改進(jìn)的LCFOA-BP模型在我國(guó)智能制造業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)上的應(yīng)用

林建邦 王天

摘要：隨著人工智能技術(shù)在全球迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)制造業(yè)開(kāi)始積極向智能制造方向轉(zhuǎn)型，制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型后的經(jīng)營(yíng)績(jī)效成為企業(yè)關(guān)注的重要課題。本文主要基于改善果蠅演算法（FOA）容易陷入局部極值與氣味濃度為正值的兩大局限上，提出一種新的LCFOA演算法進(jìn)行經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化。本文以國(guó)內(nèi)智能制造業(yè)為研究對(duì)象，分別建構(gòu)了基本的反向傳遞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）、優(yōu)化的FOA-BP以及改進(jìn)的LCFOA-BP經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)模型。結(jié)果顯示，LCFOA-BP模型的預(yù)測(cè)精度與建模效率最佳、FOA-BP次之、BP最差。由此可證明，LCFOA能有效提升經(jīng)營(yíng)績(jī)效模型的預(yù)測(cè)能力，有助于在我國(guó)智能制造業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效上的預(yù)測(cè)與應(yīng)用，以確保國(guó)內(nèi)制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的永續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：LCFOA;人工智能;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);智能制造;預(yù)測(cè)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：F272;F224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0084-03

0 前言

隨著《中國(guó)制造2025》和《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》的出臺(tái)，傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造方向轉(zhuǎn)型成為我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略。許多傳統(tǒng)制造企業(yè)開(kāi)始擴(kuò)大對(duì)智能制造的投入，積極參與人工智能應(yīng)用與程序的開(kāi)發(fā)，一方面加快了智能制造的研究與實(shí)踐，另一方面也加速了產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院研究報(bào)告指出，近年來(lái)中國(guó)智能制造行業(yè)產(chǎn)值每年以超過(guò)22%的比例持續(xù)增長(zhǎng)，至2017年為止，國(guó)內(nèi)智能制造行業(yè)產(chǎn)值規(guī)模將近1.5萬(wàn)億元，是我國(guó)呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)之一[1]。然而，在智能制造業(yè)高速發(fā)展的情況下，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)績(jī)效如果沒(méi)有獲得有效的評(píng)估與預(yù)測(cè)，企業(yè)的成本和經(jīng)營(yíng)狀況很容易失控，造成經(jīng)營(yíng)上的危機(jī)。因此，為了確保國(guó)內(nèi)智能制造產(chǎn)業(yè)的永續(xù)發(fā)展，建構(gòu)一套適合中國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)的經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)模型是非常值得研究的一項(xiàng)課題。

人工智能時(shí)代的來(lái)臨使得數(shù)據(jù)的商業(yè)價(jià)值在產(chǎn)業(yè)界不斷地被開(kāi)發(fā)與提升，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析方法已無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)的需求。此時(shí)，有一部分學(xué)者開(kāi)始利用自然界或生物界中對(duì)于事物判斷的一些規(guī)律或機(jī)制，透過(guò)數(shù)據(jù)演算的尋優(yōu)過(guò)程找出最優(yōu)解，有效提升研究結(jié)果的精確性，此類(lèi)方法稱(chēng)為群體智能優(yōu)化算法，而果蠅優(yōu)化算法（fruit fly optimization algorithm，F(xiàn)OA）是近年來(lái)較廣泛被討論的方法之一。FOA是由學(xué)者潘文超于2011年根據(jù)果蠅飛行覓食的過(guò)程設(shè)計(jì)提出的一種群體智能優(yōu)化算法[2]。FOA與其他群體智能優(yōu)化算法相比，具有易于理解、易于計(jì)算、全局尋優(yōu)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，應(yīng)用價(jià)值相對(duì)較高，現(xiàn)已被應(yīng)用到許多領(lǐng)域的研究之中，諸如：金融預(yù)警模型[2]、交通流量預(yù)測(cè)模型[4]、電力負(fù)荷預(yù)測(cè)[5]等等，F(xiàn)OA都有不錯(cuò)的優(yōu)化表現(xiàn)。然而，雖然FOA在不同領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，但由于自身演算法設(shè)計(jì)的限制，導(dǎo)致FOA存在容易產(chǎn)生局部極值[6]與濃度判定值無(wú)法為負(fù)數(shù)的局限[7]。

