（计算机软件与理论专业论文）基于模糊技术的时间序列分析.pdf

摘要 预测在科学管理中是非常重要的环节。在决策和规划之前，对一些关键因素的 发展趋势进行预测是必要的。时间序列预测是预测领域内的一个重要研究方向，时 间序列预测是一种根据历史数据构造时间序列模型，再把模型外推来预测未来的一 种方法。时间序列分析只关注要预测事物本身数据，在使用这种方法的过程中没有 其它的干扰因子。 本文在现代医院信息系统的决策支持层中引入时间序列分析方法对孕妇分娩时 间进行预测，但是孕妇这一特殊的预测对象自身有着非常明显的生物周期性而且具 有不确定性。显然，不存在一个简单的时间序列模型，能够描述上面所有特征，而 且还能够获得相当精确的预测值。因此，引入模糊技术，其基础就是模糊集合论。 和经典集合论不同的是，模糊集合不是讨论某个元素是否属于某一特定集合，而是 讨论这一元素隶属这一集合的程度，模糊集合论用单位闭区间 0 ，1 】中的某个数值 来表示元素隶属某个集合的程度。这种方式更符合人类的理性思维。模糊技术不仅 可解决不确定性的问题，而且可以有效克服系统存在滞后所造成的影响。 本文对有关时间序列分析和模糊技术方面的基本理论作了介绍，并把二者结合 起来对孕妇分娩时间这一实际问题提出了种新的解决的方法。首先对孕妇从早产期 到足月产期这一时间序列进行建模，之后利用模糊技术来处理在这一期间孕妇分娩 可能的不确定性，最后用时间序列分析对这一处理过的时间序列进行预测。 关键词：预测，时间序列，时间序列分析，不确定性，早产，足月产 a b s t r a c t f o r e c a s ti sv e r yi m p o n a n ti ns c i e n t i f ：i cm a n a g e m e n t i ti sn e c e s s a r yt of o r e c a s t a i l d a n a l y z et h et r e n do f s o m ec m d a lf a c t o rb e f o r e m a k i n gd e c i s i o na n d p f o g r a m m i n g o n eo ft h em o s tp r a c t i c a lf o f e c a s tm e t h o d si st h et i m es e r i e sa n a l y s i s ， w h i c hm o d e l so nb a s eo ft h eh i s t 0 亡i c a ld a t ao ff a c t o r t h em o s t n c e m e dt h i n go f t i m es e r i e sa n a l y s i si st h ed a t ai t s e l f ；t 王l e r ei sn oo t h e ri n t e r f e r e n c ef a c t o r n i st 1 1 e s i si st oi n t m d u c et i m es e r i e sa i l a l y s i st of o r e c a s tt h ed e l i v e r yt i m eo f t h ep r e g n a n tw o m e nf o rt h ed e c i s i o ns u p p o ns y s t e mo ft h eh o s p i t a li n f o m a t i o n s y s t e m t h ep r e 印a n tw o m a ni ss p e c i a lf o r c c a s to b j e c t ，b e c a u s ei th a ss om u c h o b v i o u sb i o l o 舀cp e r i o d i d t ya n ds o m eu n c e r t a i nf a c t o r c l e a r l y ，t l l e r ei sn oe x a c t m e t h o dt od e s c r i b ea l lt h ef e a t u r e sa b o v es a i da n dt op r e d i c tt h ev a l u eo u to fs a m p l e s e x t r e m e l ya c c u r a t e t h u sw ei n t r o d u c et h ef l l z z yt h e o r yi n t h i sp a p e r f u z z ys e t t h e o r yu s e sav a l u ei nt h ec 】o s ei n t e r v a l 0 ，1 】t od e s c r i p tt h ee x t e n tt h a ta ne l e m e n t b e l o n g st ot t l ef u z z ys e t ，w h i c hd i f 托r sf b md a s