基于GA-BP与多隐层BP网络模型的水质预测及比较分析

采用循环算法确定最佳BP神经网络结构,建立BP神经网络水质模型进行预测.鉴于BP神经网络学习收敛速度慢、易陷入局部极值等缺点,在相同网络结构及期望误差等条件下,运用GA优化BP神经网络初始权值和阈值,构建GA-BP以及多隐层BP神经网络水质预测模型,以云南省某水库总氮预测为例进行预测与比较分析.结果表明:①GA-BP网络水质模型预测精度高于基本BP网络,表明遗传算法能有效优化BP网络初始权值和阈值.②增加BP神经网络隐层数能进一步提高网络预测精度,但训练时间也随着延长.③GA-BP及多隐层BP可作为提高网络预测精度的有效方法,二者均可用于水质预测预报,可为水质预测预报提供新的途径和方法.相对而言,GA-BP模型收敛速度快、预测精度高,具有一定的计算优势.     

Elman神经网络模型在水质预测中的应用

基于Elman神经网络基本原理和方法,以曲靖市潇湘水库总氮预测为例,采用SPSS软件分析总氮与环境因子的相关性,选取与总氮显著相关的pH、DO、NH_4~+-N、NO_2~--N、NO_3~--N和透明度作为网络输入,总氮作为输出,构建单、多隐层Elman神经网络水质预测模型,并构建RBF、GRNN神经网络水质预测模型作为对比模型。结果表明,单、多隐层Elman神经网络水质预测模型泛化能力强,预测精度高,算法稳定,预测精度随着隐层数的增加而提高。单、多隐层Elman神经网络模型均可用于水质预测预报,可为水质预测预报提供新的途径和方法。     

WPA-BP神经网络模型在枯水期月径流预测中的应用

通过8个高维复杂函数对一种新型仿生群体智能算法——狼群算法(WPA)进行仿真验证,并与粒子群优化(PSO)算法进行对比。针对BP神经网络易陷入局部极值及初始权阈值参数难以确定的不足,利用WPA算法优化BP神经网络初始参数,提出WPA-BP径流预测模型,以云南省龙潭站枯水期月径流预测为例进行实例验证,并与PSO-BP及BP模型进行比较。结果表明:1WPA算法收敛精度远远优于PSO算法,具有较好的计算鲁棒性和全局寻优能力;2WPA-BP模型预测精度优于PSO-BP及BP模型,具有较好的预测精度和泛化能力。利用WPA算法优化BP神经网络的初始权值和阈值,可有效提高BP神经网络的预测精度和泛化能力。     

水库型饮用水水源地水质综合评价RDPSO-RF模型及应用

提出一种基于随机漂移粒子群(RDPSO)算法优化的随机森林(RF)水质综合评价方法,利用RDPSO算法优化RF决策树数量和分裂属性个数2个关键参数,构建RDPSO-RF评价模型,并与基于RDPSO算法优化的回归支持向量机(SVR)评价模型作对比,以红河州17个水库型饮用水水源地水质综合评价为例进行实例研究。通过评价因子各分级阈值构建样本对RDPSO-RF、RDPSO-SVR模型进行训练及测试,利用测试好的模型对实例水质进行综合评价。结果表明:RDPSO-RF模型对训练、测试样本模拟的平均相对误差绝对值分别为0.33%、0.90%,拟合-测试精度远优于RDPSO-SVR模型的1.12%、3.07%,具有较好的评价精度和泛化能力。RDPSO-RF、RDPSO-SVR模型对实例17个水源地水质评价结果基本相同,但有3个水源地水质评价结果存在差异。提出的RDPSO-RF模型及方法可为相关水质评价研究提供参考。     

基于多组群教学优化的随机森林预测模型及应用

为有效提高水文预测预报精度,提出了一种基于多组群教学优化(MGTLO)的随机森林(RF)预测方法,利用MGTLO算法对RF两个关键参数进行优化,构建MGTLO-RF预测模型,并与基于MGTLO算法优化的支持向量机(SVM)、BP神经网络两种常规预测模型作对比分析。以云南省龙潭站月径流和年径流预测为例进行实例研究,利用前44 a和后10 a资料对MGTLO-RF等3种模型进行训练和预测。结果表明:所提出的MGTLO-RF模型具有更好的预测精度和泛化能力,可作为水文预测预报和相关预测研究的一种有效工具。     

