北方偉業(yè)計量集團有限公司
為了更好的驗證模型的預測效果,本文采用均方根誤差(RMSE)、平均絕對值百分比誤差(MAPE)、平均絕對誤差(MAE)的三個評價指標。
如式(24)-(26):
均方根誤差(RMSE):
平均絕對值百分比誤差(MAPE):
平均絕對誤差(MAE):
式(24)-(26)中,yt為第t天的溶解氧含量;yˆt為第t天的溶解氧含量的預測值;N為預測樣本數(shù)。均方根誤差是常見得衡量回歸模型性能的評價指標,RMSE指標越小,說明模型的預測精度越高。
本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、SVR、PSO-SVR、GNIPSO-SVR模型分別在未特征選擇、MI特征選擇和PCA-MI組合特征選擇的方法下進行仿真實驗并對預測結(jié)果進行了統(tǒng)計分析,如表3所示。從表3可以看出,采用PCA-MI特征選擇方法的預測模型性能均優(yōu)于未特征選擇和MI特征選擇的預測模型,而且對于未特征選擇的溶解氧數(shù)據(jù)集,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預測性能高于SVR模型,經(jīng)過MI和PCA-MI特征選擇方法的SVR模型的預測性能明顯優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,再次說明SVR預測模型適用于小樣本數(shù)據(jù)集。采用MI特征選擇方法時,選取互信息值較大的作為溶解氧的特征變量,在確定選取的數(shù)目時具有一定的主觀性,而且也忽略了選取的特征變量間的相關(guān)性,降低溶解氧預測模型的精度。
綜上所述,在研究水質(zhì)指標溶解氧問題時選擇的特征變量過少導致建模效果不佳,預測結(jié)果不具有代表性,特征變量多可以提供描述問題的更多信息,但數(shù)據(jù)中會存在無關(guān)和弱相關(guān)且冗余的特征變量,會降低模型的泛化性能。在對溶解氧預測實踐中,PCA-MI特征選擇方法選取的特征變量更具有代表性,能更有效的提高模型預測性能。
從表3的BP、SVR、PSO-SVR和GNIPSO-SVR模型之間的評價指標比較發(fā)現(xiàn),在未特征選擇、MI特征選擇和PCA-MI組合特征選擇上,GNIPSO-SVR模型的MAE、MSE和RMSE均較低,而且經(jīng)過PCA-MI組合特征選擇的GNIPSO-SVR模型的評價指標最低,說明了GNIPSO-SVR模型具有較高的預測性能。
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采集到的數(shù)據(jù)一般不直接采用,需經(jīng)過數(shù)據(jù)的歸一化處理。這是因為水質(zhì)因子指標的范圍比較大,不同的數(shù)據(jù)具有不同的量綱單位,為了消除水質(zhì)指標彼此之間的量綱影響及保證這些數(shù)據(jù)之間具有可比性以及提高模型的運行速度和預測精度。本文采用MATLAB R2018a的map-maxmin函數(shù)進行歸一化處理,如式(23)所示,“apply”模式是將數(shù)據(jù)指標轉(zhuǎn)化到[-1,1]之間,便于對比預測,而“resver”模式可以將數(shù)據(jù)反歸一化回去。
了解更多> >在選取的樣本信息中,水質(zhì)指標濁度與水溫之間的相關(guān)系數(shù)為0.58>0.5,氨氮與電導率之間的相關(guān)系數(shù)為0.547>0.5,在99%的置信區(qū)間下,具有顯著相關(guān)性。而互信息值0.7759(濁度)>0.6800(水溫),0.7854(電導率)>0.7598(氨氮),因此選取電導率、總磷、濁度、高錳酸鉀指數(shù)、PH、總氮等作為水質(zhì)指標中影響溶解氧含量的特征變量。
了解更多> >綜上所述,在研究水質(zhì)指標溶解氧問題時選擇的特征變量過少導致建模效果不佳,預測結(jié)果不具有代表性,特征變量多可以提供描述問題的更多信息,但數(shù)據(jù)中會存在無關(guān)和弱相關(guān)且冗余的特征變量,會降低模型的泛化性能。在對溶解氧預測實踐中,PCA-MI特征選擇方法選取的特征變量更具有代表性,能更有效的提高模型預測性能。
了解更多> >在解決水質(zhì)指標溶解氧的預測問題時,將經(jīng)過PCA和MI組合特征選擇的溶解氧數(shù)據(jù)作為GNIPSO-SVR預測模型的輸入,并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVR、PSO-SVR等預測模型進行對比分析。各個溶解氧預測模型的總體趨勢與實際值都比較吻合,但本文提出的GNIPSO-SVR模型預測DO的曲線更接近實際值的曲線,PSO-SVR模型的預測效果次之,SVR的預測曲線與實際值曲線擬合度最差,尤其是對突變值的擬合情況,各個模型的預測值和實際值的擬合曲線的可視化結(jié)果如圖4-圖7所示。
了解更多> >本文利用主成分分析(PCA)、互信息(MI)、非線性慣性權(quán)重遞減的粒子群優(yōu)化算法(GNIPSO)和支持向量回歸機(SVR),提出了一種基于高斯函數(shù)的非線性權(quán)重遞減的粒子群算法優(yōu)化支持向量回歸機(GNIPSO-SVR)的預測模型,通過實驗證明了GNIPSO算法優(yōu)化SVR的參數(shù)優(yōu)于標準的PSO算法和慣性權(quán)重線性遞減的PSO算法。
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