因此，本文在同時(shí)考慮上述實(shí)際應(yīng)用與理論背景所面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的果蠅優(yōu)化算法——logit-cosine-FOA（簡(jiǎn)稱(chēng)LCFOA）來(lái)改善FOA的局限性，并與FOA優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較，確認(rèn)LCFOA的有效性;另一方面，以國(guó)內(nèi)智能制造業(yè)為研究對(duì)象，實(shí)際應(yīng)用LCFOA優(yōu)化來(lái)建構(gòu)適用于中國(guó)智能制造業(yè)的經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)模型，并找出影響智能制造業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)的指標(biāo)體系，提升國(guó)內(nèi)智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，達(dá)成以“中國(guó)智造”創(chuàng)新強(qiáng)國(guó)的實(shí)踐目標(biāo)。

1 改進(jìn)的果蠅優(yōu)化算法（LCFOA）

根據(jù)前述指出的FOA局限問(wèn)題，本文以改善FOA的研究思路為出發(fā)點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的LCFOA方法。LCFOA主要通過(guò)以下兩種方式的改進(jìn)，解決FOA容易陷入局部極值與濃度判定值無(wú)法為負(fù)數(shù)的問(wèn)題。LCFOA方法的完整說(shuō)明如下。

1.1 搜索策略的改變

FOA極值的出現(xiàn)與搜索步長(zhǎng)有非常大的關(guān)系。搜索步長(zhǎng)越大，個(gè)體果蠅的搜索空間越大，全局搜索能力越強(qiáng)，但局部搜索能力會(huì)降低，可能造成無(wú)法收斂的情況;相反地，步長(zhǎng)越小，個(gè)體果蠅的搜索空間越小，局部搜索能力越強(qiáng)，則容易陷入局部極值。由此可知，F(xiàn)OA在進(jìn)行搜索的過(guò)程中，果蠅以其搜索距離為步長(zhǎng)隨機(jī)搜索食物，若搜索步長(zhǎng)變化幅度過(guò)小或固定，則存在容易陷入局部極值的情況。因此，適當(dāng)?shù)貙?duì)搜索步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整是控制極值出現(xiàn)的重要關(guān)鍵。

本文通過(guò)兩階段方式，以固定比例逐漸增加或縮小的方式調(diào)整搜索步長(zhǎng)，避免LCFOA發(fā)生陷入局部極值的問(wèn)題。第一階段為增加步長(zhǎng)過(guò)程：搜索步長(zhǎng)以1.1的倍數(shù)不斷增大，逐步擴(kuò)大搜索空間，主要在提升LCFOA的全局搜索能力;然而，由于步長(zhǎng)的不斷增大可能造成無(wú)法收斂，找不到優(yōu)化極值。因此，在搜索過(guò)程中會(huì)進(jìn)行第二階段的減小步長(zhǎng)過(guò)程：搜索步長(zhǎng)以0.9的倍數(shù)不斷縮小，使LCFOA找到優(yōu)化極值。搜索步長(zhǎng)的改變方式如公式（1）-（6）所示。

1.2 濃度判定值的轉(zhuǎn)換

FOA定義濃度判定值為果蠅與原點(diǎn)之間的距離經(jīng)過(guò)倒數(shù)轉(zhuǎn)換而得，取值的范圍越大，求解問(wèn)題的能力越好。有鑒于FOA濃度判定值存在非負(fù)值的局限性，導(dǎo)致其無(wú)法求解包含負(fù)值的最佳化問(wèn)題。由于logit函數(shù)的取值范圍為（-∞，∞），且適用于非線(xiàn)性模型的求解問(wèn)題，因此，本文提出以logit作為濃度判定值的轉(zhuǎn)換函數(shù)，有效地解決了FOA濃度判定值只能為非負(fù)值的問(wèn)題，同時(shí)擴(kuò)展搜索空間到（-∞，∞）。值得一提的是，由于logit函數(shù)的定義域?yàn)椋?，1），本文遂先將距離通過(guò)cosine函數(shù)轉(zhuǎn)換獲得（0，1）的取值范圍，再進(jìn)行l(wèi)ogit函數(shù)轉(zhuǎn)換，以確保濃度判定值的可得性。綜上所述，本文基于FOA提出以logit函數(shù)結(jié)合cosine函數(shù)進(jìn)行濃度判定值轉(zhuǎn)換的優(yōu)化算法，稱(chēng)為L(zhǎng)CFOA。以下針對(duì)LCFOA濃度判定值轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行完整說(shuō)明。

