[發明專利]一種基于神經網絡的城市感潮河段生態需水量預測方法

在審

• 申請號: 201710568577.6
• 申請日: 2017-07-13
• 公開（公告）號: CN107451682A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 張夢婕;闞光遠;胡鵬;朱永楠;呂燁;劉盈斐;譚亞男;侯佳明;劉思妤;嚴聆嘉;楊明祥;劉丹;李昂
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q10/06;G06Q50/06
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種基于神經網絡的城市感潮河段生態需水量預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)統計近N年待分析城市感潮河段入海口鹽度測站的每月海水鹽度和入海口的每月入海水量，根據城市感潮河段主要生物類型及其耐鹽度，計算近N年的該城市感潮河段每月鹽平衡需水量，表達如下：

式中，A為城市感潮河段每月鹽平衡需水量，S為入海口鹽度測站所測每月海水鹽度，O為城市感潮河段主要生物耐鹽度，R為入海口每月入海水量；

2)構建一個BP神經網絡，該神經網絡的輸入為城市感潮河段入海口的每月入海水量R，輸出為城市感潮河段每月鹽平衡需水量A；將步驟1)的得到的近N年的每月數據，包括：城市感潮河段入海口的每月入海水量R和感潮河段每月鹽平衡需水量A，按時間順序平均分成4組，任意選取其中3組作為訓練數據用來訓練該神經網絡，第4組數據作為測試數據用來檢測該神經網絡的預測效果，并利用相關系數r1來評價該神經網絡預測的效果：當r1小于設定閾值L1時，則重新訓練該神經網絡，得到新的相關系數r1；若r1大于等于設定閾值L1時，則保存該神經網絡，該神經網絡即為城市感潮河段每月鹽平衡需水量預測網絡；

相關系數r1的表達式如下：

式中，X1為輸入測試數據中城市感潮河段入海口的每月入海水量后通過感潮河段每月鹽平衡需水量預測網絡得到的城市感潮河段每月鹽平衡需水量的預測值，Y1為步驟1)計算得到的測試數據中感潮河段每月鹽平衡需水量的實際值；Cov(X1，Y1)為X1，Y1的協方差，Var[X1]為X1的方差，Var[Y1]為Y1的方差；

3)選取該城市感潮河段具有代表性的M個雨量站；統計每個雨量站近N年每月降雨量；

4)計算步驟3)選取的M個雨量站的近N年每月降雨量的平均值，作為近N年該城市感潮河段每月平均降雨量B；

5)統計近N年該城市感潮河段入海口的每月最高海表溫度和最低海表溫度；

6)根據步驟5)統計得到的近N年的每月最高海表溫度和最低海表溫度，計算每月最高海表溫度和最低海表溫度的平均值，得到近N年的每月平均海表溫度C；

7)統計近N年該城市感潮河段周圍每月排入主河段的污水量，得到近N年每月污水排放總量D；

8)統計該城市感潮河段每月入海口輸沙量，得到近5年每月城市感潮河段輸沙量E；

9)根據步驟1)得到的近N年入海口每月入海水量R，將各月入海水量的10％作為每月生態需水量Z；

10)重復步驟2)，運用BP神經網絡建立城市感潮河段每月生態需水量預測網絡；該神經網絡的輸入為每月平均降雨量B、每月平均海表溫度C、城市感潮河段每月鹽平衡需水量A、每月污水排放總量D和每月城市感潮河段輸沙量E，輸出為每月生態需水量Z；

利用相關系數r2評價該神經網絡預測的效果：當r2小于設定閾值L2時，則重新訓練該BP神經網絡，得到新的相關系數r2；當r2大于等于設定閾值L2時，則保存該神經網絡，該神經網絡即為城市感潮河段每月生態需水量的預測網絡；

相關系數r2的表達式如下：

式中，X2為輸入測試數據中每月平均降雨量B、每月平均海表溫度C、城市感潮河段每月鹽平衡需水量A、每月污水排放總量D和每月城市感潮河段輸沙量E后通過城市感潮河段生態需水量預測網絡得到的城市感潮河段每月生態需水量的預測值，Y2為步驟9)計算得到的測試數據中每月生態需水量的實際值；Cov(X2，Y2)為X2，Y2的協方差，Var[X2]為X2的方差，Var[Y2]為Y2的方差；

11)利用步驟10)得到的城市感潮河段每月生態需水量預測網絡，預測城市感潮河段的生態需水量；具體方法如下：

11-1)得到未來某年每月該城市感潮河段主要排污口的污水排放量作為每月污水排放總量的預測值D′，并分別計算近N年每月平均降雨量的平均值、每月平均海表溫度的平均值、城市感潮河段每月鹽平衡需水量的平均值和每月城市感潮河段輸沙量的平均值；將上述各平均值和D′輸入步驟10)得到的城市感潮河段生態需水量預測網絡，得到城市建設影響下城市感潮河段在未來某年每月的生態需水量的預測結果；

11-2)通過未來某年每月入海水量的預測值，輸入步驟2)得到的城市感潮河段每月鹽平衡需水量預測網絡，得到未來某年每月城市感潮河段每月鹽平衡需水量的預測值A′；分別計算近N年每月平均降雨量的平均值、每月平均海表溫度的平均值、每月污水排放總量的平均值和每月城市感潮河段輸沙量的平均值；將上述各平均值和A′輸入步驟10)得到的城市感潮河段生態需水量預測網絡，得到城市感潮河段鹽平衡影響下城市感潮河段生態需水量的預測結果；

11-3)收集氣候變化條件下未來某年每月的平均降雨量預測值B′，分別計算近N年每月平均海表溫度的平均值、每月污水排放總量的平均值、城市感潮河段每月鹽平衡需水量的平均值和每月城市感潮河段輸沙量的平均值；將上述各平均值和B′輸入城市感潮河段生態需水量預測網絡，得到氣候變化影響下城市感潮河段生態需水量的預測結果。