基于EMD-LSTM-ANFIS模型的年径流预测研究

为提高径流预测精度,提出基于经验模态分解(EMD)和长短期记忆(LSTM)神经网络、自适应神经模糊推理系统(ANFIS)相结合的径流预测模型。通过EMD将原始径流序列分解成多个更具规律的分量序列,利用自相关函数法(AFM)和虚假最邻近法(FNN)对每个分量序列进行相空间重构,确定输入、输出向量,建立EMD-LSTM-ANFIS预测模型,并构建EMD-LSTM、EMD-ANFIS、LSTM、ANFIS作对比模型,利用建立的5种模型对云南省龙潭站年径流进行预测及对比分析。结果表明:EMD-LSTM-ANFIS模型对实例年径流预测的平均相对误差为3.18%,平均相对误差较EMD-LSTM、EMD-ANFIS、LSTM、ANFIS模型分别降低55.0%、65.2%、68.1%、78.4%,具有更高的预测精度和更强的泛化能力。EMD-LSTM-ANFIS模型用于径流预测是可行和可靠的。     

基于WPD-TSO-ELM模型的月径流时间序列预测

为提高径流时间序列预测精度,减少计算规模,基于“分解-预测-重构”思想,提出小波包分解(WPD)-金枪鱼优化(TSO)算法-极限学习机(ELM)组合预测模型,并应用于云南省龙潭站、革雷站月径流预测。结果表明,TSO算法具有较好的寻优精度和全局搜索能力,寻优精度优于HHO、GWO、SFO、PSO算法。WPD-TSO-ELM模型对实例龙潭站、革雷站月径流预测的平均绝对百分比误差分别为0.175%、0.121%,预测误差小于WPD~2-TSO-ELM模型,较WPD~1-TSO-ELM、SSA-TSO-ELM、VMD-TSO-ELM模型降低1个数量级以上。WPD-TSO-ELM模型预测精度高、计算规模小,是一种简洁高效的径流时间序列预测模型。     

基于小波分解的AVOA-DELM月径流时间序列预测模型及应用

为提高月径流时间序列预测精度,提出小波分解(WD)-非洲秃鹫优化算法(AVOA)-深度极限学习机(DELM)组合预测模型,并应用于云南省丫勒水文站月径流预测。利用WD对月径流时序数据进行分解,以获得更具规律的子序列分量;通过AVOA优化DELM隐含层神经元数,建立WD-AVOA-DELM模型对各子序列分量进行预测,将预测结果加和重构得到最终月径流预测结果。同时构建基于支持向量机(SVM)、BP神经网络两种预测器的WD-AVOA-SVM、WD-AVOA-BP、AVOA-DELM、AVOA-SVM、AVOA-BP作分析对比模型。结果表明：WD-AVOA-DELM模型对丫勒水文站月径流预测的平均绝对百分比误差为3.02%,预测误差远小于WD-STOA-SVM、WD-AVOA-BP模型,预测精度较AVOA-DELM、AVOA-SVM、AVOA-BP提高1个数量级以上,具有较好的预测效果。WD能科学降低径流序列的复杂性,提高预测精度;AVOA能有效优化DELM关键参数,提高DELM网络性能。     

基于奇异谱分析的SPBO-ANFIS月径流组合预测模型

针对水文时间序列月径流多尺度非平稳性等特点,提出基于奇异谱分解（SSA）的学生心理学优化（SPBO）算法-自适应神经模糊推理系统（ANFIS）月径流组合预测模型,并应用于云南省某水文站月径流预报。首先通过SSA将实例月径流时序数据分解为若干独立子序列分量,以降低时序数据的复杂性;其次介绍SPBO算法原理,通过取8个标准函数对SPBO算法进行仿真验证及比较;最后采用SPBO算法优化ANFIS条件参数和结论参数,建立SSA-SPBO-ANFIS模型对每一个子序列进行预测,叠加后作为最终月径流预测结果,并与基于集合经验模态分解（EEMD）的EEMD-SPBO-ANFIS模型和未经分解的SPBO-ANFIS模型作比较。结果表明：SPBO算法具有较好的寻优精度;SSA-SPBO-ANFIS模型对实例月径流预测的平均绝对百分比误差5.57%,平均绝对误差0.20 m³/s,纳什系数0.994 8,合格率96.7%,预测效果优于EEMD-SPBO-ANFIS模型,远优于SPBO-ANFIS模型。模型及方法可为相关水文时间序列预测研究提供参考。     

