汪永偉,劉育楠,趙榮彩,常德顯,邱 衛(wèi)
WANG Yongwei1,2,LIU Yunan1,2,ZHAO Rongcai1,CHANG Dexian1,2,QIU Wei1,2
1.信息工程大學(xué),鄭州450004
2.河南省信息安全重點實驗室,鄭州450004
1.Information Engineering University,Zhengzhou 450004,China
2.Henan Key Laboratory of Information Security,Zhengzhou 450004,China
態(tài)勢預(yù)測是網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知的必要環(huán)節(jié),能夠檢驗安全措施的有效性,并對網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)的發(fā)展趨勢進行事前預(yù)判、“防患于未然”。因此,態(tài)勢預(yù)測已經(jīng)成為態(tài)勢感知領(lǐng)域的研究熱點之一。
當(dāng)前,態(tài)勢預(yù)測研究已取得了一定的研究成果。王慧強等人提出了基于遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的態(tài)勢預(yù)測方法[1]。李松等人提出了采用粒子群算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值進行優(yōu)化,獲得最優(yōu)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行預(yù)測的方法[2]。程緒超等人提出了采用多目標優(yōu)化算法改進Elman 網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法[3]。李彩虹等人提出了使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對誤差進行校正的組合預(yù)測方法[4]。Yan 等人提出了基于相對誤差求最優(yōu)權(quán)重組合的預(yù)測方法[5]。Xu 等人提出了通過構(gòu)建相對誤差矩陣和線性方程求解最優(yōu)組合模型的預(yù)測方法[6]。Zheng 等人提出了利用信息熵權(quán)法構(gòu)建組合模型權(quán)重的方法[7]。
分析現(xiàn)有的研究工作可以看出,現(xiàn)有預(yù)測模型研究主要包括兩大類:單一預(yù)測模型和組合預(yù)測模型。由于單一預(yù)測模型都是針對曲線的某種特征而設(shè)計的,因此,前一種態(tài)勢預(yù)測方法僅能做到對某種特質(zhì)的態(tài)勢曲線的高精度預(yù)測,在應(yīng)用上具有一定的局限性;第二種預(yù)測模型的思路清晰,預(yù)測模型的適應(yīng)性也更強?,F(xiàn)有的組合模型中,組合權(quán)重都是依據(jù)誤差精度進行調(diào)整,即依據(jù)單指標建立組合模型。然而,在一些情況下,誤差精度指標不能全面反映預(yù)測子模型的性能優(yōu)劣程度。如,在平均誤差相同的情況下,預(yù)測子模型的誤差分布可能會有較大差異,依據(jù)不均勻誤差分布而建立的組合模型在預(yù)測性能上會表現(xiàn)出極大的不確定性;此外,態(tài)勢曲線的變化趨勢也是影響預(yù)測精度的重要因素。現(xiàn)有組合模型對上述因素尚未給予充分考慮。
針對上述問題,本文提出一種基于證據(jù)理論優(yōu)化的態(tài)勢組合預(yù)測模型(Situation Forecast Model based on Evidence Theory Optimization,SFM_ETO)。SFM_ETO模型首先對參與組合預(yù)測的各子模型進行訓(xùn)練,獲得各子模型的多指標性能評價;然后利用證據(jù)理論對多指標權(quán)重進行融合,獲得最優(yōu)的初始權(quán)重組合;在組合預(yù)測完成后,再次利用證據(jù)理論對指標權(quán)重進行折扣,強化高可信指標對權(quán)重分配的作用,弱化低可信指標對權(quán)重分配的影響,從而優(yōu)化組合模型。
