[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的水流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)和方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011375784.8
• 申請(qǐng)日: 2020-11-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112541619A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王琦
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安科銳盛創(chuàng)新科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06Q10/04
• 分類(lèi)號(hào): G06Q10/04;G06Q50/26;G06N3/04;G06N3/08;G06N20/00
• 代理公司: 西安嘉思特知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61230
• 代理人: 王海棟

1.一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的水流量預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括N個(gè)站點(diǎn)端和一個(gè)預(yù)測(cè)端，其中所述N個(gè)站點(diǎn)端是預(yù)定流域的N個(gè)水文站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的終端，所述N個(gè)水文站點(diǎn)中有一個(gè)目標(biāo)水文站點(diǎn)位于所述預(yù)定流域的出口斷面處；

每個(gè)站點(diǎn)端，用于向所述預(yù)測(cè)端發(fā)送表征該水文站點(diǎn)歷史K年各小時(shí)降雨數(shù)據(jù)的單端原始降雨數(shù)據(jù)，且所述目標(biāo)水文站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)端還向所述預(yù)測(cè)端發(fā)送表征該目標(biāo)水文站點(diǎn)歷史K年各小時(shí)流量數(shù)據(jù)的原始流量數(shù)據(jù)；

預(yù)測(cè)端，用于獲取所述單端原始降雨數(shù)據(jù)、所述原始流量數(shù)據(jù)和未來(lái)P小時(shí)各水文站點(diǎn)的先驗(yàn)降雨數(shù)據(jù)，并由獲取到的所有單端原始降雨數(shù)據(jù)得到原始降雨數(shù)據(jù)；將所述原始降雨數(shù)據(jù)和所述原始流量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分別得到處理后降雨數(shù)據(jù)和處理后流量數(shù)據(jù)；基于所述處理后降雨數(shù)據(jù)、所述處理后流量數(shù)據(jù)、所述先驗(yàn)降雨數(shù)據(jù)，構(gòu)建輸入數(shù)據(jù)；將所述輸入數(shù)據(jù)輸入預(yù)先訓(xùn)練得到的洪水流量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行循環(huán)迭代預(yù)測(cè)，每次迭代時(shí)對(duì)該次迭代的輸入數(shù)據(jù)提取時(shí)序特征并進(jìn)行分類(lèi)預(yù)測(cè)，得到所述目標(biāo)水文站點(diǎn)未來(lái)一小時(shí)的流量預(yù)測(cè)值，并利用得到的所述未來(lái)一小時(shí)的流量預(yù)測(cè)值，重新構(gòu)建針對(duì)未來(lái)下一小時(shí)的迭代的輸入數(shù)據(jù)，直至完成P次迭代，得到所述目標(biāo)水文站點(diǎn)未來(lái)P小時(shí)的流量預(yù)測(cè)值；其中N、K和P為大于1的自然數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)測(cè)端將所述原始降雨數(shù)據(jù)和所述原始流量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，分別得到處理后降雨數(shù)據(jù)和處理后流量數(shù)據(jù)，包括：

將所述原始降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除和數(shù)據(jù)補(bǔ)全處理，得到補(bǔ)全降雨數(shù)據(jù)；

將所述補(bǔ)全降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到處理后降雨數(shù)據(jù)；

將所述原始流量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到處理后流量數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)測(cè)端將所述原始降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除和數(shù)據(jù)補(bǔ)全處理，得到補(bǔ)全降雨數(shù)據(jù)，包括：

將所述原始降雨數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)數(shù)目低于預(yù)設(shè)數(shù)量的水文站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)剔除，得到剩余降雨數(shù)據(jù)；

對(duì)所述剩余降雨數(shù)據(jù)中缺失的降雨數(shù)據(jù)，利用反距離加權(quán)法進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)全，得到補(bǔ)全降雨數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)測(cè)端的歸一化處理包括[0,1]歸一化處理。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)測(cè)端基于所述處理后降雨數(shù)據(jù)、所述處理后流量數(shù)據(jù)、所述先驗(yàn)降雨數(shù)據(jù)，構(gòu)建輸入數(shù)據(jù)，包括：

基于所述處理后降雨數(shù)據(jù)，確定T小時(shí)中每小時(shí)對(duì)應(yīng)的所述N個(gè)水文站點(diǎn)的第一歸一化降雨總和數(shù)據(jù)；基于所述先驗(yàn)降雨數(shù)據(jù)，確定未來(lái)P小時(shí)中每小時(shí)對(duì)應(yīng)的所述N個(gè)水文站點(diǎn)的第二歸一化降雨總和數(shù)據(jù)，由所述第一歸一化降雨總和數(shù)據(jù)與所述第二歸一化降雨總和數(shù)據(jù)構(gòu)成降雨數(shù)據(jù)分量；

從所述處理后流量數(shù)據(jù)中選取T小時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，與用0填充的未來(lái)P小時(shí)的所述目標(biāo)水文站點(diǎn)的待預(yù)測(cè)流量數(shù)據(jù)構(gòu)成流量數(shù)據(jù)分量；

由所述降雨數(shù)據(jù)分量和所述流量數(shù)據(jù)分量構(gòu)成維度為[T+P，2]的輸入數(shù)據(jù)，其中T為大于1的自然數(shù)，且T小于等于所述K年對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)測(cè)端將所述輸入數(shù)據(jù)輸入預(yù)先訓(xùn)練得到的洪水流量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行循環(huán)迭代預(yù)測(cè)，每次迭代時(shí)對(duì)該次迭代的輸入數(shù)據(jù)提取時(shí)序特征并進(jìn)行分類(lèi)預(yù)測(cè)，得到所述目標(biāo)水文站點(diǎn)未來(lái)一小時(shí)的流量預(yù)測(cè)值，并利用得到的所述未來(lái)一小時(shí)的流量預(yù)測(cè)值，重新構(gòu)建針對(duì)未來(lái)下一小時(shí)的迭代的輸入數(shù)據(jù)，包括：

針對(duì)第i次迭代，在該次迭代的輸入數(shù)據(jù)中，對(duì)最新的T小時(shí)對(duì)應(yīng)的降雨數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)利用所述洪水流量預(yù)測(cè)模型的三層一維卷積層提取時(shí)序特征，并利用所述洪水流量預(yù)測(cè)模型的三層全連接層進(jìn)行分類(lèi)預(yù)測(cè)，得到所述目標(biāo)水文站點(diǎn)未來(lái)第i小時(shí)的流量預(yù)測(cè)值；

將所述未來(lái)第i小時(shí)的流量預(yù)測(cè)值存儲(chǔ)在結(jié)果列表中，并在i小于P時(shí)，替換該次迭代的輸入數(shù)據(jù)中，對(duì)應(yīng)位置為0的流量數(shù)據(jù)，得到第i+1次迭代的輸入數(shù)據(jù)，其中i＝1,2,…,P。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)測(cè)端的所述洪水流量預(yù)測(cè)模型中，三層一維卷積層的卷積核數(shù)量分別為50、30、10；所述三層一維卷積層的卷積核大小均為5×2；所述三層全連接層的神經(jīng)元數(shù)量分別為10、10、1。