基于EMD分解法的大坝变形预测模型及应用

针对传统模型对脉动时间序列的预测效果较差的情况,结合经验模态分解(EMD)、相关向量机(RVM)理论以及改进粒子群算法(IPSO)的优点,提出一种基于EMD分解法的大坝变形预测模型。首先利用EMD分解法对大坝变形时间序列进行分解和重构,使非平稳的大坝变形时间序列平稳化,再以RVM理论为基础进行预测,核函数选用高斯核函数,并采用改进粒子群算法(IPSO)进行寻优,最终建立EMD-RVM(IPSO)大坝变形预测模型。通过实例计算得到,SVM、RVM和EMDRVM(IPSO)三种模型的平均残差分别为5.29 mm、3.13 mm、0.97 mm,并且EMD-RVM(IPSO)模型的预测值误差均控制在5%以内。这证明EMD分解法对非平稳时间序列的预处理可有效提高预测精度,相比于标准SVM模型和RVM模型,EMD-RVM(IPSO)模型的预测精度更高,且结构稀疏度更好,在实际工程中具有一定的可行性。     

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。     

组合多元线性回归模型在径流预测中的应用研究

为提水文预测预报精度,研究提出混合蛙跳算法(SFLA)-组合多元线性回归(CMLR)径流预测模型。首先基于主成分分析(PCA)数据降维和不降维构建CMLR模型;然后利用SFLA同时优化CMLR常数项、偏回归系数和组合权重系数,建立SFLA-CMLR径流预测模型;最后将SFLA-CMLR模型应用于2个年径流预测实例,并构建基于PCA降维处理的SFLA-PCA-MLR、SFLA-PCA-支持向量机(SVM)、最小二乘法(LS)-PCA-MLR、PCA-SVM和未经降维处理的SFLA-MLR、SFLA-SVM、LS-MLR、SVM作对比预测模型。结果表明:SFLA-CMLR模型对2个实例年径流预测的平均相对误差分别为1.54%、4.63%,预测精度均优于SFLA-PCA-MLR等8种模型,具有较好的预测精度和泛化能力。     

基于RDPSO结构优化的三隐层BP神经网络水质预测模型及应用

提出基于随机漂移粒子群(RDPSO)算法结构优化的三隐层BP神经网络水质预测方法,利用RDPSO算法优化三隐层BP神经网络隐层节点数,构建三隐层RDPSO-BP水质预测模型,并与基于单隐层、双隐层节点优化的RDPSO-BP神经网络、基于网络权值阈值优化的RDPSO-BP神经网络预测模型作对比,以云南省五里冲水库总氮预测为例进行实例研究,利用实例60个月的总氮监测资料对此4种模型进行训练和预测。结果显示,三隐层RDPSO-BP神经网络模型对总氮预测的平均相对误差绝对值为6.98%,预测精度远高于其他3种模型,具有较好的预测精度和泛化能力。模型及方法可为相关水质预测研究提供参考。     

基于WPT-ISO-RELM模型的月径流时间序列预测研究

为提高月径流时间序列的预测精度,提升基本蛇群优化(SO)算法搜索能力,同时提升正则化极限学习机(RELM)预测性能,提出了小波包变换(WPT)-改进蛇群优化(ISO)算法-RELM预测模型。首先,利用WPT将月径流时间序列分解为低频分量和高频分量;其次,通过构建8个RELM超参数寻优适应度函数对ISO寻优能力进行检验,并与SO算法、灰狼优化(GWO)算法、变色龙群算法(CSA)、鲸鱼优化算法(WOA)、樽海鞘群体算法(SSA)、侏獴优化算法(DMO)、粒子群优化算法(PSO)的优化结果作对比;最后,建立WPT-ISO-RELM模型,并构建包含WPT-SO-RELM在内的17种模型作对比模型,通过黑河流域莺落峡水文站、讨赖河水文站2个月径流预测实例对各模型进行验证。结果表明：(1)ISO寻优精度优于SO、GWO、CSA、WOA、SSA、DMO、PSO,通过关键参数的改进,能有效提升ISO的极值寻优能力和平衡能力;(2)WPT-ISO-RELM模型对莺落峡水文站、讨赖河水文站月径流预测的平均绝对百分比误差分别为0.854%、0.447%,平均绝对误差分别为0.245、0.068 m     

人工电场算法优化的极限学习机大坝变形预测模型研究

为提高水库大坝变形预测精度,研究一种将人工电场算法(AEFA)与极限学习机(ELM)相结合的预测方法。以官地水电站72期大坝沉降数据为例,构建延迟时间为1,嵌入维数为2、3、5的3种ELM预测模型,利用AEFA优化ELM输入层权值和隐含层偏值,构建3种不同嵌入维的AEFA-ELM大坝变形预测模型,并构建对应的AEFA-支持向量机(SVM)、AEFA-BP作预测对比模型。将9种不同嵌入维的AEFA-ELM、AEFA-SVM、AEFA-BP模型用于实例大坝变形数据的训练和预测。结果表明：嵌入维数为2、3、5的AEFA-ELM模型对实例后10期大坝变形预测的平均相对误差分别为3.94%、4.08%、3.67%,预测误差均小于AEFA-SVM、AEFA-BP模型,具有较高的预测精度,对大坝变形预测研究具有一定的参考价值。     

