5马尔可夫链模型

马尔可夫链模型

在考察随机因素影响的动态系统时，常常碰到这样的情况，系统在每个时期所处的状态是随机的，从这个时期到下个时期的状态按照一定的概率进行转移，并且下个时期的状态只取决于这个时期的状态和转移概率，与以前各时期的状态无关。这种性质称为无后效性或马尔可夫性。通俗的说就是已知现在，将来与历史无关。

具有马氏性的，时间、状态无为离散的随机转移过程通常用马氏链(Markov Chain)模型描述。

马氏链模型在经济、社会、生态、遗传等许多领域中有着广泛的应用。值得提出的是，虽然它是解决随机转移过程的工具，但是一些确定性系统的状态转移问题也能用马氏链模型处理。 马氏链简介：

马氏链及其基本方程：按照系统的发展，时间离散化为

0,1,2,n =

，对每个n ，系统的状态用随机变量n

X 表示，设n

X 可以

取k 个离散值1,2,,n

X k

= ，且n

X

i

=的概率记作()

i

a

n ，称为状态概

率，从n

X

i

=到1

n X

j

+=的概率记作ij

p ，称为转移概率。如果1

n X

+的

取值只取决于n

X 的取值及转移概率，而与1

2,,n n X

X --

的取值无关，

那么这种离散状态按照离散时间的随机转移过程称为马氏链。

由状态转移的无后效性和全概率公式可以写出马氏链的基本方程为

1

(1)()1,2,,k

i j

ij

j a n a

n p i k

=+=

=∑

并且()

i

a

n 和ij

p 应满足

1

1

()10,1,2,;0

;1

1,2,,k

k

j

ij ij j j a

n n p p i k

====≥==∑∑

引入状态概率向量和转移概率矩阵

12()((),(),,())

{}k ij k

a n a n a n a n P p ==

则基本方程可以表为1

(1)()(0)n a n a n P

a P

++==

例1：某商店每月考察一次经营情况，其结果用经营状况好与孬表示。若本月经营状况好，则下月保持好的概率为0.5，若本月经营状况不好，则下月保持好的概率为0.4，试分析该商店若干时间后的经营状况。

解：商店的经营状况是随机的，每月转变一次。用随机变量n

X 表示第n 个月的经营状况，称为经营系统的状态.1,2

n

X =分别表示

好与不好，0,1,n = 。用()

i

a n 表示第n 月处于状态i 的概率（1,2i =）

即()()i

n a

n P X i ==，ij p 表示本月处于状态i

，下月转为状态j 的概率。

这里1

n X

+无后效性，只取决于n

X 和ij

p 。

112112220.5,0.4,0.5,0.6p p p p ==∴==

根据全概率公式可以得到：

11112212112222

(1)()()0.50.5(1)()(1)()()0.4

0.6a n a n p a n p a n a n P

P a n a n p a n p +=+???

?+==?

?+=+??

?

假设这个递推公式存在极限w ，有w w P

=

，即()0w P E -=。于

是当经营状况好或孬时，经计算可以得到下面的结果

事实上，p 的特征值1,0.1λ

=，1λ=时可以得到特征向量(1,1)，

0.1

λ=时可以得到特征向量

( 1.25,1)

-，令

1

1.25

11X -??=

???

，则

1

1

1.251

112.25X

-??= ?

-??，1

14/95/90.14/95/9n

n

p X X -????

∴=→ ?

??

?

??

可以看出，虽然对于不同的n ，两种情况对应的数字不同，但是当n →

∞

时却得到相同的结果，即其状态概率趋于稳定值，且这

个稳定值与初始状态无关。

例2：考察微量元素磷在自然界中的转移情况，假定磷只分布在土壤，草、牛、羊等生物体，及上述系统之外这三种自然环境里。每经过一段时间磷在上述三种环境里的比例会发生变化，变化具有无后效性。假定磷在三种环境下的初始比例为 0.5：0.3：0.2，研究经过若干时段后磷在 三种环境中的转移情况。

磷在三种环境中的分布及其变化是确定

性的，但是如果把它在某种环境如土壤中的比例视为处于这种状态下的概率（将全部含量作为一个整体），把它的变化比例视为转移概率，就能用处理随机转移的马氏链模型来解决这个问题。时期用0,1,2,n = 离散化，1,2,3n

X

=分别表示第n 时期磷处于土壤、

生物体和系统外三种状态，()

i

a n 表示状态概率，即分布比例

（1,2,3i =）ij

p 表示由n

X

i

=到1

n X

j +=的转移概率，即变化的比例。

状态的转移具有无后效性。利用全概率公式并将ij

p 的值代入得到：

1111221331122112222332123113223333123(1)()()()0.5()0.4()0.5

0.40(1)()()()0.3()0.2()

0.3

0.20(1)()()()0.2()0.4()()

0.2

0.4

1a n a n p a n p a n p a n a n a n a n p a n p a n p a n a n P a n a n p a n p a n p a n a n a n +=++=+????

?+=++=+=? ?? ?+=++=++???

以初始状态代入计算可得

通过以上两个例子给出马氏链的基本概念

马氏链及其基本方程：按照系统的发展，时间离散化为

0,1,n =

，对每个n ，系统的状态用随机变量n

X 表示，设n

X 可以取

k 个离散值1,2,,n

X k

= ，且n

X

i

=的的概率记作()

i

a

n ，称为状态概

率，从n

X

i

=到1

n X

j +=的概率记作ij p ，为转移概率。如果1

n X

+的取

值只取决于n

X 的取值及转移概率，而与1

2,,n n X

X --

的取值无关，

则这种离散状态按照离散时间的随机转移过程称为马氏链。

从以上两个例子的计算结果可以看出这两个马氏链之间有很大的差别，它们分别属于马氏两个重要类型。

一、正则链：例1表示的马氏链的

定义1：一个有k 个状态的马氏链如果存在正整数N ，使从任意状态i 经N 次转移都以大于零的概率到达状态j (i ,j =1,2,…,k)，则称其为正则链。

定理1：若马氏链的转移矩阵为P ，则它是正则链的充要重要条件是存在正整数N 使0

N

P

>。

定理2：正则链存在唯一的极限状态概率1

2

(,,,)

k w w w w = ，使得

当n →

∞

时的状态概率()a n w

→

，w 与初始概率(0)a 无关。w 称为稳

态概率，满足

1i

w P w

w

==∑

从状态i 出发经n 次转移，鳘次到达j 的概率称为i 到j 的首达概率，记作()

ij

f

n 。于是

1

()

ij ij n n f n μ∞

==

∑

为由状态i 第一次到达状态j 的平均转移次数。ij

μ与稳态概率间有 定理3：对于正则链，1/ij

w

μ

=

二、吸收链：例2 的特点是状态3的转移概率33

1p

=，于是系

统一旦进入状态3就再还会离开它，可以把它看作“吸收”其它状态的一个状态。并且从状态1或2出发，可以经过有限次转移到达状态3。例2表示如下定义的一类重要的马氏链。 定义2：转移概率1ij

p

=的状态i 称为吸收状态。如果马氏链至

少包含一个吸收状态，并且从每一个非吸收状态出发，能以正的概率经有限次转移到达某个吸收状态，则这个马氏链称为吸收链。 若吸收链中有r 个吸收状态，k -r 个非吸收状态，则其转移矩阵可以写成下面的形式：

r

I O P R

Q ??=

???

