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均生函数与BP神经网络耦合模拟预测模型研究及应用软件开发——以科尔沁沙地降水、气温模拟预测为例

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均生函数与BP神经网络耦合模拟预测模型研究及应用软件开发——以...

作者：刘丹辉内蒙古农业大学

学位级别：硕士

水文气候因子的变化深刻影响着生态环境、资源的更新变化与开发利用,特别是干旱地区,由于生态环境相对脆弱,对水文气候因子变化敏感。近几十年来,全球水文气候因子的变化对水文水资源和生态环境影响,已成为全球重要的研究内容。通过对... 详细信息

水文气候因子的变化深刻影响着生态环境、资源的更新变化与开发利用,特别是干旱地区,由于生态环境相对脆弱,对水文气候因子变化敏感。近几十年来,全球水文气候因子的变化对水文水资源和生态环境影响,已成为全球重要的研究内容。通过对水文气候因子的模拟预测研究,可进一步丰富完善模拟预测理论,对未来气候变化研究、生态环境改善、水资源合理开发利用等具有一定参考意义。本文在分析总结各类相关已有模拟预测理论的基础上,选择均生函数、BP神经网络为基础方法。通过分析发现,均生函数、BP神经网络及其已有耦合方式在模拟预测中发挥了各自的优势,但仍有进一步可改进空间。从粗选因子集、粗选集组合精选、精度控制条件等进行改进,进一步发挥均生函数和BP神经网络各自优势,建立了一种新的均生函数与BP神经网络耦合模拟预测模型(MGF-BP-Ⅰ模型)。利用MGF-OSR, MGF-OSR-BP、MGF-BP-Ⅰ三种方法五种模式对科尔沁沙地区域平均年降水进行了模拟预测。结果表明：(1)在建模阶段,MGF-OSR-BP, MGF-BP-Ⅰ整体同时最优、MGF-BP-Ⅰ建模阶段最优模式98%的年数相对误差分布于0～0.5%、0～1.25%、0～0.1%，拟合效果均较好,而MGF-BP-Ⅰ建模阶段最优模式精度优于MGF-OSR-BP近3倍。(2)在检验阶段,MGF-OSR、MGF-OSR-BP、MGF-BP-Ⅰ建模阶段最优三种模式的相对误差分布在0-70%之间,跨度大,误差高。MGF-BP-Ⅰ整体同时最优、MGF-BP-Ⅰ检验阶段模式4年的相对误差集中于0～1%、0～2.3%之间,MGF-BP-Ⅰ整体同时最优模式有一年的相对误差为6.45%,精度较高。MGF-BP-Ⅰ检验阶段模式有一年的相对误差为2.66%,精度较高,误差范围集中。MGF-BP-Ⅰ检验阶段最优相比其他模式精度提高了8-27倍。(3)预测发现,未来2015、2017年降水相对丰富,其他年份趋于正常。由于2013、2014年实测数据已出,对比发现,相对误差分别为10.98%和8.65%,预测精度较高。(4)总体上,MGF-BP-Ⅰ模型考虑更加全面,精度远高于其他两种方法,MGF-BP-Ⅰ整体同时最优模式更符合实际应用,效果理想,可用于水文气候因子模拟预测。根据MGF-BP-Ⅰ模型原理,利用Visual C++ 6.0开发工具采用模块化设计,开发了MGF-BP-Ⅰ应用软件。软件主要功能包括三种方法五种模式的实现,模拟预测数据等的查看功能,连接功能,输入输出功能,帮助功能等。将应用软件用于科尔沁沙地区域平均年气温模拟和预测中,结果表明,(1)在建模阶段,MGF-OSR、MGF-BP-Ⅰ检验阶段最优模式93%的年数相对误差集中于1～15%和0～0.3%。MGF-BP-Ⅰ整体同时最优、MGF-BP-Ⅰ建模阶段最优和MGF-OSR-BP模式95%的年数相对误差分布于0～0.03%、0～0.01%和0～0.1%之间,精度较高。(2)在检验阶段,MGF-OSR、MGF-OSR-BP、MGF-BP-Ⅰ建模阶段最优三种模式的相对误差从0-40%之间都有分布。MGF-BP-Ⅰ整体同时最优模式4年的相对误差集中于0-5%之间,精度较高。MGF-BP-Ⅰ检验阶段最优模式相比其他模式精度提高1-3倍。(3)预测发现,未来气温2015年的增速最大,2016年达到最高,2017年气温有所回落。与2013、2014年的实测数据对比,相对误差为7.75%、11.98%,精度可以。(4)总体上,MGF-BP-Ⅰ模拟预测模型可用于气温的模拟预测,软件可用,精度较高。另外,通过使用黄河流域内蒙古段降水进行模拟发现,模型亦有一定区域适应性。同时,本应用软件模块划分明确,结构清晰、界面设计简单、功能齐全,通用及适用性强,可以在水文气候因子中进行更广泛的推广应用。本论文依托内蒙古自治区自然科学基金项目(2014MS0407、2010BS0608)、国家自然科学基金项目(50869005)、教育部《寒旱区水文过程与环境生态效应》创新团队、科技部《寒旱区水文过程与环境生态效应》创新团队完成。