2 實(shí)證研究

2.1 研究思路與技術(shù)路線(xiàn)

本文旨在構(gòu)建我國(guó)智能制造業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)模型。首先，收集智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、政府政策以及相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)目前面臨的重要問(wèn)題并確立基本研究思路。然后，選取國(guó)內(nèi)上市智能制造業(yè)2012-2017年的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)清理工作;同時(shí)，為了消除變量間的量綱關(guān)系，將取得的數(shù)據(jù)歸一化為0到1之間。再者，為了確認(rèn)預(yù)測(cè)精度的穩(wěn)定性，本文采用10折交叉驗(yàn)證（10-fold cross validation）方法，將企業(yè)分割為獨(dú)立的10份，每次取9份企業(yè)的2013-2016年數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集（training data），其對(duì)應(yīng)企業(yè)的2017年數(shù)據(jù)作為測(cè)試集（testing data），共計(jì)各有10組訓(xùn)練集與測(cè)試集樣本，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的反向傳遞（Back propagation，BP）建立預(yù)測(cè)模型，分別以FOA及LCFOA優(yōu)化BP模型。因此，共計(jì)有BP、FOA-BP和LCFOA-BP三種方法的60個(gè)智能制造業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效的預(yù)測(cè)模型（20組數(shù)據(jù)集*3種方法）。最后，將所有建模結(jié)果進(jìn)行匯總與對(duì)比，確認(rèn)LCFOA的優(yōu)化效果，并找出適合我國(guó)智能制造業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)的效預(yù)測(cè)模型。

2.2 樣本數(shù)據(jù)和變量

根據(jù)《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》的發(fā)展重點(diǎn)，將業(yè)務(wù)項(xiàng)目涵蓋智能設(shè)備、智能產(chǎn)品、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)、工業(yè)軟件、3D打印、新能源、新材料等領(lǐng)域的企業(yè)定義為智能制造企業(yè)。最后，通過(guò)Wind數(shù)據(jù)庫(kù)，本文選取了1 334家智能制造企業(yè)2012-2017年間的數(shù)據(jù)，共計(jì)有6 297筆數(shù)據(jù)。

在杜邦公司的分析中，凈資產(chǎn)收益率（Rate of Return on Common Stockholders Equity，ROE）是財(cái)務(wù)指標(biāo)的核心，用來(lái)評(píng)價(jià)企業(yè)的盈利能力和業(yè)績(jī)，是衡量企業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效的主要指標(biāo)。因此，將ROE作為本研究中的因變量（dependent variable）。另外，根據(jù)過(guò)去文獻(xiàn)并透過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)整理出：當(dāng)年度研發(fā)密集度、每位研發(fā)人員所擁有資源、研究發(fā)展強(qiáng)度、主營(yíng)業(yè)務(wù)比率、員工生產(chǎn)力、員工附加價(jià)值、R&D人員比例技術(shù)人員占比，以及全部資產(chǎn)現(xiàn)金回收率8個(gè)影響公司經(jīng)營(yíng)績(jī)效的重要財(cái)務(wù)指標(biāo)，作為本文的自變量（independent variable）。