其中k r -阶方阵Q 的特征值()Q λ满足|()|1Q λ<。这要求矩阵R 中必含有非零元素，以满足从任一非吸收状态出发经有限次转移可到达某吸收状态的条件。这样Q 就还是随机矩阵，它至少存在一个小于1的行和，且如下定理成立

定理4：对于吸收链P 的标准形式，

()

I Q -可逆，

1

()

s

s M I Q Q ∞

-==-=

∑

记元素为1的列向量(1,1,,1)e = ，则y M e =的第i 个分量是从第i 个非吸收状态出发，被某个吸收状态吸收的平均转移次数。 设状态i 是非吸收状态 ，j 是吸收状态，那么首达概率()

ij

f n 实

际上是i 经n 次转移被j 吸收的概率，而1

()

ij

ij n f

f n ∞

==

∑

则是从非吸收

状态i 出发终将被吸收状态j 吸收的概率。记(){}ij k r r

F f -=，则下面

定理给出了计算ij

f 的方法

定理5：设吸收链的转移矩阵P 表为标准形式，则

(){}ij k r r F f M R

-==

下面通过几个例子说明如何利用马氏链解决一些具体的问题。 一、 基因遗传问题

豆科植物茎的颜色有绿有黄，生猪的毛有黒有白，人会得一些先天性疾病等，这些都与基因遗传有关。基因从一代到下一代的转移是随机的，并且具有马氏性。因此马氏链模型是研究遗传学的重要工具之一。

生物的外部表征如豆科植物茎的颜色，人的皮肤或头发，是由生物体内相应的基因决定。基因分优势基因与劣势基因，分别用d 和r 表示。每种外部表征由体内的两个基因决定，而每个基因都可以是d 或r 中的一个，于是可以得到三种基因类型，即dd 、dr 和rr ，分别称为优种、混种和劣种，用D 、H 和R 表示。含D 、H 基因类型的个体，外部表征呈优势，如豆科植物的茎呈绿色，人的皮肤有色素；含劣种R 基因类型的个体外部表征呈劣势，如豆科植物的茎呈黄色，人的皮肤无色素。

生物繁殖时，一个后代随机的继承父与母各自的两个基因中的一个，形成两个基因。一般两个基因中哪个遗传下去是等概率的，所以父母的基因类型就决定了每一后代基因类型的概率。

下面我们以马氏链为工具讨论两个具体的基因遗传模型。 随机交配 这是自然界中生物群体一种常见的、也是最简单的交配方式。考察一个群体，假设雄性和雌性的比例永远相等，并且有相同的基因类型分布，即雄性和雌性的D 、H 、R 的数量比例相等。所谓随机交配是指对于每一个不论属于D 、H 或R 的雌性（或雄性）个体交配，都以D ：H ：R 的数量比例为概率与一个属于D 、H 或R 的雄性（或雌性）个体交配，其后代则按照前面所说的方式等概率地继承其父母亲的各一个基因，来决定它的基因类型。假定在初始一代的群体中，三种基因类型的数量比是D ：H ：R =a ：2b ：c ，满足21a b c ++=。记,p a b q b c =+=+，则群体中优势基因d 与劣势基因r 的数量比例为:p q ，且1p q +=。讨论随机交配方式产生的一系列后代群体中的基因类型分布。 用1,2,3n

X

=分别表示第n 代的一个体属于D 、H 及R 基因类型，

即三种状态，0,1,2,.

()

i n a n = 表示个体属于第i 种状态的概率，

1,2,3i =可视为第n 代的群体属于第i 种基因类型的比例。转移矩阵

ij p 可用ij p P

=（一个后代具有基因类型j ｜母亲（或父亲）具有基

因类型i ）计算。在已知母亲基因类型的条件下，后代的基因类型

取决于父亲的基因类型。值得指出的是，在计算ij

p 时与其考虑被

随机选择为父亲的三种不同基因类型的比例a ：2b ：c ，不如直接考察从雄性群体中以:p q 的比例获得优势基因d 和劣势基因r 。比如

11p P

=(后代为D(dd)|母亲为D (dd )），为使后代是D(dd)，只需

从雄性群体中以概率p 获得d ，所以11

p

P

=，类似地有

12p P =(后代为H (dr )|母亲为D (dd ))=q ， 13p P

=(后代为R (rr )|母亲为D (dd ))=0，

而21

p

P

=(后代为D (dd )|母亲为H (dr ))，后代需以1/2的概率从母

体获得d ，同时以p 的概率从雄性群体中获得d ，所以

211./22

p p p =

=，同理有

22p P

=(后代为H (dr )|母亲为

H (dr ))=11..1/2

22

p q +

=，23

/2

p

q =。用同样的算法算出31

3233,,p

p p 后得

到转移矩阵

0/2

1/2/2

0p

q P p q p

q ??

?= ? ??

?

（1）

对于基因类型的初始分布，即初始状态概率(0)(,2,)a a b c =，满足

,p a b q b c

=+=+ （2）

利用马氏链基本方程可以得到

2

2

22

(1)(0)(,2,)

(2)(1)(,2,)

a a P p pq q a a P p pq q ====

显然这个分布将保持下去。这表明不管初始一代基因类型分布如何，只要是从群体中随机选择的，那么在随机交配方式中第一代继承者的基因类型分布为2

2

:::2:D H

R p p q q

=，且永远不变，这

个结果在遗传学中称Hardy-Weinberg平稳定律。可以看出这是一

个正则链。

这个模型得到的结果的正确性已由观察和实验证明。如自然界

中通常有1/2

p q

==，于是三种基因类型的平稳分布为1/4:1/2:1/4，而优种D和混种H的外部表征呈优势，据观察，豆科植物茎呈绿色（优势表征）的约占3/4，与计算结果相一致。

近亲繁殖近亲繁殖是指这样一种繁殖方式，从同一对父母的大量后代中，随机的选取一雄一雌进行交配产生后代，如此继续下去，考察一系列后代的基因类型的演变情况。

与随机交配模型不同的是那里讨论后代群体中基因类型的分布，只需设置D、H、R三个状态即可，而近亲繁殖则循着随机选取的雄雌配对，分析后代配对中基因类型的变化。于是状态应取

配对的基因类型组合，设1,2,,6

n

X= ，依次定义为DD,RR,DH, DR, HH,HR，构造马氏链模型的关键是写出转移概率。

转移概率

ij

p可根据父母基因类型决定后代各种基因类型的概率表中数据

得到，因为父母全是优（劣）种，则后代必然是优（劣）种，

所以有

1

1,1

0,1 j

j

p

j =

?

=?

≠?，

2

1,2

0,2

j

j

p

j

=

?

=?

≠

?

对于

31

p，由于配对DH（状态3）的后代中D和H各占1/2，所以随机选取的配对为DD的概率是1/4。即

31p P

=(后代配对为DD |父母配对为DH )=

111.224

=

显然32

p

=，这是因为由于配对DH （状态3）的后代中D 和H

各占1/2，所以随机选取的配对为RR 的概率是零。

对于33

p ，由于配对DH （状态3）的后代中D 和H 各占1/2，

所以随机选取的配对为DH 的概率是1/2。即

33p P

=(后代配对为DH |父母配对为DH )=P (后代雄（雌）性为D

（H ）|父母配对为DH )+ P (后代雌（雄）性为D （H ）|父母配对为DH )=

1111111

..2222442

+=+=，同样的计算有

35p P =(后代配对为DH |父母配对为DH )= 1/4 45p P =(后代配对为HH |父母配对为DR )= 1 51p P =(后代配对为DD |父母配对为HH )= 111

4416?= 52p P =(后代配对为RR |父母配对为HH )=

1114416

?=

53p P

=(后代配对为DH |父母配对为HH )= P (后代雄（雌）性为

D （H ）|父母配对为HH )+ P (后代雌（雄）性为D （H ）|父母配对为HH )=

11111..42424

+= 类似计算可得下列转移矩阵

100000010000111000424000010111111161648441110

4

4

2P ??

? ? ? ?

?=

? ? ? ? ? ??

?

容易看出，状态1和状态2是吸收状态，这是一个吸收链。它表明不论最初选取的配对不论最初不论最初是那种基因类型组

合，经过若干代近亲繁殖，终将变为DD 或RR ，即变成全是优种或便是劣种，而且一旦如此，就永远保持下去。

为了计算从任一个非吸收状态3、4、5、6出发，平均经过多少代就会被吸收状态1、2吸收，我们首先将转移矩阵的标准形式

r

I O P R

Q ??=

???

与我们计算得到的转移P 进行比较，得到

1

111000

2448/31/64/32/30010004/34/38/34/3

,,(1)

11111

14/31/38/34/3484416162/31/6

4/3

8/31110

04

243/41/41/2

1/2

5

2254

6

5

4

,1/26

3

3

6Q R M Q y M e F M R -?

??? ? ???

? ?

? ? ?

?

? ?===-= ?

? ? ? ? ? ??

?

? ? ? ??

?

?

???==== ???

1/21/43/4??

?

? ?

? ???