網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢隨時間并未表現(xiàn)出顯著的規(guī)律性特征,在某些情況下表現(xiàn)平穩(wěn),在另外一些情況下則表現(xiàn)出周期變化或隨機變化,因此,只用一種模型很難精確地刻畫預(yù)測過程[8-9]。本文將能夠精確刻畫不同特征曲線的典型態(tài)勢預(yù)測模型進行綜合,試圖利用不同模型各自在態(tài)勢預(yù)測上的優(yōu)勢,取長補短,從而獲得更為精確的預(yù)測結(jié)果。證據(jù)理論具有較強的多目標融合決策能力,能夠?qū)崿F(xiàn)綜合多源信息,獲得更為精確的決策。因此,本文提出一種基于證據(jù)理論優(yōu)化的態(tài)勢預(yù)測模型SFM_ETO。該模型分為四個階段:訓(xùn)練準備、權(quán)重融合、組合預(yù)測和優(yōu)化演進。SFM_ETO 模型的工作過程如圖1 所示。
階段1訓(xùn)練準備
對組合模型的子模型進行訓(xùn)練,獲得態(tài)勢預(yù)測子模型的參數(shù)、評價指標和權(quán)重分配。
階段2權(quán)重融合
基于證據(jù)理論對獲得的多重評價指標進行權(quán)重融合,獲得初始的最優(yōu)組合權(quán)重。
階段3組合預(yù)測
利用組合預(yù)測算法對態(tài)勢進行預(yù)測。
階段4優(yōu)化演進
基于證據(jù)理論對組合權(quán)重和評價指標進行優(yōu)化,強化高可信度指標在預(yù)測模型評價和權(quán)重分配過程中的作用,降低可信度較低的指標對權(quán)重決策的不利影響。
基于2.1 的分析,SFM_ETO 模型將態(tài)勢分為平穩(wěn)變化量、周期變化量和隨機變化量。本文選擇二次指數(shù)平滑法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和ARIMA 三種模型用于分別刻畫這三種分量。
2.2.1 二次指數(shù)平滑法
二次指數(shù)平滑法由布朗(Robert G.Brown)提出,是時間序列平滑法的一種[10]。其基本思想是:時間序列的變化態(tài)勢具有穩(wěn)定性或規(guī)則性,所以時間序列可被合理地順勢推延,可以將其作為下一期預(yù)測的基礎(chǔ)。二次指數(shù)平滑法強調(diào)近期數(shù)據(jù)對預(yù)測值的作用,適用于預(yù)測變化不大、變動較為平滑的數(shù)據(jù)。
2.2.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型
BP(Back Propagation)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采用誤差反傳算法作為其學(xué)習(xí)算法的前饋網(wǎng)絡(luò)[11]。其基本思想是:BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由輸入層、輸出層和隱含層構(gòu)成,層與層之間的神經(jīng)采用全互連的連接方式,通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)相互聯(lián)系,每層內(nèi)的神經(jīng)元之間沒有連接。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的自適應(yīng)性、自學(xué)習(xí)能力和抗干擾能力強,適用于預(yù)測有周期性特征的數(shù)據(jù)。
2.2.3 ARIMA 預(yù)測模型