基于粒子群算法优化的径向基函数水质预测模型

应用粒子群算法优化径向基函数神经网络的权值,建立水质预测模型,并以青弋江水质预测为应用实例,检验模型的可行性和预测精度。结果表明,基于粒子群算法优化的径向基函数水质预测模型,结构清晰,易于实现,具有较好的预测能力。     

基于小波去噪及优化BP神经网络的滑坡变形预测研究

为提高滑坡变形预测精度,以小波去噪和优化BP神经网络为基础,构建了滑坡变形预测模型,即先利用小波去噪剔除滑坡变形序列中的误差信息,再利用BP神经网络实现滑坡变形预测,且为保证其预测精度,利用试算筛选和混沌理论优化其模型参数,以实现滑坡变形的优化预测。实例研究表明:小波函数、阈值选取方法和小波分解层数对去噪效果的影响较大,sym8小波函数、软阈值及12层分解层数组合在实例中的去噪效果相对最优;同时,隐层节点数优化和节点阈值优化能有效提高BP神经网络的预测精度,在初步预测效果评价中,SH1号监测点的相对误差均小于2%,平均相对误差仅为1.65%,并在可靠性验证中,SHZ2号和SHZ3号监测点预测结果的平均相对误差分别为1.54%和1.51%,说明该模型不仅具有较高的预测精度,还具有较好的稳定性,适用于滑坡变形预测。     

改进BP神经网络集成模型在径流预测中的应用

为提高径流预测预报的精度和泛化能力,建立了基于3种基本改进算法的BP神经网络集成预测模型。利用ADF单位根检验方法、自相关分析方法确定径流时间序列的平稳性和模型的输入向量。针对BP神经网络标准算法收敛速度慢、易陷入局部极值的缺陷,采用自适应动量梯度法、共轭梯度法和Levenberg-Marquardt法分别改进BP神经网络标准算法,依次构建基于3种改进算法的BP神经网络模型对文山州南利河董湖水文站年径流进行预测,并构建GA-BP预测模型作为对比模型;采用加权平均方法对各单一模型预测结果进行综合集成。结果表明:集成模型对南利河2001-2005年径流预测平均相对误差绝对值为4.67%,最大相对误差绝对值为7.11%,精度和泛化能力均优于各单一模型和GA-BP模型。集成模型克服了单一模型预测精度不高和误差不稳定的缺点,具有较好的预测精度和泛化能力,是提高径流预测预报精度的有效方法。     

基于BP神经网络的水体叶绿素a浓度预测模型优化研究

利用自动监测数据,采用神经网络对水体中叶绿素a含量进行预测,是水体中叶绿素a含量预测的主要手段之一。但受梯度下降法局部搜索的限制,传统BP神经网络模型预测精度和稳定性均存在问题。鉴于此,引入全局搜索的思维进化算法优化BP神经网络权值、阈值,提高叶绿素a预测效率;并采用偏导方法对预测模型输入因子敏感性进行分析,精简模型输入因子。结果表明:在叶绿素a的BP神经网络预测模型中,引入思维进化算法可显著提高网络训练稳定性和精度,预测精度波动范围从[0.364,0.978]提高至[0.917,0.983],平均预测精度从0.950提高到0.968。利用Dimopoulos敏感性分析将模型输入因子从12因子精简为8因子后,平均预测精度从0.968降至0.962,预测精度波动范围从[0.917,0.983]变为[0.921,0.976],预测模型稳定性更好;在输入因子数目均为8条件下,基于Dimopoulos方法敏感性分析结果筛选出的输入因子组合平均预测精度明显高于基于主成分分析法筛选出的输入因子组合。研究可为基于BP神经网络叶绿素a预测模型输入因子优化提供参考,提高模型预测的稳定性。     