关键词：均生函数 BP神经网络耦合模拟 MGF-BP-I 预测科尔沁沙地 Visual C++6.0 应用软件开发气温降水量

基于均生函数周期叠加外推法的EMD端点问题的研究

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振动与冲击 2013年第15期32卷 138-143页

作者：李钊周晓军徐云浙江大学机械工程学系杭州310027

HHT过程存在端点效应问题,针对端点效应的产生机理,并在研究现有端点效应处理方法的基础上,提出一种基于均生函数周期叠加外推法的端点延拓方法。通过构造信号序列的均生函数延拓矩阵,从中提取优势周期,将各周期叠加并作外延,来对信号... 详细信息

HHT过程存在端点效应问题,针对端点效应的产生机理,并在研究现有端点效应处理方法的基础上,提出一种基于均生函数周期叠加外推法的端点延拓方法。通过构造信号序列的均生函数延拓矩阵,从中提取优势周期,将各周期叠加并作外延,来对信号端点外的数据进行预测。该方法克服了现有各种极值延拓方法仅参考两端点附近的有限个极值点的缺陷,并且相比其它数据预测延拓方法精度更高、算法简便且计算时间大大缩短。仿真和实例信号证明,该方法能够有效抑制端点效应。

关键词： EMD 端点效应均生函数 HHT

三种基于均生函数的统计模型在厄尔尼诺预测中的应用

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海洋科学 2018年第12期42卷 83-93页

作者：王瑞英肖天贵成都信息工程大学大气科学学院

为了探究厄尔尼诺的预测方法,提高其预报准确度与预报时效,本文基于均生函数的基本原理,在普通均生函数模型中分别加入气候序列的本征模函数和预报因子变量,构建了基于EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)的均生函数模型和多... 详细信息

为了探究厄尔尼诺的预测方法,提高其预报准确度与预报时效,本文基于均生函数的基本原理,在普通均生函数模型中分别加入气候序列的本征模函数和预报因子变量,构建了基于EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)的均生函数模型和多变量均生函数模型;并应用三种方案对NINO3区海温指数进行了预报试验。结果表明,两种改进模型对厄尔尼诺的预报效果好于普通均生函数模型,是提高预报准确度的有效手段;同时,利用统计的预报模型,可以在一定程度上有效延长厄尔尼诺的预报时效,具有一定实践意义。

关键词：厄尔尼诺均生函数预报模型

基于均生函数的极限学习机降水预测模型研究与应用

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数学学习与研究 2022年第34期 159-161页

作者：周慧广西科技大学理学院广西柳州545006

本文采用均生函数方法对降水序列进行延拓,以延拓矩阵作为自变量,原始降水序列作为因变量,通过变换极限学习机模型的不同参数,采用组合预测的等权平均法,建立集成极限学习机降水预测模型.本文对柳州市4月份降水数据建立预测模型,并与时... 详细信息

本文采用均生函数方法对降水序列进行延拓,以延拓矩阵作为自变量,原始降水序列作为因变量,通过变换极限学习机模型的不同参数,采用组合预测的等权平均法,建立集成极限学习机降水预测模型.本文对柳州市4月份降水数据建立预测模型,并与时间序列模型预测效果进行对比.实验证明,基于均生函数的集成极限学习机降水预测模型精度明显高于时间序列模型,为降水预测提供了一个有效的方法.