遗传算法与最小二乘支持向量机在年径流预测中的应用

为克服最小二乘支持向量机(LSSVM)依赖人为经验选择学习参数的不足,利用遗传优化算法(GA)选择LSSVM惩罚因子C和核函数参数σ2,构建GA-LSSVM年径流预测模型,并构建LSSVM、GA-BP和传统BP模型作为对比,以云南省河边水文站年径流预测为例进行实例研究,利用实例前30 a和后22 a资料分别对各模型进行训练和预测。结果表明:GA-LSSVM模型对实例后22 a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3.13%、8.66%,预测精度优于LSSVM、GA-BP和传统BP模型。GA算法全局寻优能力强,利用GA算法优化得到的LSSVM学习参数可有效提高LSSVM模型的预测精度和泛化能力。     

WPT-HPO-ELM径流多步预报模型研究

为提高径流时间序列多步预报精度,建立了小波包变换(WPT)-猎人猎物优化(HPO)算法-极限学习机(ELM)相融合的径流时间序列多步预报模型,并应用于云南省南康河水文站月径流和日径流时间序列多步预报。引入HPO算法原理,在不同维度条件下选取6个典型函数对HPO进行仿真验证;利用2层WPT将径流时序数据分解为4个子序列分量,达到降低径流序列数据复杂性和不平稳性的目的;采用HPO优化ELM输入层权值和隐含层偏值,建立WPT-HPO-ELM模型对实例月径流和日径流进行多步预报。结果表明：HPO算法具有较好的寻优精度和全局搜索能力;WPT-HPO-ELM模型对预见期为1～3个月的月径流具有理想的预报效果,预报的平均绝对百分比误差≤2.43%,合格率≥99.2%,确定性系数≥0.999;对预见期为4～6个月的月径流具有较好的预报效果,预报的平均绝对百分比误差≤15.0%,合格率≥73.3%,确定性系数≥0.991;当预见期≥7个月时,预报效果较差。对预见期为1～3 d的日径流具有理想的预报效果,预报的平均绝对百分比误差≤1.23%,合格率为100%,确定性系数≥0.999;对预见期为4～7 d的...     

基于KPCA-PSO-SVM的径流预测研究

为提高径流预测模型的准确性与稳定性,对KPCA-PSO-SVM的径流预测方法进行了研究。在分析径流影响因素的基础上,利用核主成分分析(KPCA)法对径流影响因子进行非线性特征提取,获得主成分作为支持向量机(SVM)的输入变量,建立了径流预测SVM模型,其中模型参数通过粒子群算法(PSO)进行优化。模型建立后,以新疆伊犁河雅马渡站中长期径流预测为例进行分析。预测分析结果表明,在拟合和检验阶段模型的平均相对误差分别为0.77%和7.64%,与其他预测模型比较,基于KPCA-PSO-SVM方法建立的径流预测模型有较好的预测和泛化能力,是一种行之有效的中长期径流预测方法。     

鸟群算法-投影寻踪回归模型在多元变量年径流预测中的应用

利用投影寻踪回归(PPR)模型进行年径流预测。针对PPR模型矩阵参数难以确定的不足,利用一种新型群体智能仿生算法——鸟群算法(BSA)优化PPR模型矩阵参数,提出BSA-PPR预测模型,以新疆伊犁河雅马渡站年径流预测为例进行实例研究,并构建BSA-SVM模型作对比。利用实例前17年资料对模型进行训练,后6年资料进行预测。结果表明:BSA-PPR模型对实例后6年年径流预测的平均相对误差绝对值为5.99%,精度优于BSA-SVM模型及相关文献,具有较高的预测精度和泛化能力。该模型及方法可解决其他相关回归预测问题,具有良好的应用前景。     

基于改进支持向量机模型的开都河年径流量预测

针对回归支持向量机(SVR)惩罚因子C和核函数参数g的选取对模型性能有着关键性影响以及在实际应用中存在参数选取等困难,提出基于启发式算法的PSO-SVR和GA-SVR年径流预测模型,以新疆开都河大山口水文站年径流预测为例进行实例研究。首先,利用DPS软件选取年径流影响因子,确定输入向量;其次,基于粒子群算法(PSO)、遗传算法(GA)基本原理,采用PSO、GA优化SVR惩罚因子C和核函数参数g,构建PSO-SVR和GA-SVR年径流预测模型,并构建基于网格划分(GS)与交叉验证(CV)算法相结合的GS-SVR模型作为对比模型。最后,利用所构建的模型对实例进行预测分析。结果表明:PSO-SVR和GA-SVR模型对开都河1996—2012年径流预测的平均相对误差绝对值分别为2.65%、3.22%,平均绝对误差分别为1.055亿m3和1.291亿m3,预测精度和泛化能力均优于GS-SVR模型,表明PSO和GA能有效对SVR惩罚因子C和核函数参数g进行优化,具有预测精度高、泛化能力强以及稳健性能好的特点。相对而言,PSO-SVR模型性能略优于GA-SVR模型。     