s i cs e tt h e o r y i ti sam o r er a t i o n a l m e t h o dt h a ti sl i k eh u m a nt h i n k i n g i te x t e n dt h ec l a s s i cs e tt h e o r yb yd e s c r i b i n gt h e e x t e n to ft h ee l e m e n tb e l o n g st oaf u z z ys e tu s i n gt h ei n t e r v a l 0 ，1 ) ，w h i c hm e a i l s w h e t h e rt h ee l e m e n tb e l o n g st ot h es e t nc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo f t i m e d e i a ys y s t e m sa n du n c e n a i n t y t h i sp a p c ri n t m d u c c ss o m el b e d r i e sa b o u l j m es 刊e sa i l a l y s i sa n df u z z yt h e o r y a 1 1 dt h e i ra d v a n t a g e s t h et h e s i sb r i n g su pan e w a t t e m p tt of b r e c a s tt h ed e l i v e r yo f p r e g n a n tw o m e nc o m b i n i n gb o t h “v ot h e o r i e s f i r s to fa l l ，w eu s et h et i n l es e r i e s t h a tb e g i n sf 如mt h ep r c m a t u r ed e l i v e r yd a t et ot h em a t u r ed e l i v e r yd a t eo ft h e p r e g i l a n tw o m a l l f o l l o w i n gt h i ss t 印，u s i n gf u z z yt h e o r yt os o l v et h eu n c e n a i n t yo f d e l i v e r y a tl a s t ，f o r e c a s t i n gt l l en 眦b e ro fp r e g n a i l tw o m e nw h oa r eg i v i n gb i n h s o ns o m ew o r k j i l gd a y k e yw o r d s ：f o r e c a s t ，t i m es e r i e s ，t i m es e r i e sa n a l y s i s ，u n c e n a i n ty ，p r e m a t u r e d e l i v e 珊m a t l l r ed e l i v e r y h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：溜墨日期：童! 垡垒i 卫2 王固 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东 北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：翘妻 指导教师签名： 日 期：赴监蹲龃日 期： 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 引言 医院信息系统是计算机技术、通信技术和管理科学在医院信息管理中的应用，是计 算机技术对医院管理、l 临床医学、医院信息管理长期影响、渗透以及相互结合的产物。 现代医院信息系统已是第三代医院信息系统，第三代医院信息系统一般可分成三部 分：一是满足管理要求的管理信息系统；二是满足医疗要求的医疗信息系统；三是满足 决策需求的决策支持系统。 在长春市妇产医院信息系统开发过程中我们采用的设计理念是采用三层开发模型： 第一层是企业级0 a ；第二层是医疗过程信息化管理系；第三层是决策支持层。通过实 现这个模型开发的医院信息系统更好的满足的了长春妇产医院的实际需要。 为了提供更科学的决策支持，本文论述了将模糊技术与时间序列分析相结合的方法， 在解决实际问题中以期有所改善。 1 1 医院信息系统介绍 第一章医院信息系统介绍 1 1 1 医院信息系统( h i s ) 的定义 医院信息系统一h i s ( h o s p i t a li n f 0 加a t j o ns y s t e m ，h i s ) 一般指基于计算机处理的 医院医疗和管理系统。自从医院信息学诞生以来，h i s 的研究开发一直是医药信息学的 主导方向。