M 的第一行至第四行依次代表非吸收状态DH 、DR 、HH 和HR ，根据吸收链的定理4，对于向量y 的各个分量的解释，开始从DH 配对的状态出发，在近亲繁殖的情况下平均经过5

46代就会被状态

DD 或RR 吸收，即全变成优种或劣种。而根据定理5，变成优种或劣种的概率为矩阵F 的第一行元素，即3/4或1/4。从其它状态出发，可以得到相应的结论。

上述结果的实用价值为在农业与畜牧业中常常是纯种生物的某些品质不如混种，所以在近亲繁殖情况下大约经过5～6代就应该重新选种，以防止品质的下降。 二、 仓库管理问题

贮物仓库每周或每月清仓一次，检查库存量。假定货物入库量是确定的，而出库量是随机的，其概率分布由需求情况确定。仓库的容量是有限的，希望建立一个模型分析库存量的变化规律，特别是经过多长时间会出现库满或者库空的情况。

将时间以时间段为离散化单位，记0,1,2,...t =，取库存量为状态，选择合适的单位将状态离散化，记为,0,1,...,i

X i i I

==，当i

X

I

=时库

满，当0i

X

=时库空。假定每时段的入库量为m 个单位，而出库量

为随机变量t

D ，0

12,,,...D

D D 相互独立且具有相同的概率分布： ()0,1,2,...t j

P D j a j ===

(1)

于是状态满足如下的随机转移规律

1(0)

0,1,2,...t t t

t X X m D X I t +=+-≤≤=

(2)

由于t

D 之间相互独立，状态t

X 的转移具有无后效性，所以可以用

马氏链模型描述库存量的变化过程。

状态转移概率ij

p 由状态转移规律（2）式和入库量的概率分布（1）

式导出，即

1(|)()0,1,...,1,2,...,1

ij t t t i m j

p P X j X i P D i m j a i I

j I ++-=====+-===-

(4) 其中当0

i m j +-

<时令0

ij

p

=。为了确定0j =和j I =时的ij

p ，简单的

规定当净入库量0

t

m D

->时应保证1

t X

I

+≤，否则减少实际入库量使

10

t X +=；当0

t

m D

-<时应保证1

t X

+≥，否则减少实际出库量使

10t X +=。根据(4)式和这个规定可以写出转移概率矩阵为

1011021211110

11

2101

1

1

0000

00

m m m I m I I m I m I m I I m I m I I m I

I m m a a a a a a a a a a a P a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a -+------+-+-+--+'??

?

'

? ?' ?

?

=

?'

?

'+ ?

?

?

?'

++?

?

(5)

其中第一列的元素1

1i m i

k

k a a +-='=-∑

，使行和为1。

当给定初始库存量，即初始概率向量后，由马氏链基本方程

1

(1)()1,2,,k

i j

ij

j a n a

n p i k

=+=

=∑

容易算出各时段库存量的概率分布。在一般情况下这是一个正则链。希望得到t 充分大时库存量的稳态概率分布。不妨设m=1，于 是转移矩阵简化为

0110221112101

2

10000

00

00I I I I

I

I a a a a a a a a P a a a a a a a a a a a ----'?? ?' ? ?'=

? ? ?

' ?

?'+??

(6)

记稳态概率向量0

1(,,,)I w w

w w = ，并设

0,1,2,...,i i I

w v i I

w =

= (7)

将上式代入关于w 的方程式

w w P =，则可以解出

10

10

12210

122112310000121101210

00

11......11I I I I I I I I a a v a a a v v a a a a a a v v v v a a a a a a a a v v v v a a a a ----------=-=-

-=-----=

-

--

-

因为1

1

1

1I I I

i

i i i I

I

w v

w w w --==-=

=

∑∑

，所以1

1

(1)

I I

i i I i

i w

v w w v --==+=∑

三、 等级结构问题

在社会系统中常常按照人们的职务或地位划分出许多等级，如大学教师分为教授、副教授、讲师等，工厂技术人员分为高级工程师、工程师和技术员等，军队里有将、校、尉等等。不同等级人员的比例形成一个等级结构，合适的、稳定的等级结构有利于教学、科研、生产等方面工作的顺利进行。因此希望建立一个模型来描述等级结构的变化状况， 根据已知条件和当前的结构预报未来的结构，以及寻求为了达到某个理想的等级结构而应采取的策略。

引起等级结构变化的因素有两种，一是系统内部等级间的转移，即提升或降级；二是系统内外的交流，即调入或调出（包括调离、退休、死亡等）。系统各个等级的人员每个时期按一定的比例变化，本是一个确定性的问题，但是如果我们把这种比例视为各等级的每个成员提升、降级或退出的概率，就能利用处理随机转移的马氏链模型描述等级结构间的变化。当然要这种观点下各

等级成员的数量应理解为相应的期望值。为了传述的统一和方便，以下采用比例、比例分布等词汇，不称概率、概率分布等。

下面先定义若干基本量，建立基本方程，然后讲座如何调入成员在各等级结构的比例，保持等级结构的稳定，以及怎样尽快地达到或接近理想的等级结构。

基本量与基本方程设一个社会系统由低到高地分为k 个等级，时间以年为单位离散化，即每年进行一次调级，等级记作

1,2,...,i k

=，时间记作0,1,2,...t =。引入以下的定义和记号：

成员按等级的分布向量1

2()((),(),,())

k n t n t n t n t = ，其中()

i

n

t 为t

年属于等级i 的人数；1()()k

i i N t n t ==∑

为系统

t 年的总人数。

成员按等级的比例分布12()((),(),,())k a t a t a t a t = ，其中()()()

i i

n t a

t N t =

5最标准全面的马尔可夫模型例题(以中天会计事务所为例)

中天会计事务所马尔可夫模型例题一、问题分析 中天会计事务所由于公司业务日益繁忙，常造成公司事务工作应接不暇，解决该公司出现的这种问题的有效办法是要实施人力资源的供给预测技术。根据对该公司材料的深入分析，可采用马尔可夫模型这一供给预测方法对该事务所的人力资源状况进行预测。 马尔可夫分析法是一种统计方法，其方法的基本思想是：找出过去人力资源变动的规律，用以来推测未来人力变动的趋势。马尔可夫分析法适用于外在环境变化不大的情况下，如果外在环境变化较大的时候这种方法则难以用过去的经验情况预测未来。马尔可夫分析法的分析过程通常是分几个时期来收集数据，然后在得出平均值，利用这些数据代表每一种职位的人员变动频率，就可以推测出人员的变动情况。 二、项目策划 （一）第一步是编制人员变动概率矩阵表。 根据公司提供的内部资料：公司的各职位人员如下表1所示。 表1：各职位人员表 职位代号人数 合伙人P 40 经理M 80 高级会计师S 120 会计员 A 160 制作一个人员变动概率矩阵表，表中的每一个元素表示从一个时期到另一个时期（如从某一年到下一年）在两个工作之间调动的雇员数量的历年平均百分比（以小数表示）。（注：一般以3—5年为周期来估计年平均百分比。周期越长，根据过去人员变动所推测的未来人员变动就越准确。） 表2：历年平均百分比人员变动概率矩阵表 职位合伙人 P 经理M 高级会计师S 会计员A 职位年度离职升为 合伙 人 离职升为经 理 降为 会计 员 离职升为高级 会计师 离职 2005 0.20 0.08 0.13 0.07 0.05 0.11 0.12 0.11 2006 0.23 0.07 0.27 0.05 0.08 0.12 0.15 0.29 2007 0.17 0.13 0.20 0.08 0.03 0.10 0.17 0.20 2008 0.21 0.12 0.21 0.03 0.07 0.09 0.13 0.19 2009 0.19 0.10 0.19 0.02 0.02 0.08 0.18 0.21 平均0.20 0.10 0.20 0.05 0.05 0.10 0.15 0.20

