[發(fā)明專利]一種基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的上層海洋熱結(jié)構(gòu)預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611116678.1
• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN106598917B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹敏杰;許建平;劉增宏;孫朝輝;吳曉芬;盧少磊
• 申請（專利權(quán)）人: 國家海洋局第二海洋研究所
• 主分類號: G06F17/18
• 分類號: G06F17/18;G06N3/08;G01W1/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 張法高;傅朝棟

1.一種基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的上層海洋熱結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，其特征在于它的步驟如下：

1)預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)作為熱結(jié)構(gòu)預(yù)測模型的輸入因子和預(yù)測值；本步驟具體為：選擇環(huán)境參數(shù)海表面溫度SST、海面高度異常SSHA、海表風速SSW以及上層海洋距海表面深度Depth作為模型的輸入影響因子，將上層海洋該深度處的溫度作為模型的輸出參數(shù)；

2)建立上層海洋熱結(jié)構(gòu)樣本數(shù)據(jù)集，將樣本數(shù)據(jù)分為訓練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)預(yù)處理；本步驟具體為：

3.1)選擇某一特定海域，獲取該海域范圍內(nèi)熱結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)集，包括海表面溫度SST、海面高度異常SSHA、海表風速SSW以及Argo資料，建立上層海洋熱結(jié)構(gòu)樣本數(shù)據(jù)集；

3.2)將樣本數(shù)據(jù)進行隨機劃分，80％作為訓練數(shù)據(jù)，20％作為測試數(shù)據(jù)；

3.3)對樣本數(shù)據(jù)進行標準化處理，按公式(1)將輸入?yún)?shù)歸一化到[0.1，0.9]范圍，

其中x′_i表示歸一化后的數(shù)據(jù)，x_i為原始的數(shù)據(jù)樣本參數(shù)值，x_min和x_max分別表示歸一化前該參數(shù)集的最小值和最大值；

3)建立深度信念網(wǎng)絡(luò)，對樣本數(shù)據(jù)進行逐層無監(jiān)督預(yù)訓練，初步獲取模型的較優(yōu)參數(shù)；本步驟具體為：

4.1)將樣本數(shù)據(jù)中的影響因子向量作為輸入數(shù)據(jù)，開始進行無監(jiān)督的預(yù)訓練，依據(jù)公式(2)所示的能量函數(shù)E(v,h)來判斷受限玻爾茲曼機是否穩(wěn)定，

其中v_i和h_j是輸入樣本數(shù)據(jù)i和其特征j的二進制狀態(tài)，b_i和b_j分別是它們的偏置量；n是輸入樣本總數(shù)，m是輸入樣本的特征總數(shù)；w_ij是連接權(quán)重，設(shè)定為(0，1)范圍里的任意值；若能量函數(shù)E(v,h)達到收斂，則第一個RBM通過對比散度快速學習算法得到合適的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)更新公式為：

Δw_ij＝ε(<v_ih_j>_data-<v_ih_j>_recon) (3)

其中Δw_ij為模型參數(shù)的權(quán)重，ε為網(wǎng)絡(luò)的學習速率，<.>_data為模型輸入的原始數(shù)據(jù)，<.>_recon為網(wǎng)絡(luò)訓練后的期望值，v_i為RBM的可視層節(jié)點值，h_j為RBM的隱含層層節(jié)點值；

4.2)將第一個RBM隱含層的輸出數(shù)據(jù)作為第二個RMB可視層輸入數(shù)據(jù)，繼續(xù)通過對比散度算法訓練第二個RBM，依次類推直至訓練完所有的RBM網(wǎng)絡(luò)；

4)基于反向傳播算法，根據(jù)訓練樣本的標記對模型的參數(shù)進行調(diào)整，確定最優(yōu)參數(shù)；本步驟具體為：

5.1)根據(jù)樣本數(shù)據(jù)中Argo資料實際觀測到的該深度處的溫度值T^(d)和預(yù)訓練得到的粗略預(yù)測值T(d)，計算出它們的均方差MSE；

5.2)基于反向傳播算法，對網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)進行微調(diào)，當獲得的均方差MSE小于一定的閾值時，停止訓練，其收斂公式為：

其中β是一個預(yù)設(shè)閾值，N表示BP算法用于微調(diào)的循環(huán)次數(shù)；

5)將建立好的上層海洋熱結(jié)構(gòu)預(yù)測模型應(yīng)用到測試數(shù)據(jù)，輸出層即可得到預(yù)測的上層海洋特定深度處的溫度值；本步驟具體為：將測試數(shù)據(jù)的輸入影響因子輸入到確定好各項參數(shù)的模型，模型的輸出層即可預(yù)測輸出上層海洋該深度處的溫度值。