ARIMA 模型全稱為自回歸移動平均模型(Autoregressive Integrated Moving Average Model,ARIMA)[12]。其基本思想是:首先對時間序列做平穩(wěn)性檢驗;對非平穩(wěn)時間序列進行差分使其轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)序列,需要的差分次數(shù)就是參數(shù)d;然后,對ARIMA 的自回歸項p和移動平均項q進行識別;最后,建立ARIMA 模型對時間序列進行預(yù)測[9]。ARIMA 模型對噪音數(shù)據(jù)有很強的預(yù)測能力,適用于具有非周期性、突變特征的數(shù)據(jù)預(yù)測。
圖1 基于證據(jù)理論優(yōu)化的態(tài)勢預(yù)測模型
圖2 態(tài)勢預(yù)測訓(xùn)練樣本集
2.3.1 樣本集獲取
SFM_ETO 模型采用滑動窗口動態(tài)生成樣本集。假設(shè)已采集的態(tài)勢樣本序列為a1,a2,…,an,預(yù)測輸入滑動窗口大小為LWin,預(yù)測輸出滑動窗口為LWout,則第1條訓(xùn)練樣本為。預(yù)測輸入滑動窗口和預(yù)測輸出滑動窗口依次向右滑動,完成樣本集構(gòu)建。樣本集的構(gòu)建過程如圖2 所示。
2.3.2 評價指標與權(quán)重分配
2.3.2.1 基于相對誤差的權(quán)重分配
態(tài)勢預(yù)測一般使用誤差來描述預(yù)測模型的精度[4],下面給出相關(guān)定義。
定義1絕對誤差(Absolute Error,AE)
其中,pi表示預(yù)測輸出值,ai表示實際輸出值。
定義2平均絕對誤差(Mean Absolute Error,MAE)
絕對誤差的平均值稱為平均絕對誤差,表示為:
定義3相對誤差(Absolute Percent Error,APE)
相對誤差可用預(yù)測輸出值與實際輸出值之間的相對差值表示。
定義4平均相對誤差(Mean Absolute Percent Error,MAPE)
相對誤差的平均值稱為平均相對誤差,表示為:
EAPE值越大,表明預(yù)測算法的預(yù)測精度越低,在組合預(yù)測算法中應(yīng)為其分配越低的權(quán)重;反之,應(yīng)為其分配越高的權(quán)重。
通過式(4)計算每個預(yù)測算法的相對誤差后,對相對誤差進行歸一化處理,可得每種算法的權(quán)重Ew(Error Weight)。
2.3.2.2 基于趨勢擬合的權(quán)重分配
從數(shù)學(xué)形式上看,可用連續(xù)型時變曲線z=f(t)描述態(tài)勢的演化過程。對態(tài)勢數(shù)據(jù)按照時間間隔τ進行離散采樣,得到由采樣點(tk,zk)所形成的離散型時間序列。如圖3 所示。
圖3 曲線分段擬合
假設(shè),F(xiàn)(i,n)表示從ti時刻開始的由采樣點構(gòu)成的折線子圖。每條線段的斜率gk可表示為:
其中,zk表示tk時刻的態(tài)勢值。依據(jù)式(6)可得預(yù)測曲線的斜率序列(Prediction Serial,PS)和實際曲線的斜率序列(Actual Serial,AS)。
計算PS 與AS 轉(zhuǎn)置的乘積,可得乘積向量MS={Mi,Mi+1,…,Mi+n-1}。即:
向量MS中的元素為正值表示預(yù)測曲線與實際曲線變化趨勢相同,MS中的元素為負值表示預(yù)測曲線與實際曲線變化趨勢相反。MS中的元素為正值的個數(shù),m越大,表明預(yù)測曲線在大多數(shù)時間的變化趨勢與實際曲線相似;反之,m越小,表明預(yù)測曲線在大多數(shù)時間的變化趨勢與實際曲線相反。MS中正值的個數(shù)從某種意義上反映了預(yù)測算法對真實值的預(yù)測能力。
定義5趨勢一致量TCA(Trend Consistent Amount)
預(yù)測序列的趨勢一致量用向量MS中正值個數(shù)來表示。即:
其中,{?Mi|Mi>0}表示乘積向量MS中正值元素所構(gòu)成的集合,|{ ?Mi|Mi>0} |為該正值集合的勢,表示其中元素的個數(shù)。
定義6趨勢擬合度TF(Trend Fitness)
預(yù)測曲線的趨勢擬合度用預(yù)測序列與實際序列中趨勢相同序列個數(shù)與序列的勢之間的比率來表示。
