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        灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

        2016-08-02 09:20:53張麗娟遼寧省供水局遼寧沈陽(yáng)110003
        東北水利水電 2016年3期

        張麗娟(遼寧省供水局,遼寧沈陽(yáng)110003)

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        灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

        張麗娟
        (遼寧省供水局,遼寧沈陽(yáng)110003)

        [摘要]分析清河水庫(kù)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)狀況、歷史資料,提出預(yù)報(bào)單位年的概念,采取灰色關(guān)聯(lián)度方法選取適當(dāng)?shù)哪攴葑鳛榈湫湍?,采用徑向基神?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),構(gòu)建清河水庫(kù)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)新模型,并開(kāi)發(fā)了基于VB的中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)。通過(guò)近3年的應(yīng)用檢驗(yàn),取得了較好的效果,較大地提高了清河水庫(kù)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)精度。

        [關(guān)鍵詞]預(yù)報(bào)因子;灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);水文預(yù)報(bào)

        1 清河水庫(kù)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

        清河水庫(kù)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)工作始于水庫(kù)建成后的20世紀(jì)60年代初,70年代以后有較完整的預(yù)報(bào)資料,80年代末研制了運(yùn)行環(huán)境為Dos系統(tǒng)的中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)軟件。預(yù)報(bào)項(xiàng)目包括3—4月春汛來(lái)水量預(yù)報(bào)和6—9月夏汛來(lái)水量預(yù)報(bào),采用的預(yù)報(bào)方法主要有歷史演變法、周期分析外推法、平穩(wěn)時(shí)間序列外推法、周期分析與平穩(wěn)序列分析外推法、降雨徑流相關(guān)法等。各方法預(yù)報(bào)值有時(shí)相差較大,經(jīng)綜合分析后確定一個(gè)預(yù)報(bào)范圍,以此預(yù)報(bào)來(lái)水量編制年度控制運(yùn)用計(jì)劃。因預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較低,用以指導(dǎo)實(shí)際調(diào)度運(yùn)用的價(jià)值不大。當(dāng)今,隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展,清河水庫(kù)現(xiàn)運(yùn)用的中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)已不能適應(yīng)實(shí)際工作需要,主要存在問(wèn)題:

        1)預(yù)報(bào)系統(tǒng)陳舊,與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不相容;

        2)預(yù)報(bào)系統(tǒng)功能少,無(wú)資料保存和數(shù)據(jù)庫(kù),缺乏圖、表統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析;

        3)預(yù)報(bào)精度比較低;

        4)只有傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法,與變化的自然和人為因素影響的氣象和流域環(huán)境不相協(xié)調(diào),適應(yīng)性較差。

        2 灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

        2.1汛期來(lái)水量預(yù)報(bào)因子的選取

        通過(guò)對(duì)清河水庫(kù)1961年到2010年的資料進(jìn)行分析,將上一年10月份至當(dāng)年9月份劃分為一周期進(jìn)行分析,以此定義為預(yù)報(bào)單位年。選取汛期上一年10月份到6-9月年5月份這8個(gè)月的月來(lái)水量作為夏汛預(yù)報(bào)因子,對(duì)6—9月年的夏汛來(lái)水量進(jìn)行預(yù)報(bào);選取春汛上一年10月份到當(dāng)年2月份這5個(gè)月的月來(lái)水量作為春汛預(yù)報(bào)因子,對(duì)當(dāng)年的春汛來(lái)水量進(jìn)行預(yù)報(bào)。

        2.2參考典型年份的確定

        引入灰色系統(tǒng)中灰色關(guān)聯(lián)度的概念。分別計(jì)算需要預(yù)報(bào)年份春汛之前5個(gè)月各月來(lái)水量與歷年同期來(lái)水量之間的關(guān)聯(lián)度和夏汛之前8個(gè)月各月來(lái)水量與歷年同期來(lái)水量之間的關(guān)聯(lián)度,關(guān)聯(lián)度越大,即該年來(lái)水過(guò)程與所需預(yù)報(bào)年份來(lái)水過(guò)程相似度越高。再對(duì)關(guān)聯(lián)度較高的年份進(jìn)行分析,選取適當(dāng)?shù)哪攴葑鳛榈湫湍旯╊A(yù)報(bào)參考。

        2.3構(gòu)建清河水庫(kù)徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)模型

        人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)模擬人腦的神經(jīng)處理信息的方式,進(jìn)行信息并行處理和非線性轉(zhuǎn)換的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力,可以比較輕松地實(shí)現(xiàn)非線性映射過(guò)程,并且具有大規(guī)模的計(jì)算能力,所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)和人工智能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Matlab軟件中提供了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱,含有豐富的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)。徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),模型將選取的典型年份的春汛之前5個(gè)月來(lái)水量設(shè)為P1,典型年份春汛來(lái)水量設(shè)為T1,構(gòu)建徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,設(shè)定誤差值為0。輸入預(yù)報(bào)年的預(yù)報(bào)因子,進(jìn)行仿真,預(yù)報(bào)該年春汛來(lái)水量;將選取的典型年份的夏汛之前8個(gè)月來(lái)水量設(shè)為P2,典型年份夏汛來(lái)水量設(shè)為T2,構(gòu)建徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,設(shè)定誤差值為0。輸入預(yù)報(bào)年的預(yù)報(bào)因子,進(jìn)行仿真,預(yù)報(bào)該年夏汛來(lái)水量。