基于马尔可夫排队模型的行程时间预测方法

第34卷　第4期吉林大学学报(工学版)　Vol.34　No.4 2004年10月Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)　Oct.2004 文章编号:1671-5497(2004)04-0671-04 基于马尔可夫排队模型的行程时间预测方法 杨志宏1,杨兆升2,于德新2,陈　林2 (1.宝路集团,吉林长春　130022;2.吉林大学交通学院,吉林长春　130022) 摘　要:针对城市交通流诱导系统(U TF GS)亟待解决的综合路段行程时间预测这一关键问题,利用马尔可夫排队模型给出了车辆路段(含信号交叉口)实时行程时间预测的基本公式,并结合实际工程项目对公式中的一些参数进行了简化,提高了模型的实用性。人工调查数据验证表明该模型具有较高的精度。同时给出了相对误差图。 关键词:交通运输工程;城市交通流诱导系统(U TF GS);马尔可夫排队模型;排队等待时间;实时动态行程时间 中图分类号:U491.2 文献标识码:A T ravel time prediction method based on Malcov queuing model YAN G Zhihong1,YAN G Zhaosheng2,YU Dexin2,CHEN Lin2 (1.China B aolu Com pany,Changchun130022,China;2.College of T ransportation,Jilin U niversity,Changchun 130022,China) Abstract:Aiming at the key problem of synthetic Link travel time prediction in Urban Traffic Flow Guidance System(U TF GS).A Vehicle link travel time prediction algorithm based on Malcov Queuing model was presented.With a quantity of traffic measurement data,some model parameters were simplized and confirmed,thus getting a high precision and also making the model more become applicable. K ey w ords:traffic engineering;U TF GS;Malcov queuing model;queuing wait time;real2time dynamic travel time 0　引　言 交通流诱导以交通流预测和实时动态交通分配(D TA)为基础,应用现代通信技术、电子技术、计算机技术等为路网上的出行者提供必要的交通信息,为其指出当前的最佳行驶路线,从而避免盲目出行造成的交通阻塞,到达路网畅通、高效运行的目的[1,2]。交通流诱导的方式一般分为路边显示板式和车内显示屏式两种。前者主要适用于高速公路以及城市路网集体车辆诱导,后者主要适用于城市路网中的个体车辆诱导[2]。 为了准确、快速地给出路网的最佳行驶路线,需要估计路网中各路段的行程时间。路网中的路段均指含一个相邻的下游交叉口(有信号灯控制)的路段。当车辆进入路段后,其行程时间随交通流量的变 收稿日期:2004205219. 基金项目:“十五”国家智能交通重大科技攻关项目(2002BA404A22B). 作者简介:杨志宏(1971-),男,工程师.E2mail:yangzhihong0527@https://www.sodocs.net/doc/584088250.html, 通讯联系人:杨兆升(1938-),男,教授,博士生导师.E2mail:yangzs@https://www.sodocs.net/doc/584088250.html,

马尔可夫链模型简介

马尔可夫链模型简介 设考察对象为一系统,若该系统在某一时刻可能出现的事件集合为,}{N N E E E E E E ??????,2,1,2,1,两两互斥,则陈i E 为状态。N i ???=,2,1。称该系统从一种状态i E 变化到另一状态j E 的过程称为状态转移，并把整个系统不断实现状态转移的过程称为马尔可夫过程。 定义1 具有下列两个性质的马尔可夫过程称为马尔可夫链： （1）无后效性，即系统的第n 次实验结果出现的状态，只与第1-n 次有关，而与它以前所处的状态无关； （2）具有稳定性，该过程逐渐趋于稳定状态，而与初始状态无关。 定义2 向量),,,(21n u u u u ???= 成为概率向量，如果u 满足： ?? ???=???=≥∑=n j j j u n j u 11,,2,10 定义3 如果方阵P 的每行都为概率向量，则称此方阵为概率矩阵。 如果矩阵A 和B 皆为概率矩阵，则AB ，k A ，k B 也都是概率矩阵（k 为正整数）。 定义4 系统由状态i E 经过一次转移到状态j E 的概率记为ij P ，称矩阵 ????????????????????????=32 12222111211N N N N N P P P P P P P P P P 为一次（或一步）转移矩阵。 转移矩阵必为概率矩阵，且具有以下两个性质： 1、P P P k k )1()(-=； 2、k k P P =)(

其中)(k P 为k 次转移矩阵。 定义5 对概率矩阵P ，若幂次方)(m P 的所有元素皆为正数，则矩阵P 称为正规概率矩阵。（此处2≥m ） 定理1 正规概率矩阵P 的幂次方序列P ，2P ，3P ，…趋近于某一方阵T ，T 的每一行均为同一概率向量t ，且满足t tP = 。 马尔可夫链模型如下： 设系统在0=k 时所处的初始状态 ),,() 0()0(2)0(1)0(N S S S S ???=为已知，经过k 次转移后的状态向量 ),,()()(2)(1)(k N k k k S S S S ???=),2,1(???=k ，则 ??????? ?????? ?????????????=NN N N N N k P P P P P P P P P S S 212222111211)0() ( 此式即为马尔可夫链预测模型。 由上式可以看出，系统在经过k 次转后所处的状态)(k S 取决与它的初始状态)0(S 和转移矩阵P 。 马尔可夫引例 例1：市场占有率预测 设有甲、乙、丙三家企业，生产同一种产品，共同供应1000家用户，各用户在各企业间自由选购，但不超出这三家企业，也无新的用户，假定在10月末经过市场调查得知，甲，乙，丙三家企业拥有的客户分别是：250户，300户，450户，而11月份用户可能的流动情况如下表所示：

论文：马尔科夫链模型

市场占有率问题 摘要 本文通过对马尔科夫过程理论中用于分析随机过程方法的研究，提出了将转移概率矩阵法应用于企业产品的市场占有率分析当中，并给出了均匀状态下的市场占有率模型。单个生产厂家的产品在同类商品总额中所占的比率，称为该厂产品的市场占有率，市场占有率随产品的质量、消费者的偏好以及企业的促销作用等因素而发生变化。企业在对产品种类与经营方向做出决策时，需要预测各种商品之间不断转移的市场占有率。 通过转移概率求得八月份的各型号商品的市场占有率为……稳定状态后，通过马尔科夫转移矩阵，计算出各商品的市场占有率为…… 关键词马尔科夫链转移概率矩阵

一、问题重述 1.1背景分析 现代市场信息复杂多变，一个企业在激烈的市场竞争环境下要生存和发展就必须对其产品进行市场预测，从而减少企业参与市场竞争的盲目性，提高科学性。然而，市场对某些产品的需求受多种因素的影响，普遍具有随机性。为此，利用随机过程理论的马尔科夫模型来分析产品在市场上的状态分布，进行市场预测，从而科学地组织生产，减少盲目性，以提高企业的市场竞争力和其产品的市场占有率。 1.2问题重述 已知六月份甲，乙，丙，三种型号的某商品在某地有相同的销售额。七月份甲保持原有顾客的60%，分别获得乙，丙的顾客的10%和30%；乙保持原有顾客的70%，分别获得甲，丙的顾客的10%和20%；丙保持原有顾客的50%，分别获得甲，乙顾客的30%和20%。求八月份各型号商品的市场占有率及稳定状态时的占有率。 二、问题分析 单个生产厂家的产品在同类商品总额中所占的比率，称为该厂产品的市场占有率，市场占有率随产品的质量、消费者的偏好以及企业的促销作用等因素而发生变化。题目给出七月份甲、乙、丙三种型号的某商品的顾客转移率，转移率的变化以当前的状态为基准而不需要知道顾客转移率的过去状态，即只要掌握企业产品目前在市场上的占有份额，就可以预测将来该企业产品的市场占有率。概括起来，若把需要掌握过去和现在资料进行预测的方法称为马尔科夫过程。 马尔科夫预测法的一般步骤： （1）、调查目前本企业场频市场占有率状况，得到市场占有率向量A ； （2）、调查消费者的变动情况，计算转移概率矩阵B ； （3）、利用向量A 和转移概率矩阵B 预测下一期本企业产品市场占有率。 由于市场上生产与本企业产品相同的同类企业有许多家，但我们最关心的是本企业产品的市场占有率。对于众多消费者而言，够不够买本企业的产品纯粹是偶然事件，但是若本企业生产的产品在质量、价格、营销策略相对较为稳定的情况下，众多消费者的偶然的购买变动就会演变成必然的目前该类产品相对稳定的市场变动情况。因为原来购买本企业产品的消费者在奖励可能仍然购买本企业的产品，也可能转移到购买别的企业的同类产品，而原来购买其他企业产品的消费者在将来可能会转移到购买本企业产品，两者互相抵消，就能形成相对稳定的转移概率。 若已知某产品目前市场占有率向量A ，又根据调查结果得到未来转移概率矩阵B ，则未来某产品各企业的市场占有率可以用A 乘以B 求得。即： 111212122212312*()*n n n n n nn a a a a a a A B p p p p a a a ????????????=????????????????????? 三、模型假设 1、购买3种类型产品的顾客总人数基本不变； 2、市场情况相对正常稳定，没有出现新的市场竞争； 3、没有其他促销活动吸引顾客。