其中,TCA表示乘積向量MS中正值個數(shù),|PS|稱為序列PS 的勢,表示序列PS 中元素的個數(shù)。預(yù)測序列與實際曲線的趨勢擬合度越高,說明預(yù)測算法的預(yù)測精確性高的可能性越大,因此在組合預(yù)測時應(yīng)賦予其較高的組合權(quán)重;反之,在組合預(yù)測時為其分配較低的組合權(quán)重。在獲得每個算法的趨勢擬合度之后,對趨勢擬合度進行歸一化處理,可將其歸一化結(jié)果作為其趨勢擬合權(quán)重Tw(Trend Fitness Weight)。
2.3.2.3 基于信息熵的權(quán)重分配
信息熵標志著所含信息量的多少,是對系統(tǒng)不確定性程度的描述,可以用來衡量信息的不確定性程度[13]。對于一組在[0,1]內(nèi)的且滿足歸一化的數(shù)據(jù),信息熵可以衡量數(shù)據(jù)的集中程度。如果一個信息系統(tǒng)中n個不確定事件,記為x1,x2,…,xn,每個事件的發(fā)生概率記為p1,p2,…,pn,則信息熵的計算公式為:
預(yù)測序列中每個分段的相對誤差構(gòu)成相對誤差序列(Absolute Percent Error Serial,EAPES):
EAPES={EAPES1,EAPES2,…,EAPESn}
根據(jù)信息熵的含義,EAPES序列的信息熵越大,預(yù)測算法對態(tài)勢真實值的擬合越趨于穩(wěn)定,其對態(tài)勢真實曲線的擬合能力越強。因此,能較好地反映預(yù)測算法對目標態(tài)勢曲線的穩(wěn)定、持續(xù)擬合能力。
定義7擬合穩(wěn)定度FS(Fitness Stability)
擬合穩(wěn)定度用MAPES 序列的信息熵來表示。定義如下:
預(yù)測序列與實際曲線的擬合穩(wěn)定度越高,說明預(yù)測算法的持續(xù)精確預(yù)測能力越高,因此,在組合預(yù)測時應(yīng)賦予其較高的組合權(quán)重;反之,應(yīng)為其分配較低的組合權(quán)重。
在獲得每個算法的擬合穩(wěn)定度之后,對擬合穩(wěn)定度進行歸一化處理,可將其歸一化結(jié)果作為其擬合穩(wěn)定性權(quán)重Sw(Fitness Stability Weight)。
證據(jù)理論通過對多源證據(jù)的融合,獲得對命題的一致性描述,降低信息的不確定性[14-15]。在證據(jù)理論中,所有研究對象的全體稱為一個識別框架Θ,證據(jù)理論的核心是Dempster合成規(guī)則[16]。
定義8Dempster合成規(guī)則
設(shè)識別框架Θ 的n個證據(jù)為(E1,E2,…,En),其對應(yīng)的基本信任分配函數(shù)為mi(i=1,2,…,n),則n個證據(jù)組合后的信度分配函數(shù)為:
2.4.1Ew權(quán)重融合
Ewi是采樣序列中第i個采樣點計算的權(quán)重分配,n個采樣點可獲得n組權(quán)重分配。n個采樣的權(quán)重分配可看作是n個專家為不同算法的信任賦值。因此,可以利用證據(jù)理論在不確定性問題處理上的優(yōu)勢,對n個權(quán)重序列進行合成,從而獲得更為精確的Ew權(quán)重分配。
假設(shè),二次指數(shù)平滑、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和ARIMA模型的預(yù)測值為P1,P2,P3,三種模型的權(quán)重分別為w1,w2,w3,識別框架Θ={P1,P2,P3},采樣序列的長度為n,則通過式(17)可將權(quán)值分配轉(zhuǎn)化為信任分配:
將三種權(quán)值分配的結(jié)果轉(zhuǎn)化為信任分配,可獲得相對誤差證據(jù)矩陣Ee:
通過證據(jù)理論的組合公式(16)對矩陣Ee進行融合,可以獲得更為精確的相對誤差權(quán)值Ewc1、Ewc2、Ewc3。
2.4.2 三種權(quán)值分配方案的證據(jù)融合