医药信息学这一名词首先由世界医药信恩学大会提出，并己为国际学术界所 接受。n 7 3 现代医院是从病人护理治疗到临床研究、从药物生产供给到资金营理、从营养配餐 到教育培训的多功能组织体系。医院最基本的功能就是通过检验、诊断等各种手段获取 病人疾病信息，并对其信息进行加工、整理、分析以制订治疗方案，然后通过药物、手 术、放射、营养等方法进行综合治疗。一般认为，医院8 0 的活动是与病人信息的获取、 分析、处理和决策有关的。现代医院的h i s 是多层次多功能的复杂系统，这也是h i s 至今没有一个公认定义的原因之一。 医院信息系统( h o s p i t a li i l f o 册a t i o ns y s t 锄，h i s ) 在国际学术界已公认为新兴的医学 信息学( m e d i c a li n f o m l a t i c s ) 的重要分支。美国该领域的著名教授一m o r r i s c o l l e n 于1 9 8 8 年为医院信息系统下了如下定义：利用电子计算机和通讯设备，为医院所属各部门提供病 人诊疗信息和行政管理信息的收集、存储、处理、提取和数据交换的能力，并满足所有 授权用户的功能需求。 h a ii 为h i s 给出了一个技术意义上的定义：“h i s 是一个基于计算机的系统，该 系统接收和维护有关病人的数据，并从这些数据中产生用于病人治疗、医院管理和医学 研究的信息，提供最优医疗资源配置的决策和支持。 h u e t 则给出了h i s 基于信息学的定义：“h i s 是一个基于医院医疗和医院管理信 息的系统，该系统进行与医院目标相关的信息存贮、转换和加工处理。” 国内一些学者认为h i s 是收集病人在诊疗、护理、保健及医院人、财、物力的资料 和数据，加以分析、处理和维护，以利于医院管理和服务的自动化系统。 不管h i s 如何定义，一般意义的h i s 应包括医院病人管理、药品管理、病案管理、 财务管理、检验数据处理、病人营养和护理、人事管理等功能：从系统的纵向功能看， 则应包括广泛的数据收集、信息提取和分析控制，支持医院医疗、行政事务管理、临床 教学和科研，并最终支持医院管理决策，以提高医疗水平和经济效益。 总之，h i s 是以现代信息科学为基础，并涉及医学科学、语言学、管理科学、决策 科学等学科的一门边缘科学。随着现代信息科学如信息、网络技术、人工智能技术的发 2 展，以及上述这些相关学科的进步，h i s 的概念范畴及其技术实现手段也将不断扩充、 更新。 1 1 2 医院信息系统的形成和发展 医院信息系统( h i s ) 是计算机技术、通信技术和管理科学在医院信息管理中的应 用，是计算机技术对医院管理、临床医学、医院信息管理长期影响、渗透以及相互结合 的产物。它与医院建设和医学科学技术的发展同步。从其内容、方式和规模来看，医院 信息系统的发展过程大体上可分为四个阶段。第一阶段是相对独立的、单个项目的信息 管理；第二阶段是多个项目的综合信息管理；第三阶段是医院各部门共享的信息系统， 以上三个阶段主要着眼于医院管理信息及其管理；第四个阶段是大规模一体化的医院信 息系统，既面向管理，又面向医疗。 在国外，6 0 年代初美国少数医院引进大型计算机应用于医院管理，主要是以整个 医院为对象进行数据处理，对耗费时间的一般业务实行自动化，如会计、科研病案、具 体事务管理等。由于计算机不仅价格高，处理功能低，而且专业技术人员和软件数量极 少，影响了计算机在医院信息管理中的应用。进入7 0 年代，廉价的小型机迅速普及， 发达国家多数医院大量引进使用，主要内容是以医疗信息的记录、贮存、传递、检索为 中心，使医院各部门均应用计算机进行信息管理。不少医院建成了各部门之间的信息可 以共享的计算机网络化的医院信息系统。到了8 0 年代，由于价廉物美且功能较强的微 型计算机和微型计算机局部网络、用于数据处理的高速计算机和用于数据贮存的大容量 磁盘和光盘等出现，使计算机网络化的信息系统费用大幅度下降，从而大大促进了医院 信息系统的推广应用和发展。8 0 年代后期以来，医院信息系统的开发、应用，经过3 0 年的艰辛历程之后，正向广度和深度发展，达到了前所未有的新高度、新水平。这主要 表现在建立大规模一体化的医院信息系统，并形成计算机区域网络，这不仅包括一般信 息管理的内容，还包括以计算机化的病人病历( 也d q 电子病历，c o m p u t e r - b a s e d p a t i e n t r e c o r d ，简称c p r ) 、医学图像档案管理和通信系统( p i c t u r ea c h i e v i n 2a n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，简称p a c s ) 为核心的临床信息系统( c l i n i c a li n f o 衄a t i o ns y s t e m ，简称c i s ) ， 以及管理和医疗上的决策支持系统、医学专家系统、图书情报检索系统、远程医疗等等。 在中国，计算机在医院中的应用始于7 0 年代，但用于医院信息管理主要是在1 9 8 4 年微型计算机在全国推广应用以后。