基于马尔可夫模型的语言发展趋势预测

基于马尔可夫模型的语言发展趋势预测 发表时间：2019-03-14T15:24:06.727Z 来源：《知识-力量》2019年6月中作者：张浩1 姜晓丽1 朱英豪2 [导读] 为了预测世界语言发展趋势，将语言使用者分为两个部分来分别预测其数量。 （1.华北理工大学建筑工程学院，河北唐山 063210；2.华北理工大学以升教育创新基地，河北唐山 063210）摘要：为了预测世界语言发展趋势，将语言使用者分为两个部分来分别预测其数量。对于母语使用者，根据语言区域的自然增长率和净移民率计算出随时间变化的母语使用者的人数。对于第二或第三语言使用者，将影响使用者人数的三种因子归一化处理，利用层次分析法赋予相应的权重后得到各种语言的发展强度数值。建立马尔可夫预测模型模拟若干年后的第二或第三语言使用者数量，并模拟50年内排名前十四的语言的母语使用者数量的变化趋势。关键词：层次分析法；马尔可夫模型；聚类分析；语言使用者 人类不仅仅只掌握母语这一种语言，越来越多的人开始说第二语言甚至第三语言。在考虑某种语言的总使用人数时，需要在母语使用者人数的基础上加上第二或者第三语言使用者人数。根据可能影响语言的使用的因素，模拟各种语言的使用者随时间变化的分布。建立模型预测在未来50年里，英语的母语使用者的数量和语言的总使用者的数量的变化，并考虑它们是否会被另一种语言替代。 1.模型假设 ●忽略小概率灭绝事件，比如重大自然灾害的影响导致某一语言的灭绝等。 ●在几十年的时间里，各个语言区域都是稳定的发展，不会出现特别大的起伏的情况。 ●假设每个国家的移民一旦定居，他们的子孙都以此国家的官方语言为母语。 2.数量预测模型对于语言使用者数量的预测，我们需要将其分为母语使用者和其它的语言使用者（包括第二和第三语言使用者）两个方向来调查。 2.1母语使用者针对国家而言，母语使用者人数与该国家的居民人数直接相关。根据该国家的移民率，我们可以得到母语使用者人数随时间的变化为： 2.2 总使用者对于一种语言的总使用者人数，我们需要全面考虑它的变化，不仅仅考虑语言区域居民人数的增加或者减少，还需要考虑其它的语言使用者的变化。上文我们已经得知母语使用者的数量随时间的变化，下面我们将解决其它的语言使用者的预测问题。 2.2.1三种影响因子根据上文可得，我们将影响语言发展的因素分为区域的综合实力、商业往来和旅游业的发展状况三个部分。针对这三个部分，我们选取三个指标作为影响因子，分别是区域人均GDP、区域贸易对GDP的贡献度、区域国际游客数量。[1~2] 为进行统一，我们将十种语言的三种影响因子均除以该影响因子中的最大值。将得到的新结果运用层次分析法构造判断矩阵，得出三种影响因子的权重向量分别为0.545、0.272、0.183。我们可以得到关于语言发展强度的方程： 2.2.2马尔科夫模型以其亲代的第二语言作为他的初始状态，余下的九种语言是另外的九种状态，建立马尔科夫预测模型[3]。然后基于语言的发展强度，根据两种语言之间的强度比值来确定一个人的语言从一种状态转移到另一种状态的概率值。定义世界十大母语依次用数字0-9表示其语言状态，由此计算状态转移矩阵。 2.3 模型的应用 2. 3.1英语的语言使用者我们搜集到英语语言区域的平均自然增长率和平均净移民率[4]分别为1.04和0.0039，根据公式1我们可以求解得出英语的母语使用者在五十年以后的数量为：（4）

数学建模之马尔可夫预测

马尔可夫预测 马尔可夫过程是一种常见的比较简单的随机过程。该过程是研究一个系统的 状况及其转移的理论。它通过对不同状态的初始概率以及状态之间的转移概率的研究,来确定状态的变化趋势,从而达到对未来进行预测的目的。 三大特点： （1）无后效性 一事物的将来是什么状态，其概率有多大，只取决于该事物现在所处的状态如何，而与以前的状态无关。也就是说，事物第n 期的状态，只与第n 期内的变化和第n-1期状态有关,而与第n-1期以前的状态无关。 （2）遍历性 不管事物现在所处的状态如何，在较长的时间内马尔可夫过程逐渐趋于稳定状态，而与初始状态无关。 （3）过程的随机性。 该系统内部从一个状态转移到另一个状态是，转变的可能性由系统内部的原先历史情况的概率值表示。 1.模型的应用， ①水文预测， ②气象预测， ③地震预测， ④基金投资绩效评估的实证分析， ⑤混合动力车工作情况预测， ⑥产品的市场占有情况预测。 2.步骤 ①确定系统状态 有的系统状态很确定。如：机床工作的状态可划分为正常和故障，动物繁殖后代可以划分为雄性和雌性两种状态等。但很多预测中，状态需要人为确定。如：根据某种产品的市场销售量划分成滞销、正常、畅销等状态。这些状态的划分是依据不同产品、生产能力的大小以及企业的经营策略来确定的，一般没有什么统一的标准。在天气预报中，可以把降水量划分为旱、正常和涝等状态。 ②计算初始概率()0i S 用i M 表示实验中状态i E 出现的总次数，则初始概率为 ()()0 1 1,2,i i i n i i M S F i n M =≈= =∑L ③计算一步转移概率矩阵

令由状态i E 转移到状态j E 的概率为()|ij j i P P E E =，则得到一步转移概率矩阵为： 1112121 2221 2n n n n nn p p p p p p P p p p ??????=??????L L M M M M L ④计算K 步转移概率矩阵 若系统的状态经过了多次转移，则就要计算K 步转移概率与K 步转移概率矩阵。 K 步转移概率矩阵为： 11121212221 2()k n n k n n nn p p p p p p P k p p p p ??????==??????L L M M M M L ⑤预测及分析 根据转移概率矩阵对系统未来所处状态进行预测，即： () ()111210212221 2K n K n n n nn p p p p p p S S p p p ??????=??????L L M M M M L 例题： 设某企业生产洗涤剂为A 型,市场除A 型外,还有B 型、C 型两种。为了生产经营管理上的需要,某企业要了解本厂生产的A 型洗涤剂在未来三年的市场占有倩况。为此,进行了两项工作,一是进行市场调查,二是利用模型进行预测。 市场调查首先全面了解各型洗涤剂在市场占有情况。年终调查结果:市场洗涤剂目前总容量为100万件,其中A 型占40万,B 型和C 型各占30万。 再者,要调杏顾客购买各型洗涤剂的变动情况。调查发现去年购买A 型产品的顾客,今年仍购A 型产品24万件,转购B 型和C 型产品备占8万件,去年购买B 型产品顾客,今年仍购B 型产品9万件,转购A 型15万件,转购C 型6万件,去年购买C 型产品的顾客,今年仍购C 型产品9万件,转购A 型15万件,转购B 型6万件。计算各型产品保留和转购变动率。 模型的建立： ①计算初始概率 用i M 表示i E 型产品出现的总次数，则初始概率为 ()()0 1 1,2,i i i n i i M S F i n M =≈= =∑L （1） ②计算各类产品保留和转购变动率

HMM隐形马尔可夫模型实验报告(可打印修改)

《模式识别与机器学习》 课程实验报告

1实验内容 1. Design an HMM model, and generate sequential data (training and test) with the model. 2. Learning model parameters on the training data. 3. Test the model learned on the test data：Estimate the most probable values for the latent variables. 2实验环境 Window7, matlab 7.11.0 3实验原理 HMM即隐性马尔可夫模型，此模型可认为是状态空间模型的一个特殊情况。当令状态空间模型中的潜变量为离散的时，我们即得到了隐性马尔可夫模型。 3.1模型状态 在一个典型的HMM模型中，通常有两个状态集合来描述该模型状态： 1. 隐含状态，通常用S表示。 这些状态之间满足马尔可夫性质，是马尔可夫模型中实际所隐含的状态。这些状态通常无法通过直接观测而得到。（例如S1、S2、S3等等)。 2. 可观测状态，通常用O表示。 在模型中与隐含状态相关联，可通过直接观测而得到。(例如O1、O2、O3 等等）。可观测状态的数目不一定要和隐含状态的数目一致。