依據(jù)相對誤差、趨勢擬合度和擬合穩(wěn)定度可以為組合算法模型中的算法賦予不同的權(quán)值序列Ewc1,Ewc2,Ewc3、Tw1,Tw2,Tw3、Sw1,Sw2,Sw3。三種權(quán)值分配方案從不同的角度評價了子模型的預(yù)測精度。類似于Ew的處理,通過式(17)將三種權(quán)值分配結(jié)果轉(zhuǎn)化為信任分配,可得組合權(quán)重證據(jù)矩陣Ec:
通過證據(jù)理論對證據(jù)矩陣Ec進行融合,可以獲得更為精確的權(quán)重分配Fw=(mc1,mc2,mc3)。此時,組合預(yù)測結(jié)果可表示為:
為了后續(xù)描述的方便,后文中將由各指標直接獲取的權(quán)重稱之為指標權(quán)重,將指標權(quán)重證據(jù)理論融合的結(jié)果稱之為組合權(quán)重。
圖4 給出了基于SFM_ETO 的預(yù)測算法(SFM_ETO Algorithm,SFM_ETO_A)的偽碼描述。
圖4 基于SFM_ETO 的態(tài)勢預(yù)測算法
本文采用的相對誤差、擬合一致度和擬合穩(wěn)定度指標對刻畫預(yù)測模型的性能具有一定的普遍性。但是,由于態(tài)勢曲線的變化是不確定的,因此,在一些情況下,某些指標對態(tài)勢曲線的表達會出現(xiàn)較大偏差,從而導(dǎo)致較差的預(yù)測精度。證據(jù)理論一般通過最大信任的方法做出決策,其信任值代表了對決策結(jié)果的支持程度。如果指標權(quán)重的決策結(jié)果與組合權(quán)重的決策結(jié)果一致,且預(yù)測結(jié)果達到精度閾值要求,則說明指標權(quán)重與精確預(yù)測之間具有強相關(guān)性。因此,可以利用這種相關(guān)性的強弱來表達指標的強弱程度。
定義9指標強度(Index Strength,IS)
假設(shè)進行了n次精確組合預(yù)測(達到設(shè)定的精度閾值),若依據(jù)某指標獲得的權(quán)重分配與組合權(quán)重分配有m次保持一致,則該指標的指標強度可表示為:
指標的強度表示了對精確預(yù)測的支持程度。指標強度越高,該指標在組合模型中的地位越重要,可信程度越高;反之,該指標在組合模型中的地位越重要,可信程度越低。
定義10指標可信度(Index Confidence,IC)
指標強度的歸一化結(jié)果稱之為指標可信度。
指標可信度較好地刻畫了預(yù)測指標對預(yù)測子模型的評價能力。態(tài)勢預(yù)測模型的優(yōu)化演進過程應(yīng)弱化低可信指標的權(quán)重分配結(jié)果,盡可能地降低低可信指標的負面影響。在組合模型中,指標權(quán)重是以證據(jù)的形式進行組合的,Shafer 提出的證據(jù)折扣法可有效降低低可信證據(jù)在融合結(jié)論中的影響。因此,每次組合預(yù)測完成后,計算證據(jù)可信度,在新的預(yù)測周期中采用Shafer 的證據(jù)折扣法對指標權(quán)重進行優(yōu)化調(diào)整。證據(jù)折扣法的表達式如式(23)所示。
其中,w1,…,wi,…,wn表示證據(jù)i的權(quán)重,可用指標可信度來代替;mi(A)表示證據(jù)中焦元的信任度,可用指標權(quán)重代替。
圖5 給出了優(yōu)化演進算法(Optimization Evolution Algorithm,OEA)的偽代碼描述。
圖5 優(yōu)化演進算法
本文在Matlab2013 下進行了仿真實驗,對比本文模型與單預(yù)測模型和單指標組合預(yù)測模型在性能上的差異。單預(yù)測模型選取本文中的子模型:二次指數(shù)平滑、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和ARIMA。單指標組合預(yù)測模型選取文獻[5]中Yan 提出的組合預(yù)測模型。實驗數(shù)據(jù)為態(tài)勢預(yù)測領(lǐng)域所使用的經(jīng)典數(shù)據(jù)集HoneyNet[4],選取2000 年12 月1 日到2001 年1 月31 日的數(shù)據(jù)作為預(yù)測樣本。由于網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢和網(wǎng)絡(luò)告警具有正相關(guān)性,故本文直接以數(shù)據(jù)集中網(wǎng)絡(luò)告警的統(tǒng)計值作為態(tài)勢。由于在態(tài)勢評估中,一般取[0,1]為態(tài)勢的取值區(qū)間,因此,本文對所得態(tài)勢值均作極值標準化處理[4],處理結(jié)果如圖6 所示。