2.3 預(yù)測(cè)模型建構(gòu)與比較

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度的學(xué)習(xí)能力，是目前在金融財(cái)務(wù)領(lǐng)域上較廣泛應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法之一。由于BP算法中的權(quán)重和閾值為影響模型預(yù)測(cè)能力的關(guān)鍵參數(shù)，找出最佳參數(shù)組合將有利于模型預(yù)測(cè)能力的提升。FOA在過(guò)去多數(shù)文獻(xiàn)中被證實(shí)能有效提升BP模型的預(yù)測(cè)能力，然而，本文在基于改進(jìn)FOA局限性的基礎(chǔ)上，提出一種新的LCFOA優(yōu)化BP算法中的權(quán)重和閾值，以建構(gòu)出相對(duì)于FOA更佳的經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)模型。

本文建構(gòu)的經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)模型設(shè)定如下：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層有8個(gè)神經(jīng)元，隱藏層為一層且有5個(gè)神經(jīng)元，輸出層有1個(gè)神經(jīng)元;同時(shí)，F(xiàn)OA的果蠅種群大小設(shè)置為10，優(yōu)化迭代次數(shù)為50。如前所述，本文采用10折交叉驗(yàn)證方法分別建構(gòu)BP、FOA-BP和LCFOA-BP三種方法的預(yù)測(cè)模型，最后，分別計(jì)算匯總?cè)N預(yù)測(cè)模型的10組數(shù)據(jù)的均方根誤差（RMSE）、標(biāo)準(zhǔn)差（STD）和運(yùn)行時(shí)間的平均值，并進(jìn)行預(yù)測(cè)性能的比較。

表1為本文建構(gòu)的BP、FOA-BP和LCFOA-BP模型預(yù)測(cè)能力匯總表。由表1可知，與BP相比，F(xiàn)OA-BP模型和 LCFOA-BP模型在RMSE、STD指標(biāo)上均優(yōu)于BP模型。進(jìn)一步將LCFOA-BP模型與FOA-BP模型進(jìn)行比較后，LCFOA-BP模型的RMSE下降速率大于FOA-BP;同時(shí)，其建模時(shí)間平均值小于FOA-BP模型的平均運(yùn)行時(shí)間（見(jiàn)表1中的灰色）。這意味著在三種預(yù)測(cè)模型中，LCFOA-BP模型的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度最高且效率最好。因此，證明本文提出的改進(jìn)果蠅優(yōu)化算法（LCFOA）是有效的，LCFOA-BP模型是最適合我國(guó)智能制造企業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效的預(yù)測(cè)模型。

3 結(jié)語(yǔ)

本文旨在通過(guò)建構(gòu)有效的經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)模型來(lái)維持國(guó)內(nèi)智能制造業(yè)的高度發(fā)展，研究結(jié)果顯示，本文在改進(jìn)FOA局限的基礎(chǔ)上提出的LCFOA，優(yōu)化能力更好，更有效率;同時(shí)，對(duì)比于BP與FOA-BP而言，LCFOA-BP更適合應(yīng)用于國(guó)內(nèi)智能制造業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)上模型。另外，本文根據(jù)文獻(xiàn)探討所挑選的8個(gè)建模變量：當(dāng)年度研發(fā)密集度、每位研發(fā)人員所擁有資源、研究發(fā)展強(qiáng)度、主營(yíng)業(yè)務(wù)比率、員工生產(chǎn)力、員工附加價(jià)值、R&D人員比例技術(shù)人員占比以及全部資產(chǎn)現(xiàn)金回收，所建構(gòu)的模型預(yù)測(cè)模型誤差皆很低，證明前述指標(biāo)對(duì)于建構(gòu)智能制造業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效預(yù)測(cè)有顯著的影響。因此，可借由對(duì)上述指標(biāo)的管理與調(diào)整，例如：通過(guò)研發(fā)智能制造程序改善生產(chǎn)效能，生產(chǎn)更多適合市場(chǎng)需求的人工智能產(chǎn)品或服務(wù)，提高企業(yè)的經(jīng)營(yíng)績(jī)效。

最后，本文提出的LCFOA方法的運(yùn)行程序簡(jiǎn)單，易于理解，應(yīng)用范圍更廣，可作為后續(xù)學(xué)者的參考依據(jù)，同時(shí)也可作未來(lái)研究的方向，將LCFOA進(jìn)一步應(yīng)用于不同預(yù)測(cè)模型或不同領(lǐng)域之上。

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