关键词：均生函数极限学习机等权平均降水

均生函数、马尔可夫链法在中长期洪水预报中的应用

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水科学与工程技术 2016年第4期 34-36页

作者：田野解立强梁策林树刚辽宁省沈阳水文局沈阳150400 辽宁省丹东水文局

中长期洪水预报,影响因素多,目前科技手段难以在很长预见期内实现准确预知。通过对均生函数、马尔可夫链法综合应用,对比分析,可以确认是值得推广应用的新方法。

关键词：中长期洪水预报均生函数马尔可夫链法综合研究

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均生函数预报模型的改进实验

气象 2007年第9期33卷 94-97页

作者：唐毓勇蒋国兴周礼杏黄淑娟广西百色市气象局 533000 广西气象局

为了提高对百色市主汛期月降雨量的预报准确率,基于均生函数预报方法,应用百色市1951—2006年6、7、8月份的月降雨资料,通过"短序列建模"和"残差订正"方法进行改进,得到原序列、短序列预报模型及其相应的残差订正预报模型。各改进模型... 详细信息

为了提高对百色市主汛期月降雨量的预报准确率,基于均生函数预报方法,应用百色市1951—2006年6、7、8月份的月降雨资料,通过"短序列建模"和"残差订正"方法进行改进,得到原序列、短序列预报模型及其相应的残差订正预报模型。各改进模型均使预报精度和准确率得到了不同程度的提高,尤其是MGFAFMs模型的预报Ts比MGFFM模型提高了25%。研究结果表明:在月雨量预报业务实践中采取均生函数4模型集合预报方式将是一种很好的选择。

关键词：均生函数短序列建模残差订正集合预报

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均生函数模型在水文预报中的应用

黑龙江水利科技 2018年第7期46卷 187-188页

作者：谭思源何晓光东北农业大学水利与土木学院哈尔滨150030 哈尔滨市呼兰区水务局哈尔滨150500

水文预报是一项惠及国计民生的大事,由此做好水文预报工作就显得尤为重要。文章以松花江流域中下游的佳木斯水文站为研究背景,运用均生函数模型,率定参数、选取特征明显的因子,从而拟合实际序列和预测序列,在拟合多较好的基础上进行一... 详细信息

水文预报是一项惠及国计民生的大事,由此做好水文预报工作就显得尤为重要。文章以松花江流域中下游的佳木斯水文站为研究背景,运用均生函数模型,率定参数、选取特征明显的因子,从而拟合实际序列和预测序列,在拟合多较好的基础上进行一段时间的水文预报工作。结果表明,该方法可以较为有效的表达未来一段时间的水文情势。

关键词：均生函数水文预报松花江流域水文情势

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基于均生函数的大坝水位安全预测

中国安全生产科学技术 2016年第9期12卷 26-29页

作者：杨帆田振凯辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000

大坝水位变化特别是汛期水位的剧烈变化不仅会对大坝的安全运营造成很大影响,甚至会威胁到下游和周边居民的生命财产安全,因此必须对大坝的水位进行安全监测。由于大坝的水位受天气和降水的影响明显,具有一定的周期性,因此,利用均生函... 详细信息

大坝水位变化特别是汛期水位的剧烈变化不仅会对大坝的安全运营造成很大影响,甚至会威胁到下游和周边居民的生命财产安全,因此必须对大坝的水位进行安全监测。由于大坝的水位受天气和降水的影响明显,具有一定的周期性,因此,利用均生函数周期性记忆的特点,建立时间序列与均生函数之间的回归方程,构造预报模型的方法,能准确预测出水位的变化趋势,对一些变化很大的趋势甚至也能准确预测。该方法在大坝安全预测中的应用不仅能给出先导性信息,也为大坝的安全预测工作提供一种新方法。

关键词：安全监测均生函数回归方程变化趋势

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基于均生函数的风电场风速短临预报模型

气象 2013年第2期39卷 226-233页

作者：常蕊朱蓉柳艳香何晓凤中国气象局公共气象服务中心北京100081

风电场风速短临预报是风电预报业务的重要环节之一。选取2011年1、4、7和10月河北及内蒙古两地的两座测风塔观测资料,综合采用均生函数、灰色关联度和多元回归等多种统计预报方法,建立了一套分站点的、15 min动态滚动的未来0～4 h风速... 详细信息

风电场风速短临预报是风电预报业务的重要环节之一。选取2011年1、4、7和10月河北及内蒙古两地的两座测风塔观测资料,综合采用均生函数、灰色关联度和多元回归等多种统计预报方法,建立了一套分站点的、15 min动态滚动的未来0～4 h风速短临预报模型。实际对比分析表明,所建模型比传统ARMA模型的月平均预报误差减少了2.2%～10.8%,在实际中具有重要的应用价值。

关键词：风速短临预报均生函数风电场