现已广泛应用于药品、器材、统计、病案首页、人 事、财务等项目的信息管理；许多医院建立了微机局部网络，开发了一些子系统，如门 诊住院收费系统，机关事务处理系统等。较为完整的医院信息系统，目前正在开发研制 和试用。与发达国家相比，中国医院信息系统尚处于落后阶段，但又是在迅速发展之中。 目前全国医院广泛采用计算机建立医院信息系统的呼声越来越广泛与强烈。一方面，医 院要强化自身的管理，医院的管理决策需要完整可靠信息的支持，临床医疗、护理以及 教学、科研也需要有效的信息系统的支持：另一方面，随着改革开放的进展，医疗卫生 制度的改革将把病人医院的二元关系，改变为病人医院保险政府监督 的多元关系，这对医院管理现代化提出了更高的要求。大量的有关病人的诊断、治疗、 用药、资源消耗等信息，不仅要在医院内部而且要在社会的许多部门之间流通、传递， 提供及时和可靠的病人数据，这就要求建立广域医疗信息网络，而各个医院的信息系统 是这个广域网络的基础。 1 1 3 医院信息系统的组成 一个完整的医院信息系统，一般应该包括医院管理信息系统和临床医疗信息系统两 部分。 医院管理信息系统( h m i s ) 的主要目标是支持医院的行政管理与事务处理业务，减轻 事务处理人员的劳动强度，辅助医院管理，提高医院的工作效率 临床信息系统( c i s ) 的主要目标是支持医院医护人员的临床活动，收集和处理病人的 临床医疗信息，丰富和积累临床医学知识，并提供临床咨询、辅助诊疗、辅助临床决策，提 高医护人员的工作效率，为病人提供更多、更快、更好的服务。 从功能上看，医院信息系统一般可分成三部分：一是满足管理要求的管理信息系统； 二是满足医疗要求的医疗信息系统：三是满足决策需求的决策支持系统( d s s ) 。各分 系统又可划分为若干予系统。 1 1 4 长春妇产医院h i s 系统设计理念 由于长春妇产医院h i s 系统开发的目标要求实现企业级管理，所以h i s 系统开发架 构确定为三层，如下图 图1 1 长春市妇产科医院h i s 总体结构图 传统h i s 系统只强调医疗过程信息化管理系统层而忽略了企业级o a 与d s s 层， 但医疗单位的企业化转型已成趋势所以在我的开发架构中强调了企业级0 a 层的作用， 并增加了第三层d s s 目的是更好的向妇产医院领导层提供决策支持。企业q a 是实现 企业级管理的最根本前提，我们在系统开发时已经充分考虑妇产医院的具体情况，实现 功能绝对可满足企业级管理的所有需要；医疗过程信息化管理系统是根据产院的医疗特 性的实际需要而设计的，是妇产医院所有专业工作的重心；d s s 层是向妇产医院的决策 4 者服务属于管理帮助，解决妇产医院在从事业单位向企业单位转型过程中遇到的问题。 钔 1 1 5 患者人数预测 企业管理就是企业为了有效地实现预定目标，而对生产经营过程进行计划、组织、 指挥、协调和控制的综合性活动。 企业管理包括： 经营战略与决策，营销管理，生产管理，质量管理，劳动管理， 物资管理，设备管理，财务管理。 不同的企业有不同的企业工作重心，生产加工型企业的工作重心是产品的生产与 加工( 包括研发) ，服务型企业的工作重心向顾客提供满意的服务。 长春妇产医院属于服务型企业，那么它的工作重心是围绕着如何向患者提供优良的 医疗服务而展开的。 向患者提供医疗服务时涉及到：医生的诊治、护士的护理、药品的使用、设备的 使用和床位的分配。要很好的完成这些工作就要对某一特定时期内来就诊的人数有一个 较为准确的预测，因为患者引发产院的所有工作，只有掌握前来就诊的患者人数决策支 持系统才能合理、科学的安排产院的所有工作，包括对医生和护士的排班，药品和设备 的采买。 图1 2 妇产医院工作重心 科学的管理依赖于科学的决策，科学的决策依赖于科学的数据处理，因此对于决策 支持系统来说，数据采集与处理工作是保证所有决策决定科学性的第一步。“” 本文研究的重点是应用模糊技术与时间序列分析技术对长春妇产医院人数进行预 测，从而使得d s s 系统更准确合理的工作。 本文研究的主要内容包括以下几点： 1 讨论预测系统的相关理论，打下理论基础： 2 讨论并研究时间序列分析方法； 5 3 研究模糊数学相关内容： 4 针对长春妇产医院就诊患者的特点结合模糊技术与时间序列分析提出一个新的 预测模型： 5 进行系统分析与设计并实现而且给出实验结果。 6 2 1 预测系统模型 2 1 1 预测定义 第二章预测系统组成 预测是一种预计与推测。所谓推测，就是根据已知事件去推测未知事件，根据过去 和现在推测未来。在现实生活中，人们的已知仅限于过去和现在。因此，实践、实验、 统计数据等等都是过去和现在的已知事件。预测就是根据这些已知通过科学的分析来研 究未来的未知。这里所讲的预测仅指对目前尚未发生的事件的推测。只有在事件未发生 之前做出的推测才能叫预测。“3 3 2 1 2 预测的原理 预测是根据事物发展的规律判断未来。任何事物的发展都有一定的规律性。不确定 性事件也不例外。从绝对的意义上来说，事件的客观规律是一种完整的东西。但是，人 们不可能一下子全认识，只能在一定时间、地点，条件下相对地认识其近似规律。有了 近似规律，才能根据它判断未来。如果找不到规律，就没有预测可言。 怎样去寻找这个规律呢? 