模型对期货市场具有长期预测能力。 它比BP神经网络具有更好的逼近能力、分类能力和学习速度,结构简单,训练简洁,学习收敛速度快,可以逼近任何非线性函数,并克服局部最小问题。研究结果表明,不同价格水平下大豆价格的影响因素不同,该模型的构建有利于大豆价格的预测。 它有效地克服了RNN中网络层增加导致的梯度消失问题。该型号特别适用于时间间隔和延迟非常长的任务,并且具有出色的性能。研究结果表明,参数调优对LSTM网络模型的预测效果影响较大,影响较大的主要参数包括迭代次数、学习速率、窗口大小和网络层。与ARIMA模型、MLP模型和SVR模型相比,LSTM网络模型对预测结果的准确性更高。 CNN在特征提取和非线性模式自主学习方面的有效性使其在图像分类和音频识别任务中表现良好。本研究综述了影响作物产量的因素,并提出了一个3D CNN模型来预测未来的作物价格。该模型可帮助决策者更好地预测作物价格趋势并制定战略计划,选择贸易伙伴,降低成本并解决粮食不安全问题。 网络的输出不仅取决于当前输入,还取决于过去的输出。经过训练后,网络对非线性数据的适应性会更好,非常适合预测复杂、非平稳、非线性的时间序列。所设计的基于动态混沌神经网络的马铃薯价格时间序列预测模型在预测精度和性能上优于ARMA模型。 该算法可以随机生成神经网络所需的输入权重和隐藏层阈值,而无需多次调整。只要隐藏层节点数量合理,就可以得到唯一的最优解。其参数设置过程简单,不需要反复调整,训练速度明显提高,预测结果更准确。与传统的神经网络学习算法(如BP算法)相比,克服了陷入局部最优的缺点。本研究采用PCA-ELM模型预测粮食价格,取得了较好的预测效果。 小波神经网络结合了神经网络和小波函数的优点,采用Morlet小波作为隐层基函数,可以提取局部动态特征,并且可以构建局部近似前馈神经网络,减少节点之间的干扰,提高预测精度。本研究利用小波神经网络对党参和当归两种中药材的价格进行预测,结果表明,预测误差很小,预测准确率很高。
农产品 大豆 大豆 五种不同的作物 土豆 粮食 中草药
观察到的特征 豆粕价格,剔除鸡价格,玉米价格,鸡蛋苗价格,鸭蛋价格 国内大豆生产, 大豆进口, 全球大豆产量, 国内大豆需求, 居民消费价格指数, 消费者信心指数, 货币供应, 进口大豆港货价格 价格时间序列 环境、经济和商品交易数据 价格时间序列 粮食总产量、人均粮食消费量、粮食生产平均价格指数、城镇居民人均可支配收入、居民消费价格指数、粮食播种面积 种植面积、产量、省灾区、炒作因素、市场需求
评价方法 平均绝对百分比误差 平均绝对百分比误差、相对误差 平均绝对误差、均方根误差、平均绝对百分比误差、R 平方 平均绝对误差、均方根误差、平均绝对百分比误差 均方误差 均方误差 相对误差

This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/agriculture13091671

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