基于GRA-MEA-BP耦合模型的城市需水预测研究

针对城市需水量影响因子多、BP神经网络收敛速度慢、精度低、易陷入局部最优等问题,提出灰色关联分析、思维进化算法、BP神经网络三者耦合的改进预测模型,利用灰色关联分析(GRA)筛选需水量主要影响因子,采用全局搜索能力极强的思维进化算法(MEA)优化BP神经网络的权值和阈值,从而构建GRA-MEA-BP耦合需水预测模型,同时建立BP神经网络模型作为对比。实例应用结果表明,GRA-MEA-BP耦合模型具有更高的预测精度和预测速度,可作为一种有效的需水预测模型。     

北方某水库总氮浓度预测的神经网络改进方法

为解决先验数据有限情况下北方Q水库的水质预测问题,提出一种以马尔可夫方法进行修正误差的BP神经网络预测模型.针对Q水库的水质特点,使用总氮作为参考序列,对常规指标进行灰色关联分析,以确定神经网络的输入向量.选择同总氮关联度较大的氨氮、总磷以及总氮本身作为输入向量,以总氮为输出向量,应用BP人工神经网络,对总氮浓度进行预测.将神经网络测试样本的相对误差序列作为马尔可夫方法的状态集,对检验样本的相对误差状态进行预测.根据相对误差结果对BP神经网络预测值进行修正.结果表明,该方法能有效改进预测结果,提高精度.     

基于Elman-马尔科夫模型的深基坑变形预测

为提高深基坑变形预测精度,在基坑地表沉降预测中引入反馈型Elman神经网络模型,利用Elman神经网络算法实现基坑沉降位移时间序列的滚动预测。以西安地铁5号线某车站基坑工程为例,基于组合预测思想,结合神经网络和马尔科夫链两种预测方法,建立了马尔科夫链优化的神经网络基坑地表沉降预测模型,借助马尔科夫链模型对其随机扰动误差进行修正,并与前馈型BP神经网络滚动预测模型对比。研究结果表明：Elman神经网络预测模型在修正前、后的预测效果均优于BP神经网络模型。设计开发出的基于MATLAB的图形用户界面（GUI）预测系统实现了模型预测过程便捷化,使预测过程能够以图形结果动态展现,具有较强实用价值。     

改进RBF-Adaboost模型及其在年径流预测中的应用

为提高径向基神经网络(RBF)在年径流预测中精度,提出基于Adaboost算法及线性递减算法改进的RBF-Adaboost预测模型,以云南省姑老河站年径流预测为例进行实例研究,并构建RBF、GA-BP及BP模型作为对比模型.利用实例前34年和后20年资料对所构建的模型进行训练和预测.结果表明:改进RBF-Adaboost模型对实例后20年年径流预测的平均相对误差绝对值和最大相对误差绝对值分别为4.83％、9.51％,预测精度优于RBF、GA-BP及BP模型.RBF-Adaboost模型集成了多个基于扩展系数及期望误差线性递减改进的RBF神经网络弱预测器,有效提高了RBF神经网络模型在年径流预测中的精度,模型具有预测精度高、泛化能力强等优点.     

基于多尺度小波变换WNN的灌区灌溉水量研究

选取Daubechies(db6)小波系对陆浑灌区1970—2013年的降水量及作物需水量时间序列进行多时间尺度水平分解,以得到的1970—2003年的小波系数为输入数据、灌溉水量为输出数据,构建多尺度小波变换的小波神经网络进行预测模拟,并利用单隐层BP、双隐层BP神经网络和小波神经网络分别进行了预测比较,结果表明:基于多尺度小波变换的小波神经网络模型的模拟精度和预测的稳定性均高于其他3种模型,4种预测模型的预测值平均相对误差排序为单隐层BP神经网络双隐层BP神经网络小波神经网络多尺度小波变换的小波神经网络。     