通过调查研究，按照一定的要求收集原始资料，并按照一定的 科学分析方法对原始资料加工整理、去伪存真、去粗取精，研究出已知中的真实情况， 排除那些有据可查的不实之处，排除那些意外的影响，分析出真实情况中的演变规律。 但是，这种演变规律还不能用预测，因为不是任何一种演变规律都有预测意义，只有那 些能代表或说明未来的演变规律才能用于预测，这种规律才称为预测规律。这是因为， 对同一个预测内容来说，如果从不同渠道收集历史数据和用不同处理历史数据，就可能 得到多种演变规律。究竟用哪种演变规律来预测呢? 这要经过进一步研究或实验，经过 反复的数据处理和有经验的主观判断才能确定。“” 综上所述，预测的原理可以简单地概括为： 调 查 研 究 预测技术 预测信息 - ( 方法) 预测分析 ( 理论) 图2 1 预测原理 7 预 预测规律 测 - ( 模型) ，应 用 2 1 3 预测的对象 预测的内容称为预测对象。例如，某种产品的产量，社会需求量、利润和经济效益 等等，都是预测对象。 预测既然是对未来事件的推测，那么预测对象就是一种不确定性事件( 现象) 。这 种不确定性事件在未来的时间上就存在着多种可能性：可能发生、可能不发生、可能发 生的机会多一些、可能发生的机会少一些。如果研究的预测对象不是一种不确定性事件， 而是一种确定性事件，那么在未来的时河上不存在多种可能性，只存在一种必然发生的 可能性，那么，预测研究这样的内容是毫无意义的。 2 1 4 预测的认识过程 迄今为止对于预测的认识大致可分为两个阶段： 第一个阶段是直观的朴素的，人们认为只要能够收集和处理足够的系统信息，就可 以对系统的未来做出精确的预测，随机性的引入仅仅是为了弥补人类对于系统的不完整 认识。1 8 世纪法国数学家拉普拉斯宣称，如果已知宇宙中每一个粒子的位置和速度，他 就可以预测整个宇宙未来的状态。第二阶段是和量子力学的产生紧密联系在一起的。在 量子力学中有一条基本原理一海森堡的测不准定理。其核心内容是人们对粒子的位 置和速度的测量有一个基本的限度。这条微观领域内的原理使人们认识到，依赖收集“足 够”的信息来对系统的未来进行精确的预测是不可能的。这说明，随机性的产生不仅仅 是由所观测的系统信息的不完整所造成的。后人们通过对天气现象和液体力学的研究发 现，对于一些系统，初始条件的变化便可以导致系统后来剧烈的变动。这就是所谓的混 沌现象。“蝴蝶效应”就是混沌的一种形象说明。人们认识到，很多时候系统内部的不确 定性使得我们无法对其未来状态做出精确的预测。 另一方面，在对任何物理系统进行观测时，实际上存在着不可避免的测量误差。由 于，我们所能描述的系统状态不是在一个点上，而是在系统状态空间中的一个区域内。 再若系统本身的结构比较复杂，具有非线性和混沌性质，那么我们就只能对系统未来的 状态做出基于区域的预测如果系统在整体上呈现了混沌的特征，对于系统我们只能作局 部、区域性的预测，全局普适的模型基本上已经不再适用。 根据上面的分析可知，随着系统复杂度的增加，对系统进行完全意义上的预测已不 可能并且无意义，对于时序进行局部和片段性预测较为合适。事实上，当前的时序分析 技术仍是从拟合的观点出发，试图建立模型来对时序的未来做出点预测。这用于解决复 杂系统的时序预测是不合适的，需要探索新的时序分析的思路和方法。 2 1 5 预测误差 必须强调，预测规律，还不是客观规律。因为预测规律是根据过去和现在的已知确 定的，所以，用预测规律判断未来肯定是有误差的。而且，即使是正确的预测，未来也 不会按某一种趋势永远发展下去，肯定会向上或向下出现趋向误差范围的趋势变化，即 转折点。如果预测不当，没有预测出转折点，可能造成预测的失败。转折点，是一种需 要研究的战略问题。因此，预测不仅要研究反映历史的演变规律( 预测规律) ，更重要 的是还要研究应用预测规律去处理预测时的误差范围和可能出现的转折点。预测难度在 于如何处理预测的误差范围和转折点，使预测规律更好地反映或接近客观规律。 预测系统动态过程分析图： 从图2 2 可以看出，预测研究的过程由彼此紧密联系的三个基本部分组成。 第一部分是预测的基础理论部分，它包括预测研究的理论基础和方法论基础。对于 预测系统，研究它运动、变化、发展的基础理论与方法论。 第二部分是预测技术、方法与手段，是在基础理论指导下，对预测对象的具体事件 进行预测的整个过程，它包括：根据系统的“同态性原理”建立预测事件的“同态模 型”；这一模型必须满足由“边界性原理”确定的“价值准则”；建立同态模型所需的 信息是由“信息性原理”确定的系统的大量内、外信息；应用“随机性原理”与“约束 性原理”将“同态模型”转化为“预测模型”，而这种“预测模型”可有多种形式。如 实物模型、系统模型、图模型、各种模拟模型( 电子模型、计算机模型等) 以及各种数 学模型( 指数曲线预测模型、多项式预测模型等) 等等。 第三个组成部分是“预测结果”，预测结果是对预测对象所得到的事件的未来信 息，获得预测结果是预测系统所要达到的主要目的。在对预测结果进行必要的准确性估 计与评价之后，就将其输入到决策系统中去，作为决策系统进行决策时的科学依据之一。 