3.2模型参数 一个典型的HMM模型包含以下参数： 1. 初始状态概率矩阵π。 表示隐含状态在初始时刻t=1时刻的概率矩阵，(例如t=1时，P(S1) =p1、P(S2)=P2、P(S3)=p3，则初始状态概率矩阵π=[ p1 p2 p3 ]). 2. 隐含状态转移概率矩阵A。 描述了HMM模型中各个状态之间的转移概率，N代表隐含状态数目。其中Aij = P( Sj | Si ),1≤i,,j≤N。表示在 t 时刻、状态为 Si 的条件下，在t+1 时刻状态是 Sj 的概率。 3. 观测状态发射概率矩阵B。 表示在 t 时刻、隐含状态是 Sj 条件下，观察状态为 Oi 的概率。令N代表隐含状态数目，M代表可观测状态数目，则：Bij = P( Oi |Sj ), 1≤i≤M,1≤j≤N. 一般来说，可以用λ=(A,B,π)三元组来表示一个隐性马尔可夫模型。给定了这三个参数，我们便得到了一个HMM模型。在实验过程中，我们在matlab环境下指定各组参数，得到一个HMM后，便可以利用这个模型生成一定量的数据作为训练集与测试集。 3.3相关算法 根据实验内容，可以得知这个实验中主要涉及到利用HMM解决的三类问题： 1.给定观察得到的序列O，如何调整参数λ，使P(O|λ)最大。即通过给定 O，不断估算一个适合的参数λ=(A,B,π)，使发生这个O的概率P(O|λ)最大。这个问题的一种有效解决算法是Baum-Welch算法，即EM算法的一种特殊形式。且通过对BW算法的分析可以看出，该算法以前后向算法为基础。前后向算法用于计算在某一时刻t，潜变量处于某一状态的概率。EM 算法的具体过程在此不再赘述。 2.给定观测序列O=O1O2O3…Ot和模型参数λ=(A,B,π)，怎样有效计算某一

马尔科夫决策过程MDPs

数学模型-MATLAB工具箱-马尔可夫决策过程-MDPs 前言： MDPs提供了一个数学框架来进行建模，适用于结果部分随机部分由决策者控制的决策情景。由于其在数学建模或学术发表中经常被用到，这里我们从实用的角度对其做一些归纳整理，案例涉及到大数据应用方面的最新研究成果，包括基本概念、模型、能解决的问题、基本算法（基于MATLAB或R工具箱）和应用场景。最后简单介绍了部分可观察马尔可夫决策过程(POMDP)。 由于相关的理论和应用研究非常多，这里我们只介绍最基本的东西（但是提供了必要而丰富的展开），并提供相应的参考文献和工具箱链接，以期帮助读者更快上手，至于更加深入的研究和更加细致的应用，则需要参照相关研究领域的学术文献。 一、基本概念 （1）序贯决策（Sequential Decision）[1]： 用于随机性或不确定性动态系统的最优化决策方法。 （2）序贯决策的过程是： 从初始状态开始，每个时刻作出最优决策后，接着观察下一时刻实际出现的状态，即收集新的信息，然后再作出新的最优决策，反复进行直至最后。 （3）无后效性 无后效性是一个问题可以用动态规划求解的标志之一。 某阶段的状态一旦确定，则此后过程的演变不再受此前各种状态及决策的影响，简单的说，就是“未来与过去无关”，当前的状态是此前历史的一个完整总结，此前的历史只能通过当前的状态去影响过程未来的演变。 （4）马尔可夫决策过程 系统在每次作出决策后下一时刻可能出现的状态是不能确切预知的，存在两种情况： ①系统下一步可能出现的状态的概率分布是已知的，可用客观概率的条件分布来描述。对于这类系统的序贯决策研究得较完满的是状态转移律具有无后效性的系统，相应的序贯决策称为马尔可夫决策过程，它是将马尔可夫过程理论与决定性动态规划相结合的产物。 ②系统下一步可能出现的状态的概率分布不知道，只能用主观概率的条件分布来描述。用于这类系统的序贯决策属于决策分析的内容。 注：在现实中，既无纯客观概率，又无纯主观概率。 客观概率是根据事件发展的客观性统计出来的一种概率。主观概率与客观概率的主要区别是，主观概率无法用试验或统计的方法来检验其正确性。 客观概率可以根据历史统计数据或是大量的试验来推定。 客观概率只能用于完全可重复事件，因而并不适用于大部分现实事件。 为什么引入主观概率：有的自然状态无法重复试验。如：明天是否下雨，新产品销路如何。 主观概率以概率估计人的个人信念为基础。主观概率可以定义为根据确凿有效的证据对个别事件设计的概率。这里所说的证据，可以是事件过去的相对频率的形式，也可以是根据丰富的经验进行的推测。比如有人说:“阴云密布,可能要下一场大雨!”这就是关于下雨的可能性的主观概率。主观概率具有最大的灵活性，决策者可以根据任何有效的证据并结合自己对情况的感觉对概率进行调整。 二、和马尔可夫链的联系

马尔可夫链模型

马尔可夫链模型 马尔可夫链模型（Markov Chain Model） 目录 [隐藏] ? 1 马尔可夫链模型概述 ? 2 马尔可夫链模型的性质 ? 3 离散状态空间中的马尔可夫链 模型 ? 4 马尔可夫链模型的应用 o 4.1 科学中的应用 o 4.2 人力资源中的应用 ? 5 马尔可夫模型案例分析[1] o 5.1 马尔可夫模型的建 立 o 5.2 马尔可夫模型的应 用 ? 6 参考文献 [编辑] 马尔可夫链模型概述 马尔可夫链因安德烈·马尔可夫（Andrey Markov，1856－1922）得名，是数学中具有马尔可夫性质的离散时间随机过程。该过程中，在给定当前知识或信息的情况下，过去（即当期以前的历史状态）对于预测将来（即当期以后的未来状态）是无关的。 时间和状态都是离散的马尔可夫过程称为马尔可夫链, 简记为。 马尔可夫链是随机变量的一个数列。这些变量的范围，即他们所有可能 取值的集合，被称为“状态空间”，而Xn的值则是在时间n的状态。如果Xn + 1对于过去状态的条件概率分布仅是Xn的一个函数，则 这里x为过程中的某个状态。上面这个恒等式可以被看作是马尔可夫性质。

马尔可夫在1906年首先做出了这类过程。而将此一般化到可数无限状态空间是由柯尔莫果洛夫在1936年给出的。 马尔可夫链与布朗运动以及遍历假说这两个二十世纪初期物理学重要课题是相联系的，但马尔可夫寻求的似乎不仅于数学动机，名义上是对于纵属事件大数法则的扩张。 马尔可夫链是满足下面两个假设的一种随机过程： 1、t+l时刻系统状态的概率分布只与t时刻的状态有关，与t时刻以前的状态无关； 2、从t时刻到t+l时刻的状态转移与t的值无关。一个马尔可夫链模型可表示为=(S，P，Q)，其中各元的含义如下： 1）S是系统所有可能的状态所组成的非空的状态集，有时也称之为系统的状态空间，它可以是有限的、可列的集合或任意非空集。本文中假定S是可数集(即有限或可列)。用小写字母i,j(或S i,S j)等来表示状态。 2）是系统的状态转移概率矩阵，其中P ij表示系统在时刻t处于状态i，在下一时刻t+l处于状态i的概率，N是系统所有可能的状态的个数。对于任意i∈s，有 。 3）是系统的初始概率分布，q i是系统在初始时刻处于状态i的概率， 满足。 [编辑] 马尔可夫链模型的性质 马尔可夫链是由一个条件分布来表示的 P(X n + 1 | X n) 这被称为是随机过程中的“转移概率”。这有时也被称作是“一步转移概率”。二、三，以及更多步的转移概率可以导自一步转移概率和马尔可夫性质：

马尔可夫决策基础理论

马尔可夫决策基础理论 内容提要 本章介绍与研究背景相关的几类决策模型及算法。模型部分，首先是最基本的马尔可夫决策模型，然后是在此基础上加入观察不确定性的部分可观察马尔可夫决策模型，以及进一步加入多智能体的分布式部分可观察马尔可夫决策模型和部分可观察的随机博弈模型。算法部分，针对上述几类模型，我们均按照后向迭代和前向搜索两大类进行对比分析。最后，我们介绍了半马尔可夫决策模型及Option理论，这一理论为我们后面设计分等级的大规模多智能体系统的决策模型及规划框架提供了重要基础。 2.1 MDP基本模型及概念 马尔可夫决策过程适用的系统有三大特点：一是状态转移的无后效性；二是状态转移可以有不确定性；三是智能体所处的每步状态完全可以观察。下面我们将介绍MDP基本数学模型，并对模型本身的一些概念，及在MDP模型下进行问题求解所引入的相关概念做进一步解释。 2.1.1 基本模型 马尔科夫决策过程最基本的模型是一个四元组S,A,T,R(Puterman M, 1994)： ?状态集合S：问题所有可能世界状态的集合； ?行动集合A：问题所有可能行动的集合； ?状态转移函数T: S×A×S’→[0,1]: 用T(s, a, s’)来表示在状态s，执行动作 P s s a； a，而转移到状态s’的概率('|,) ?报酬函数R: S×A→R:我们一般用R(s,a)来表示在状态s执行动作a所能得到的立即报酬。 虽然有针对连续参数情况的MDP模型及算法，然而本文在没有特殊说明的情况都只讨论离散参数的情况，如时间，状态及行动的参数。 图2.1描述的是在MDP模型下，智能体(Agent)与问题对应的环境交互的过程。智能体执行行动，获知环境所处的新的当前状态，同时获得此次行动的立即