        系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面:預(yù)報(bào)方法在原有傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上,增加了現(xiàn)代預(yù)報(bào)方法和理論—灰色系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;預(yù)報(bào)徑流量的時(shí)段由原來(lái)的只能預(yù)報(bào)春汛和夏汛擴(kuò)充到可以預(yù)報(bào)逐旬、月及不同時(shí)段徑流量,更有利于防洪興利調(diào)度;系統(tǒng)預(yù)報(bào)功能更加完善,操作簡(jiǎn)單,使用方便,界面直觀清晰;預(yù)報(bào)精度有較大提高。

        3 對(duì)比分析及應(yīng)用檢驗(yàn)

        以清河水庫(kù)1970—2010年夏汛來(lái)水量預(yù)報(bào)為例,分別計(jì)算原方法預(yù)報(bào)值相對(duì)誤差和新方法預(yù)報(bào)值相對(duì)誤差,并進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)圖1。

        圖1 清河水庫(kù)夏汛預(yù)報(bào)值新舊方法相對(duì)誤差對(duì)比圖

        從相對(duì)誤差平均值可以看出,新方法平均相對(duì)誤差為78.1%,原方法平均相對(duì)誤差為130.3%,平均相對(duì)誤差降低了52.2%;新方法相對(duì)誤差小于1.000為35年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的85%;小于0.500的為25年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的61%;小于0.400的為20年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的49%;小于0.300的為12年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的29%;小于0.200的為6年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的15%。而原方法相對(duì)誤差小于1.000為27年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的66%;小于0.500的為17年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的41%;小于0.400的為17年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的41%;小于0.300的為11年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的27%;小于0.200的為6年,占統(tǒng)計(jì)年數(shù)的15%。

        從原方法與新方法相對(duì)誤差總體統(tǒng)計(jì)分析可以得出,灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)模型在較大程度上提高了清河水庫(kù)夏汛來(lái)水量的預(yù)報(bào)精度,取得了良好的效果。使水庫(kù)的預(yù)報(bào)和優(yōu)化調(diào)度更具科學(xué)性,不僅具有重要的理論意義,而且具有更大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

        以2011,2012,2013年作為檢驗(yàn)?zāi)赀M(jìn)行檢驗(yàn),原方法與新方法相對(duì)誤差分別為:1.852,0.268,0.306 和0.419,0.363,0.186,均值分別為0.323和0.819。通過(guò)比較可知,該預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)精度有了明顯的提高,有利于水庫(kù)調(diào)度管理,并為以后的輸水工程、水電站及遼西北供水工程等提供決策依據(jù)。它在很大程度上為清河水庫(kù)的防汛、抗旱爭(zhēng)取了主動(dòng)權(quán),并取得了良好的工業(yè)、農(nóng)業(yè)及防汛等方面的效益。

        4 結(jié)語(yǔ)

        1)通過(guò)對(duì)清河水庫(kù)歷史資料的分析,首次提出了以預(yù)報(bào)單位年前5個(gè)月各月的來(lái)水量為春汛預(yù)報(bào)因子,以預(yù)報(bào)單位年前8個(gè)月各月的來(lái)水量為夏汛預(yù)報(bào)因子。

        2)引入灰色關(guān)聯(lián)度的概念,計(jì)算歷年預(yù)報(bào)因子與所需預(yù)報(bào)年份之間的關(guān)聯(lián)度,以此確定代表年作為預(yù)報(bào)依據(jù)。

        3)采用灰色徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法構(gòu)建清河水庫(kù)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)模型,并開(kāi)發(fā)了基于VB的中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

        4)經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用,系統(tǒng)為清河水庫(kù)中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)提供了新的途徑,提高了徑流量整體預(yù)報(bào)精度,進(jìn)而提高調(diào)度水平,使水庫(kù)的預(yù)報(bào)和優(yōu)化調(diào)度更具科學(xué)性,不僅具有重要的理論意義,而且具有更大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,對(duì)于爭(zhēng)取防汛、抗旱的主動(dòng)權(quán),制定科學(xué)調(diào)度方案,發(fā)揮水利設(shè)施的安全與經(jīng)濟(jì)效益有著重要的作用。

        [參考文獻(xiàn)]

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        [中圖分類號(hào)]TV338

        [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

        [文章編號(hào)]1002-0624(2016)03-0028-02

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