9 图2 2 预测系统动态过程分析图 1 0 2 2 预测方法介绍 根据各种预测方法的特点和属性，我们认为，各种常用的预测方法可以分为定性预 测，定量预测及模型预测三大类。由于此种分类使用比较普遍，故称为常用分类法。 l ，定性预测( 直观预测) 类 此类预测方法，是指依靠人的直观判断能力对预测事件的未来状况进行直观判断的 方法，故亦可称为直观判断预测法。顾名思义，定性预测主要是对预测事件未来状 况做出性质上的判断，而不着重考虑其量的变化情况。预测方法虽有多种，但是， 终究不能排斥人的直观判断能力。人的直观判断，不仅在预测中特别是决策中，占 有十分重要的地位。 2 约束外推类 此类预测方法多用于时间序列的预测。所谓约束外推，是指在一个系统大量随机现 象中求得一定的约束条件即规律，据此规律推断该系统未来状况的方法。如单纯外 推法、趋势外推法、送代外推法、移动平均法、指数平滑法等。这里所说的“外推” 应是广义的，它应包括“内插”即内推。此类方法在各种预测中应用十分广泛，因 此，在预测研究中占有相当重要的地位。 3 模拟模型类 此类预测方法，是指根据“同态性原理”建立起预测事件的同态模型，并将这些模 型进一步数学形式化，然后再根据“边界性原理”确定预测事件的边值条件，进而 确定未来状态与现时状态之间的数量关系。如回归分析与相关分析、最小二乘法、 联立方程法、弹性系数法等。此类预测方法在预测研究中也相当重要。 现将上述三类预测方法及主要应用对象如下图： 1 1 2 3 时间序列分析方法 图2 3 常用预测方法 2 3 1 时间序列分析的一般问题 从统计意义上讲，所谓时间序列就是将某一个指标在不同时问上的不同数值，按照 时间的先后顺序排列而成的数列。这种数列由于受到各种偶然因素的影响，往往表现出 某种随机性，彼此之间存在着统计上的依赖关系。“1 从数学意义上讲，如果我们对某一过程中的某一个变量或一组变量x ( t ) 进行观察 测量，在一系列时刻t 1 ，t 2 ，t 。( t 为自变量，且1 t 2 t 。) 得到的离散有序数集合 x t l ，x 2 ，一x t i xt 。称为离散时间序列，即随机过程的一次样本实现。设x ( t ：t t ) 是一 个随机过程，x t i ( i = 1 ，2 ，) 是在时刻i 对过程x ( t ) 的观察值，则x h ( i = 1 ，2 ，) 称为 一次样本实现，也就是一个时间序列。 从系统意义上讲，时间序列就是某一系统在不同时间( 地点、条件等) 的响应。这 个定义从系统运行的观点出发，不仅指出时间序列是按一定顺序排列而成的：这里的一 定顺序”可以是时间顺序，也可以是具有各种不同意义的物理量，如代表温度，速度或 其它单调递增地取值的物理量。可见，时间序列只强调顺序的重要性，而并非强调必须 以时间j | 哽序排歹0 。 综上所述，时间序列具有如下特点： 首先，序列中的数据或数据点的位置依赖于时间，即数据的取值依赖于时间的变化， 但不一定时间t 的严格函数。 其次，每一时刻上的取值或数据点的位置具有一定的随机性，不可能完全准确地用 历史值预测。 再次，前后时刻( 不一定是相邻时刻) 的数值或数据点的位置有一定的相关性， 这种相关性就是系统的动态规律性。 最后，从整体上看，时间序列往往呈现某种趋势性或出现周期性变化的现象。 不论是经济领域中每年的产值、国民收入、某一商品在某一市场上的销量、某一商 品在某一市场上的价格变动等，或是社会领域中某一地区的人口数、医院患者人数、铁 路客流量等，还是自然领域的太阳黑子数、月降水量、河流流量等等，都形成了一个时 问序列。所有这些序列的基本点就是每一个序列包含了产生该序列的系统的历史行为的 全部信息。问题就在于怎样才能根据这些时间序列，较精确地找出相应系统的内在统计 特性和发展规律性，尽可能多地从中提取我们所需要的准确信息。用来实现上述目的的 整个方法称为时间序列分析。它是一种根据动态数据揭示系统动态结构和规律的统计方 法，是统计学科的一个分支。其基本思想是根据系统的有限长度的运行记录( 观察数据) ， 建立能够比较精确地反映时间序列中所包含的动态依存关系的数学模型，并借以对系统 的未来行为进行预测。 2 3 2 时间序列分析常用方法 1 移动平均法 设预测序列为y 1 ，y t ，正整数n t 。 m i 【1 = 1 n ( y l + y t 1 + + y t n + 1 ) = 1 n ( y t 一1 + + y 1 n ) + 1 n ( y t y b n ) = m i _ 1 1 + 1 n ( y t y l - n ) 二次移动平均值计算公式为： m t ( 2 ) = 1 n ( m t ( 1 ) + + m h n + 1 ( 1 ) ) = m t _ 1 ( 2 ) + 1 n ( m t ( 一m b n ( 1 ) ) 一次移动平均值计算公式为 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 当预测目标的基本趋势是在某一水平上上下下波动时，可用一次移动平均方法建立 预测模型： y t + m = m t ( 1 ) = 1 n ( y t + y t 一1 + + y t n + 1 ) ， m = 1 ，2 ， ( 2 3 ) 它表明最近n 期序列值的平均值作为未来各期的预测结果。