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。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神經網絡模型、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據集,BP神經網絡的預測性能高于SVR模型,經過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神經網絡模型,再次說明SVR預測模型適用于小樣本數據集。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性,降低溶解氧預測模型的精度。
綜上所述,在研究水質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,但數據中會存在無關和弱相關且冗余的特征變量,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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采集到的數據一般不直接采用,需經過數據的歸一化處理。這是因為水質因子指標的范圍比較大,不同的數據具有不同的量綱單位,為了消除水質指標彼此之間的量綱影響及保證這些數據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函數進行歸一化處理,如式(23)所示,“apply”模式是將數據指標轉化到[-1,1]之間,便于對比預測,而“resver”模式可以將數據反歸一化回去。
了解更多> >在選取的樣本信息中,水質指標濁度與水溫之間的相關系數為0.58>0.5,氨氮與電導率之間的相關系數為0.547>0.5,在99%的置信區(qū)間下,具有顯著相關性。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、PH、總氮等作為水質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,但數據中會存在無關和弱相關且冗余的特征變量,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> >在解決水質指標溶解氧的預測問題時,將經過PCA和MI組合特征選擇的溶解氧數據作為GNIPSO-SVR預測模型的輸入,并與BP神經網絡、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的非線性權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的參數優(yōu)于標準的PSO算法和慣性權重線性遞減的PSO算法。
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