隐马尔可夫模型及其应用

小论文写作: 隐马尔可夫模型及其应用 学院：数学与统计学院专业：信息与计算科学学生：卢富毓学号：20101910072 内容摘要：隐马尔可夫模型是序列数据处理和统计学习的重要概率模型，已经成功被应用到多工程任务中。本小论文首先从隐马尔可夫模型基本理论和模型的表达式出发，进一步阐述了隐马尔可夫模型的应用。 HMM 隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）作为一种统计分析模型，创立于20世纪70年代。80 年代得到了传播和发展，成为信号处理的一个重要方向，现已成功地用于语音识别，行为识别，文字识别以及故障诊断等领域。 隐马尔可夫模型状态变迁图（例子如下） x—隐含状态 y—可观察的输出 a—转换概率（transition probabilities） b—输出概率（output probabilities） 隐马尔可夫模型它用来描述一个含有隐含未知参数的马尔可夫过程。其难点是从可观察的参数中确定该过程的隐含参数。然后利用这些参数来作进一步的分析，例如模式识别。 在正常的马尔可夫模型中，状态对于观察者来说是直接可见的。这样状态的转换概率便是全部的参数。而在隐马尔可夫模型中,状态并不是直接可见的，但受状态影响的某些变量则是可见的。每一个状态在可能输出的符号上都有一概率分布。因此输出符号的序列能够透露出状态序列的一些信息。 HMM的基本理论 隐马尔可夫模型是马尔可夫链的一种，它的状态不能直接观察到，但能通过观测向量序列观察到，每个观测向量都是通过某些概率密度分布表现为各种状态，每一个观测向量是由一个具有相应概率密度分布的状态序列产生。所以，隐马尔可夫模型是一个双重随机过程----具有一定状态数的隐马尔可夫链和显示随机函数集。自20世纪80年代以来，HMM被应用于语音识别，取得重大成功。到了

人力供给预测之马尔科夫模型

人力供给预测之马尔科夫模型 马尔科夫模型是根据历史数据，预测等时间间隔点上的各类人员分布状况。此方法的基本思想是根据过去人员变动的规律，推测未来人员变动的趋势。因此，运用马尔科夫模型时假设——未来的人员变动规律是过去变动规律的延续。既是说，转移率要么是一个固定比率，要么可以通过历史数据以某种方式推算出。 步骤： （1）根据历史数据推算各类人员的转移率，得出转移率的转移矩阵； （2）统计作为初始时刻点的各类人员分布状况； （3）建立马尔科夫模型，预测未来各类人员供给状况。 运用马尔科夫模型可以预测一个时间段后的人员分布，虽然这个时间段可以自由定义，但较为普遍的是以一年为一个时间段，因为这样最为实用。在确定转移率时，最粗略的方法就是以今年的转移率作为明年的转移率，这种方法认为最近时间段的变化规律将继续保持到下一时间段。虽然这样很简便，但实际上一年的数据过于单薄，很多因素没有考虑到，一个数据的误差可能非常大。因为以一年的数据得出的概率很难保证稳定，最好运用近几年的数据推算。在推算时，可以采用简单移动平均法、加权移动平均法、指数平滑法、趋势线外推法等，可以在试误的过程中发现哪种方法推算的转移率最准确。尝试用不同的方法计算转移率，然后用这个转移率和去年的数据来推算今年的实际情况，最后选择与实际情况最相符的计算方法。转移率是一类人员转移到另一类人员的比率，计算出所有的转移率后，可以得到人员转移率的转移矩阵。 转移出i类人员的数量 i类人员的转移率 = （3-1） i类人员原有总量 人员转移率的转移矩阵： P11 P12 (1) P21 P22 (2) P = P31 P32 (3) （3-2） ┇┇┇ P K1 P K2 ……P KK 一般是以现在的人员分布状况作为初始状况，所以只需统计当前的人员分布情况即可。这是企业的基本信息，人力资源部门可以很容易地找到这些数据。 建立模型前，要对员工的流动进行说明。流动包括外部到内部、内部之间、内部到外部的流动，内部之间的流动可以是提升、降职、平级调动等。由于推测的是整体情况，个别特殊调动不在考虑之内。马尔科夫模型的基本表达式为：

数学建模马氏链模型

马氏链模型 教学目的: 通过教学，使学生掌握马尔可夫链的基本知识，掌握建立马氏链模型的基本方法，能用马氏链模型解决一些简单的实际问题。 教学重点和难点: 建立马氏链模型的基本思想和基本步骤。 教学内容： 马尔可夫预测法是应用概率论中马尔可夫链（Markov chain）的理论和方法来研究分析时间序列的变化规律，并由此预测其未来变化趋势的一种预测技术．这种技术已在市场预测分析和市场管理决策中得到广泛应用，近年来逐步被应用于卫生事业管理和卫生经济研究中．下面扼要介绍马尔可夫链的基本原理以及运用原理去进行市场预测的基本方法． （1）马尔可夫链的基本原理 我们知道，要描述某种特定时期的随机现象如某种药品在未来某时期的销售情况，比如说第n季度是畅销还是滞销，用一个随机变量X n便可以了，但要描述未来所有时期的情况，则需要一系列的随机变量 X1，X2，…，X n，…．称{ X t，t∈T ，T是参数集}为随机过程，{ X t }的取值集合称为状态空间．若随机过程{ X n}的参数为非负整数， X n 为离散随机变量，且{ X n}具有无后效性（或称马尔可夫性），则称这一随机过程为马尔可夫链（简称马氏链）．所谓无后效性，直观地说，就是如果把{ X n}的参数n看作时间的话，那么它在将来取什么值只与它现在的取值有关，而与过去取什么值无关． 对具有N个状态的马氏链，描述它的概率性质，最重要的是它在n时刻处于状态i下一时刻转移到状态j的一步转移概率： 若假定上式与n无关，即，则可记为（此时，称过程是平稳的），并记 （1）称为转移概率矩阵． 例1 设某抗病毒药销售情况分为“畅销”和“滞销”两种，

部分可观察马尔可夫决策过程研究进展.

0引言 部分可观察马尔可夫决策过程 (partially observable Markov decision processes , POMDP 描述的是当前世界模型部分可知的情况下,智能体 Agent Agent 的例如, 足球运动员在球场上踢足球, 每个球员并不完全清楚他周围的所有状态, 当他向前带球的过程中, 他可能知道在他前面人的位置和状态, 但是可能不知道在他后面的其他队友的位置和状态, 此时他观察到的信息是不完整的, 但是一个优秀的足球运动员往往靠着一种感觉传给他身后的最有利的队员, 使其进行最有利的进攻, 过程就是部分可观察马尔可夫决策过程。在部分可感知模型中, 不仅要考虑到状态的不确定性, 同时还要考虑到动作的不确定性,这种世界模型更加能够客观的描述真实世界, 因此应用十分广泛。 本文综述了目前在 POMDP 领域的研究情况, 介绍了 MDP 的数学理论基础和决策模型, 以及一种典型的 POMDP 决策算法-值迭代算法, 介绍了目前现有的几种经典的决策算法, 并分析它们之间的优点和不足, 列举了一些 POMDP 常见的应用领域, 并进行了总结和展望。 1马尔可夫决策过程 Agent 每一个时刻都要做一些决策, 做决策时不仅要考虑甚至是其它 Agents (Markov decision process , MDP 的最优解, MDP 可以用一个四元组 < , >来描述 [1] :

:Agent 的行为集; , : ×:当 Agent 在状态 , 可能转移到状态的概率, 使用 | :→ 情况下 采用动作 -2116- -2117 - , Agent 使 Agent 选择的动作能够获得

马尔可夫模型介绍(从零开始)