一般n 取值范围：5 n 2 0 0 。 当历史序列的基本趋势变化不大且序列中随机变动成分较多时，n 的取值应该较大一些。 否则n 的取值应小一些。在有确定的季节变动周期的资料中，移动平均的项数应取周期 长度。选择最佳n 值的一个有效方法是，比较若干模型的预测误差。均方预测误差最小 者为好。 当预测目标的基本趋势与某一线性模型相吻合时，常用二次移动平均法，但序列同 时存在线性趋势与周期波动时，可用趋势移动平均法建立预测模型： y r + m = a t + b l m ，m = 1 ，2 ， 其中： a t = 2 m t ( ”一m t ( 2 ) b t = 2 ( m t ( n m t ( 2 】) ( n 1 ) 上述移动平均法在数据处理中常用它作为预处理，消除周期波动( 取n 为周期长度) 和 减弱随机干扰的影响往往是有效的。 2 指数平滑法 一次移动平均实际上认为最近n 期数据对未来值影响相同，都加权1 n ；而n 期以前 的数据对未来值没有影响，加权为0 但是，二次及高次移动平均数的权数却不是1 n ， 且次数越高，权数的结构越复杂，但永远保持对称的权数，即两端项权数小，中间项权 数大，不符合一般系统的动态性。一般说来历史数据对未来值的影响是随时间间隔的增 长而递减的。所以，更切合实际的方法应是对各期观测值依时间顺序进行加权作为预测 值。指数平滑法可满足这一要求，而且具有简单的递推形式。 设预测序列为y l “，”，a 为加权系数，0 a x x 产 学 1 e ，c-、 = 、， x ，l 4 | 八 ，一 图4 2 正态分布 柯西分布 ) 。南b 哪觚徽) 。， 、 图4 3 柯西分布 3 借用领域知识 在经济管理、社会科学中，可以直接借用领域知识和已有的尺度作为模糊集的隶属 度。 根据长春妇产医院的实现情况和长期工作于此的医学专家给出的专家意见，可对孕 妇的分娩时间进行一定的控制。首先，妇产医生的工作原则是保正婴儿在孕妇体内停留 尽量足够的时间，即尽量使时间达到3 8 周以上，因为母体对婴儿来说是最安全的环境； 其次，如果出现特殊情况不能保障达到3 8 周，则须进行刨腹产，对孕妇来说就是早产； 最后，如果婴儿在母体达到正常时间，还没有进行生产，则采取一些先进的促产医疗处 置，因为婴儿在母体停留时间过长，母体的生理环境对婴儿不好。 根据以上领域知识，可以得到一个结论就是在实际情况中尽量保障婴儿在母体停留 足够长的时间，而且尽量不出现过期产的情况。所以在进行确定隶属度过程中可以只考 虑早产发生的可能性对单位时间内工作量的影响就可以了。对隶属度建模初始，参考了 正态分布模型和柯西分布模型的下半降函数，但是由这二种模型的收敛速度太快运用到 实际当中根本不能满足实际需要。所以根据妇产医院长期的工作实际情况，模拟出了附 和实际情况的隶属度函数。 如果我以某一个工作日为例，来预测这一工作日的工作量，我们可以如果下处理： 首先，提取这一工作日以前的4 0 周的所有就诊的患者数量。 其次，立三个标志性时间，即前4 0 周、前3 8 周、前2 8 周，如果图4 4 。 刖日u 43 08 周周 前 2 8 周 工 作 日 图4 4 参考时间图 最后，对这两段的患者数量进行模糊处理。根据妇产医学知识以及长春妇产医院多 年实际工作情况可知从前2 8 周到当前预测工作日孕妇分娩的可能近似于0 ，而前4 0 周 到3 8 周之间的孕妇的分娩的可能性最大为8 5 以上，最后从前3 8 周到前2 8 周孕妇分 娩的可性是急剧下降的，从而结合以上领域知识可以得到如图4 5 的一个模糊隶属度函 数。 隶属度函数 0l o2 03 04 05 06 07 08 09 0 图4 5 隶属度函数图 若f u z z y s u b ( x ) 为隶属度函数，则经过模糊处理后的时间序列分析如下式： 1 8 6 4 2 o o 0 o o 驴a 磊( 1 哪) j 呦蚴( x t ” 巧 其中s i p 为一具体工作日的工作量即为预测值，口为加权系数，x 。为时间序列。 这一模型真正附合实际情况，在长春妇产医院以保障孕妇和新生儿健康的工作宗旨下， 足月产的发生的可能性是最大的，尽量不使孕妇发生过期产的情况与早产的情况。模型 中隶属度函数的引入不仅仅是时间序列值的一种加权过程，而是通隶属度函数来解决孕 妇在不同时间段分娩的不确定性，而且在一定程度上有效克服系统存在滞后所造成的影 响。 第五章基于面向对象的系统开发 5 1 开发平台介绍 2 0 0 0 年6 月，m i c r o s o f t 推出了”m i c r o s o f t n e t 下一代互联网软件和服务战略”，引 起i t 行业的广泛关注。2 0 0 0 年9 月，m i c r o s o f t 在旧金山发布了e n t e r p r i s e2 0 0 0 。同月， m i c r o s o f t 原总裁兼首席执行官鲍尔默来到中国就”下一代互联网”的主题进行演讲，在 中国掀起了一股”n e t 旋风”。