基于小波分解及Arima误差修正的径流预测模型及应用

为改善传统径流预测模型对随机性时间序列的预测效果并不理想的现状,构建基于小波分解及Arima误差修正的径流预测模型。应用小波分解法将径流时间序列进行分解和重构,使非平稳、随机性的径流时间序列平稳化,对数据样本预处理后建立以相关向量机(RVM)为理论基础的径流预测模型,并采用改进粒子群算法进行核函数全局寻优,最后对模型拟合残差进行Arima误差修正。通过实例计算得到传统支持向量机(SVM)模型、RVM模型和径流预测模型的预测值平均误差分别为8.60%,9.02%和3.64%。结果表明:通过小波分解及重构方法对非平稳时间序列的预处理可有效提高预测精度,同时Arima误差修正也有很好的效果,相比于SVM模型、RVM模型,基于小波分解及Arima误差修正的径流预测模型具有更高的预测精度,在实际工程中具有一定的可行性。     

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。     

回归支持向量机集成模型在年径流预测中的应用

为进一步提高径流预测精度和泛化能力,根据回归支持向量机(SVR)特性及基本原理,提出考虑不同影响因子(输入向量)的SVR集成预测模型,以云南省南盘江西桥站1961—2007年径流预测为例进行实例研究。首先,利用相关分析法选取年径流预测的若干影响因子,依次构建不同影响因子的SVR单一模型对研究实例进行预测,并构建对应的RBF模型作为对比预测模型;然后,采用加权平均和简单平均2种方法对具有较好预测精度和互补性的单一模型的预测结果进行综合集成。结果表明基于SVR的加权平均和简单平均2种集成模型径流预测的平均相对误差绝对值分别为1.27%和1.54%,最大相对误差绝对值分别为2.99%和2.74%,其精度和泛化能力均大幅优于各单一模型以及基于RBF的加权平均和简单平均集成模型,表明加权平均SVR和简单平均SVR集成模型具有较高的预测精度和泛化能力。相对而言,加权平均集成模型赋予了预测效果好的模型更大的权重,预测精度和泛化能力均优于简单平均集成模型。预测模型和方法可为相关预测研究提供参考和借鉴。     

静电放电算法-混合核SVM的月径流预报模型及应用

为提高水文预测预报精度,构建基于多项式核与高斯核混合的支持向量机(SVM),利用静电放电算法(ESDA)优化混合核SVM关键参数和混合权重系数,提出混合核ESDA-SVM枯水期月径流预测模型,并构建高斯核ESDA-SVM、多项式核ESDA-SVM及ESDA-BP作对比预测模型,以云南省某水文站枯水期1—4月月径流预测为例进行实例研究,利用实例前24 a和后10 a资料对各模型进行训练和预测。结果表明,混合核ESDA-SVM模型对实例1—4月月径流预测的平均相对误差绝对值分别为4.09%、3.32%、3.51%和5.64%,预测精度均高于多项式核ESDA-SVM等3种模型。混合核ESDA-SVM模型综合了多项式全局核函数和高斯局部核函数二者优点,在预测精度、泛化能力等方面均优于对比模型,具有较好的实际应用价值。     

基于奇异谱分析与梯度优化算法优化的RVM、SVM月径流预测研究

基于序列分解—参数优化—分项预测—结果叠加思想,构建奇异谱分析（SSA）-梯度优化（GBO）算法与相关向量机（RVM）、支持向量机（SVM）集成的中长期月径流预测模型。首先采用SSA方法对实例月径流数据进行处理,提取多个独立的子序列;其次介绍GBO算法原理,基于6个典型函数对GBO算法进行仿真测试。利用GBO算法优化RVM核宽度因子和超参数、SVM惩罚因子和核函数参数,分别建立SSA-GBO-RVM、SSA-GBO-SVM模型对各子序列进行预测,叠加后作为最终月径流预测结果;最后以云南省龙潭站65年共780个月月径流预测为例,选取实例前53年作为训练样本,后10年共120个月作预测样本对SSA-GBO-RVM、SSA-GBO-SVM模型进行检验。结果表明:GBO算法在不同维度条件下寻优效果优于MPA、PSO算法,具有较好的寻优精度和全局搜索能力。SSA-GBO-RVM、SSA-GBO-SVM模型对实例120个月月径流预测的平均绝对百分比误差分别为6.20%、7.82%,平均绝对误差分别为0.88、1.00 m³/s,纳什系数分别为0.992 6、0.991 3,均...