马尔可夫模型介绍（从零开始） （一）：定义及简介： 介绍（introduction） 通常我们总是对寻找某一段时间上的模式感兴趣，这些模式可能出现在很多领域：一个人在使用电脑的时候使用的命令的序列模式；一句话中的单词的序列；口语中的音素序列。总之能产生一系列事件的地方都能产生有用的模式。 考虑一个最简单的情况：有人(柯南？)试图从一块海藻来推断天气的情况。一些民间的传说认为“soggy”的海藻意味着潮湿（wet）的天气，“dry”的海藻预示着晴朗（sun）。如果海藻处于中间状态“damp”，那就无法确定了。但是，天气的情况不可能严格的按照海藻的状态来变化，所以我们可以说在一定程度上可能是雨天或是晴天。另一个有价值的信息是之前某些天的天气情况，结合昨天的天气和可以观察到的海藻的状态，我们就可以为今天的天气做一个较好的预报。 这是在我们这个系列的介绍中一个非常典型的系统。 ?首先我们介绍一个可以随时间产生概率性模型的系统，例如天气在晴天或者雨天之间变动。?接下来我们试图去预言我们所不能观察到的"隐形"的系统状态，在上面的例子中，能被观察到的序列就是海藻的状态吗，隐形的系统就是天气情况 ?然后我们看一下关于我们这个模型的一些问题，在上面那个例子中，也许我们想知道 1. 如果我们观察一个星期每一天的海藻的状态，我们是否能知相应的其天气情况 2. 如果给出一个海藻状态的序列，我们是否能判断是冬天还是夏天？我们假设，如果海藻干（d ry）了一段时间，那就意味着是夏天如果海藻潮湿（soggy）了一段时间，那可能就是冬天。 （二）：生成模式（Generating Patterns） ?确定的模式（Deterministic Patterns） 考虑交通灯的例子，一个序列可能是红-红/橙-绿-橙-红。这个序列可以画成一个状态机，不同的状态按照这个状态机互相交替

马尔科夫决策解决方案

马尔科夫决策解决方案 篇一：马尔可夫决策过程模型 3。马尔可夫决策过程模型 本节介绍了MDP模型来确定相互制约的服务商到客户系统调度策略,分配区分服务器优先级的客户。医药科学的MDP模型作为一个线性规划模型,以至于考虑与约束不可以添加扩展马尔可夫状态空间,从而允许有效的线性规划算法标识最佳相互制约政策。消费者要求达到的服务,都有一个关联的位置和分为高优先级或低优先级。服务器救护车所分化他们的答复和服务时间。我们可以捕捉时间从一个服务器是派去当它到达现场,捕捉的总时间和服务时间为客户服务,包括响应客户时间,对待客户现场,运输一个客户去医院,并返回到服务。目标是确定哪些服务器调度到达客户最大化平均水平.总奖励每阶段给予最低标准股本。回复一个电话的奖励是解释作为高优先级客户的可能性是对一个固定的时间内一个RTT目标函数已经成为最好的效率的性能的措施，在EMS系统。在模型中,客户根据到达泊松过程的速度。当一个客户到达时,其位置和优先级评估,和一家派往它可用的服务器。的模型使得几个假设: 1.如果客户和服务器可用,到达服务器必须派遣。 2。只有服务器-服务器位于他们家庭基站可以被派往客

户。 3。一个服务器分配给每个客户。 4。然后服务器返回服务客户。 5。服务时间不依赖于客户优先权和指数分布。 6。有一个零长度队列为客户。 我们将讨论如何修改模型 电梯的假设和假设一个强大的影响产生的政策。需要服务器被派往客户如果服务器是可用非理想的政策合理,因为这里的模型是出于EMS体系中,为所有客户提供服务是一个主要的公共服务系统的目标。此外,由于担忧的责任,而不是保留是一种能力,嵌入在EMS调度和政策实践,约束的服务提供者。为了简单起见,所有服务器维修后返回本国驻地客户,当他们说为其他客户服务可用,服务器不能动态改航。在实践中,服务器可以从以外的地点派遣他们家电台,当服务器完整的服务。以允许救护车被派遣本国驻地以外的位置,可以扩大到包括状态空间辅助服务器的位置相对应服务器完成服务。同样地,可以将状态空间扩大到包括辅助客户地点,对应一个服务器是谁前往客户允许服务器动态改航,直到它到达服务客户和位置,相对应的服务器正在接近尾声与另一个客户的服务。关于第五假设,尽管它将琐碎包含服务时间依赖于客户优先级,指数提升,因为我们假设是更难了必须扩大状态方程考虑non-Markov模型。我们承认这是一个强

马尔可夫决策过程 马尔可夫决策过程(Markov Decision Processes

马尔可夫决策过程 马尔可夫决策过程(Markov Decision Processes，MDP) 马尔可夫决策过程概述 马尔可夫决策过程是基于马尔可夫过程理论的随机动态系统的最优决策过程。马尔可夫决策过程是序贯决策的主要研究领域。它是马尔可夫过程与确定性的动态规划相结合的产物，故又称马尔可夫型随机动态规划，属于运筹学中数学规划的一个分支。 马尔可夫决策过程是指决策者周期地或连续地观察具有马尔可夫性的随机动态系统，序贯地作出决策。即根据每个时刻观察到的状态，从可用的行动集合中选用一个行动作出决策，系统下一步（未来）的状态是随机的，并且其状态转移概率具有马尔可夫性。决策者根据新观察到的状态，再作新的决策，依此反复地进行。马尔可夫性是指一个随机过程未来发展的概率规律与观察之前的历史无关的性质。马尔可夫性又可简单叙述为状态转移概率的无后效性。状态转移概率具有马尔可夫性的随机过程即为马尔可夫过程。马尔可夫决策过程又可看作随机对策的特殊情形，在这种随机对策中对策的一方是无意志的。马尔可夫决策过程还可作为马尔可夫型随机最优控制，其决策变量就是控制变量。 马尔可夫决策过程的发展概况 50年代R.贝尔曼研究动态规划时和L.S.沙普利研究随机对策时已出现马尔可夫决策过程的基本思想。R.A.霍华德(1960)和D.布莱克韦尔(1962)等人的研究工作奠定了马尔可夫决策过程的理论基础。1965年，布莱克韦尔关于一般状态空间的研究和E.B.丁金关于非时齐（非时间平稳性）的研究，推动了这一理论的发展。1960年以来，马尔可夫决策过程理论得到迅速发展，应用领域不断扩大。凡是以马尔可夫过程作为数学模型的问题，只要能引入决策和效用结构，均可应用这种理论。 马尔可夫决策过程的数学描述 周期地进行观察的马尔可夫决策过程可用如下五元组来描述：{S，(A(i)，i∈S，q，γ，V},其中S 为系统的状态空间（见状态空间法）；A(i)为状态i(i∈S)的可用行动（措施，控制）集；q为时齐的马尔可夫转移律族，族的参数是可用的行动；γ是定义在Γ(Г呏{(i，ɑ):a∈A(i)，i∈S}上的单值实函数；若观察到的状态为i，选用行动a，则下一步转移到状态j的概率为q(j│i，ɑ)，而且获得报酬γ(j，ɑ),它们均与系统的历史无关；V是衡量策略优劣的指标（准则）。 马尔可夫决策过程的策略 策略是提供给决策者在各个时刻选取行动的规则，记作π＝(π0，π1，π2，…，πn，πn ＋1…)，其中πn是时刻n选取行动的规则。从理论上来说，为了在大范围寻求最优策略πn，最好根据时刻n以前的历史，甚至是随机地选择最优策略。但为了便于应用，常采用既不依赖于历史、又不依赖于时间的策略，甚至可以采用确定性平稳策略。 马尔可夫决策过程的指标 衡量策略优劣的常用指标有折扣指标和平均指标。折扣指标是指长期折扣〔把t时刻的单位收益折合成0时刻的单位收益的βt(β < 1)倍〕期望总报酬；平均指标是指单位时间的平均期望报酬。 采用折扣指标的马尔可夫决策过程称为折扣模型。业已证明：若一个策略是β折扣最优的，则初始时刻的决策规则所构成的平稳策略对同一β也是折扣最优的，而且它还可以分解为若干个确定性平稳策略，它们对同一β都是最优的。现在已有计算这种策略的算法。 采用平均指标的马尔可夫决策过程称为平均模型。业已证明：当状态空间S 和行动集A(i)均为有限集时，对于平均指标存在最优的确定性平稳策略；当S和（或）A(i)不是有限的情况,必须增加条件，才有最优的确定性平稳策略。计算这种策略的算法也已研制出来。