基于改进正余弦优化神经网络的水体余氯预测

为保证居民用水安全,搭建更加准确、稳定的水质余氯预测模型,提出了一种改进正余弦算法优化神经网络的水体余氯预测模型。在正余弦算法(SCA)位置变化中加入非线性权重,平衡全局勘探和局部开发能力;同时在粒子更新后融入Levy飞行,丰富种群多样性,强化局部搜索能力;将改进正余弦算法用于BP神经网络参数优化,搭建ISCA-BP水体余氯预测模型。利用在线水质监测设备的监测数据进行余氯含量预测,不同预测模型结果对比表明,ISCA-BP模型预测结果相对误差的平均值为4.04%,均方根误差为0.011 3 mg/L,与BP、RBF神经网络模型相比,误差最小,模型预测结果与实际值最接近,泛化能力更强,预测结果精确度高,稳定性好。     

基于改进PSO-RF算法的大坝变形预测模型

针对传统随机森林参数寻优方法的不足,引入均衡惯性权重和自适应变异对粒子群优化算法进行改进,提出了一种基于改进粒子群优化算法和随机森林算法(改进PSO-RF算法)的大坝变形预测模型。实例验证结果表明,在计算效率方面,与传统网格搜索法相比,改进PSO-RF算法显著提升了模型的寻优速度;在预测精度和稳定性方面,基于改进PSO-RF算法的大坝变形预测模型明显优于长短期记忆网络、支持向量机和BP神经网络模型。     

随机神经网络与支持向量机在枯水期月径流预测中的应用

针对支持向量机(SVM)最佳算法参数难以确定的不足,利用典型随机神经网络RNN—Boltzmann机能量全局最小状态对应待优化目标全局极小值原理,提出Boltzmann-SVM预测模型,利用Boltzmann机搜寻SVM学习参数,并与基于GA算法搜寻SVM学习参数的GA-SVM预测模型作对比,以云南省河边水文站枯水期1月径流预测为例进行实例研究,利用实例前40年和后6年资料对模型进行训练和预测。结果表明:Boltzmann-SVM模型对实例后6年枯水期1月月均径流预测的平均相对误差绝对值和最大相对误差绝对值分别为7.30%、9.01%,精度优于GA-SVM模型,表明Boltzmann-SVM模型具有较好的预测精度和泛化能力。Boltzmann机融合了模拟退火算法(SA)与BP、Hopfield神经网络在网络结构、学习算法和动态运行机制中的优点,在解决组合优化问题上具有全局寻优能力强、收敛速度快等特点。     

基于果蝇算法的BP神经网络对双馈异步发电机绝缘寿命预测研究

针对双馈异步发电机绝缘寿命预测的效率和精度有待提高的问题,提出一种基于果蝇算法(Fruit fly optimization algorithm,FOA)优化BP神经网络的预测方法,有效提升了BP神经网络寻优的快速性和准确性。利用果蝇算法多点全局的快速搜索能力来优化BP神经网络模型的权值和阈值,对比发现,BP神经网络经优化后寻优效率和预测精度明显提高。试验结果表明:通过果蝇算法优化BP神经网络来预测电机绝缘剩余寿命是正确和有效的,为电机绝缘剩余寿命预测提供了一种新途径。     

基于中心逼近式灰色神经网络模型的水质预测

对时间序列建立中心逼近式GM(1,1)模型,通过优选模型的m值弱化序列变幅,利用BP神经网络对该模型残差值进行拟合修正,以此构建一个基于中心逼近式GM(1,1)模型的灰色神经网络预测模型.应用实例的计算结果表明,该模型可提高水质预测精度.     

花授粉算法-BP神经网络模型及其在月径流预报中的应用

通过5个典型高维函数对一种新型群智能优化算法——花授粉算法(FPA)进行仿真验证,并与粒子群优化(PSO)算法进行对比分析。针对BP神经网络初始权值、阈值参数难以确定的不足,利用FPA算法优化BP神经网络初始权值和阈值,提出FPA-BP预报模型,以清水江水文站12月月平均流量预报为例进行实例研究。结果表明:1FPA算法收敛精度优于PSO算法,具有较好的收敛速度和全局寻优能力;2FPA-BP模型对实例2001—2005年月平均流量预报的平均相对误差绝对值为2.38%(5次平均),预报精度优于PSO-BP、BP模型。利用FPA算法优化BP神经网络的初始权值和阈值,有效提高了BP神经网络的预报精度和泛化能力,且拓展了BP神经网络初始权值、阈值的优化方法,为相关预报研究提供了参考。