2 0 0 0 年1 1 月，m i c r o s o f t 在c o m d e x 计算机大展上发布了 v i s u a ls t u d i o n e t 软件，并展示了其n e t 发展战略的框架体系和开发工具的相关特性， 全面加速了m i c r o s o f t 以n e t 技术进军市场的步伐。 作为n e t 的最新特性组成部分，m i c r o s o f t n e tf r 硼e w o r k 是一个用于构建，部署 和运行w e b 服务及应用程序的平台。它为将现有投资与下一代应用程序和服务的集成提 供了高产的，基于标准的，多语言环境，同时它还用于解决i n t e r n e t 级应用程序的部署 和操作问题。n e t 框架包含三个主要部分：公共语言运行时，一组层次化的统一的类库， 及组件化版本的动态服务器主页( 称为a s p n e t ) 。 公共语言运行时( c l r ) 简介： n e t 应用软件被编译到众所周知的m i c r o s o f t 中间语言( m i l 或者i l ) 这一公共语 言。c l r 处理将i l 编译成机器语言，在这时程序被执行。c l r 体系结构有以下几个优点： 更少的涉及内部测量 广阔的工具支持 更简单的配置( “d l lh e l l ”结束) 更精确的尺度 支持多种编程语言 拥有一个公共数据类型系统 c l r 允许开发组在一个项目中运用多种语言，而且这些语言都能在一起工作。因为 元数据额外的处理了所有的翻译，所以不需要接口定义语言。用于开发n e tf r a i i l e w o r k 的语言有v i s u a lc # 、v b n e t 和c 什托管扩展( m a n a g e de x t e n s i o n sf o rc + + ) 等。其中c # 是开发n e t 的元语言，而c + + 托管扩展是在c + + 基础上建立起来的，用来为v i s u a lc + + 程 序员开发n e t 框架应用程序而设计。 选用语言介绍： 1 、c # 语言是一门简单，现代，优雅，面向对象，类型安全，平台独立的一门新型 组件编程语言。其语法风格源自c c + + 家族，融合了v i s u a lb a s i c 的高效和c c + + 强大， 是微软为奠定其下一互联网霸主地位而打造的m i c r o s o f t n e t 平台的主流语言。其一经 推出便以其强大的操作能力，优雅的语法风格，创新的语言特性，第一等的面向组件编 程的支持而深受世界各地程序员的好评和喜爱。c # 语言已由欧洲计算机制造商协会 ( e c m a ) 标准化( s t a n d ”de c m a 一3 3 4c # l a n g u a g es p e c i f i c a t i o n 3 r de d i t i o n ( j u n e 2 0 0 5 ) ) ，经过标准化后的c # 将可由任何厂商在任何平台上实现其开发工具及其支持软 件，这为c # 的发展提供了强大的驱动力。c # 字符编码采用了u n i c 码，保证了对汉字处理 的正确性。 2 、托管是n e t 的一个专门概念，它是融于通用语言运行时( c l r ) 中的一种新的编程 理念，因此我们完全可以把”托管”视为”n e t ”。通用语言运行时是n e t 框架应用程序 的执行引挚。它提供了许多服务，其中包括：代码管理( 装入和执行) 、类型安全性验证、 元数据( 高级类型信息) 访问、为管理对象管理内存、管理代码，c o m 对象和预生成的 d l l s ( 非管理代码和数据) 的交互操作性、对开发人员服务的支持等等。 也就是说，使用托管c + + 意味着，我们的代码可以被c l r 所管理，并能开发出具有最 新特性如垃圾自动收集、程序间相互访问等的n e t 框架应用程序。托管c + + 的数据类型 更加丰富，不仅包含了标准c + + 中的数据类型，而且新增了一i n t 6 4 ( 6 4 位整型) 、 d e c i m a l ( 9 6 位十进制数) 、s t r i n g ( 字符串类型) 和o b j e c t 牛( 对象类型) 等类型。使用c + + 托管扩展，可以通过使用一g c 关键字或通过包含托管类型来声明一g c 数组，这些数 组支持多维，动态分配空间。 5 2h i s 预测系统分析与设计 在面向对象方法中从面向对象分析到面向对象设计是系统模型的一个逐渐扩充的 过程。系统分析与设计是管理信息系统开发过程中两个不同的阶段，并承担着不同的任 务。系统分析阶段的主要任务是明确用户主要的需求，确定系统要解决的问题和要实现 的目标。 面向对象分析在问题空间建立了包含五个层次( 主体层、对象层、结构层、属性层 和服务层) 的系统逻辑模型。面向对象设计的任务是在分析的基础上，根据系统功能和 用户操作使用方面的需求以及技术、经济和运行环境等方面的条件，继续运用面向对象 的基本思想，进一步细化、改进和扩展上述五个层次的模型，以确立系统物理实现的技 术方案，即建立系统的物理模型。 面向对象设计模型由五个层次和四个部分组成，五个层次与面向对象分析一致，四 个部分分别为：问题空间部分，人机交互部分，任务管理部分和数据管理部分。 在本系统的物理实现