圖6 態(tài)勢真值
設(shè)置預(yù)測輸入窗口LWin=25;為了檢測輸出窗口對預(yù)測精度的影響,預(yù)測輸出窗口取較大值LWout=5。即,首先,取前25 個數(shù)據(jù)作為樣本進行訓(xùn)練,獲得各子模型的合理參數(shù)配置;然后,子模型對26~30 個數(shù)據(jù)進行態(tài)勢預(yù)測,獲得子模型的評價,并利用證據(jù)理論進行權(quán)重分配;最后,利用組合模型對31~35 個數(shù)據(jù)進行態(tài)勢預(yù)測,并將其結(jié)果與典型預(yù)測模型的結(jié)果進行比較。
實驗中的參數(shù)設(shè)置如表1 所示。
表1 實驗參數(shù)設(shè)置
前25 組態(tài)勢數(shù)據(jù)的訓(xùn)練結(jié)果如表2 所示。
表2 訓(xùn)練獲取的單模型預(yù)測結(jié)果
依據(jù)式(5)、(12)、(15)和(19)可得組合權(quán)重矩陣為:
利用證據(jù)理論對Ec進行證據(jù)融合,可得最終的組合預(yù)測模型為:
利用該組合模型對第31~35 組數(shù)據(jù)分別進行組合預(yù)測和單模型預(yù)測。不同預(yù)測模型的實驗對比如圖7~圖9 和表3 所示。
圖7 不同預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果對比
圖8 不同預(yù)測模型的AE 對比
從圖7 中可以看出,本文預(yù)測模型與Yan 預(yù)測模型的擬合曲線在變化上更趨近于實際的態(tài)勢曲線。圖8和圖9 中的絕對誤差A(yù)E 和絕對相對誤差A(yù)PE 對比表明,在預(yù)測窗口較大時,單預(yù)測模型的誤差變化起伏較大,隨著預(yù)測步長的增加,預(yù)測誤差上升較快,而本文模型和Yan 模型在誤差穩(wěn)定性上的表現(xiàn)要優(yōu)于單預(yù)測模型,本文預(yù)測模型的誤差變化曲線相對更為穩(wěn)定,主要原因是本文模型在組合權(quán)重確定時考慮了曲線趨勢變化特征和穩(wěn)定性特征。表3 中的平均絕對誤差MAE 和平均相對誤差MAPE 的對比結(jié)果表明,本文模型的誤差最小,分別為MAE=0.022 4,MAPE=17.26%,其預(yù)測精度比Yan 模型高4.91%。
圖9 不同預(yù)測模型的APE 對比
表3 不同預(yù)測模型的MAE 和MAPE 對比
本文研究了多模型態(tài)勢組合預(yù)測問題。通過對現(xiàn)有典型預(yù)測方法的分析,提出了一種基于證據(jù)理論優(yōu)化的態(tài)勢組合預(yù)測方法。Matlab 實驗仿真結(jié)果表明,本文的組合預(yù)測模型能夠依據(jù)態(tài)勢曲線的變化特征對組合權(quán)重進行動態(tài)調(diào)整,模型的適應(yīng)性和穩(wěn)定性較好,且預(yù)測精度明顯高于典型預(yù)測模型。
本文提出的預(yù)測模型組合方法和優(yōu)化演進方法提供了對多個單預(yù)測模型進行組合、優(yōu)化以實現(xiàn)更精確預(yù)測的框架,在預(yù)測子模型選擇上并未刻意尋求性能最優(yōu)的子模型。因此,SFM_ETO 模型的預(yù)測子模型可進一步擴展,或采用性能更優(yōu)的預(yù)測子模型替代本文的子模型,以獲得更好的預(yù)測效果。如何針對具體的態(tài)勢類型,如性能態(tài)勢、傳輸態(tài)勢、安全態(tài)勢等,改進上述模型的子模型構(gòu)成是下一步工作的重點。
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