[發(fā)明專利]基于小波分析與混合模型的用水量趨勢預(yù)測方法和系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210491118.3
• 申請日: 2022-05-07
• 公開（公告）號: CN114925891A
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王明光;楊帆;蔣維;謝紅;鐘浩;劉紅志;高友光;錢程;陳磊
• 申請（專利權(quán)）人: 新智道樞（上海）科技有限公司
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/06;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 上海鍛創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31448
• 代理人: 韓冰

1.一種基于小波分析與混合模型的用水量趨勢預(yù)測方法，其特征在于，包括：

步驟1：對用水量進行監(jiān)測，獲得原始時間序列數(shù)據(jù)，并通過數(shù)字信號處理技術(shù)進行小波去噪；

步驟2：將小波去噪后的時間序列數(shù)據(jù)添加到Prophet模型中，進行模型擬合構(gòu)建；

步驟3：將小波去噪后的時間序列數(shù)據(jù)進行LSTM模型構(gòu)建，對用水量進行預(yù)測；

步驟4：設(shè)置權(quán)值系數(shù)，將Prophet模型和LSTM模型進行整合，將預(yù)測結(jié)果進行集成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波分析與混合模型的用水量趨勢預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟1包括：通過小波分析法對用水量時序數(shù)據(jù)去噪，先對有噪聲的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后進行分解監(jiān)測到的用水量時序數(shù)據(jù)，采用設(shè)置門限閾值的方式處理小波系數(shù)，最后對數(shù)據(jù)進行重構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波分析與混合模型的用水量趨勢預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟2包括：對用水量時序數(shù)據(jù)進行曲線擬合，同時分析時序數(shù)據(jù)中的包括周期性、趨勢性和節(jié)假日效應(yīng)的時間序列特征；

先對用水量時序數(shù)據(jù)繪制數(shù)據(jù)趨勢圖，然后初始化Prophet模型，根據(jù)經(jīng)驗對變化點進行設(shè)置，提高增長趨勢對變化的敏感程度，并指定相應(yīng)的預(yù)測區(qū)間和預(yù)測頻率；

將用水量時序數(shù)據(jù)整體按照8：2劃分訓(xùn)練集和測試集，將訓(xùn)練集輸入Prophet模型進行訓(xùn)練，通過均方根誤差來度量用水量實際值與用水量預(yù)測值的差異程度，均方根誤差值越小，擬合越好；

Prophet模型構(gòu)建如下：

P(t)＝g(t)+s(t)+h(t)+ε(t)

其中，p(t)為Prophet模型的預(yù)測結(jié)果；g(t)是趨勢函數(shù)，用來分析時間序列中的非周期性變化；s(t)代表周期性變化；h(t)代表包括節(jié)假日在內(nèi)的情況帶來的影響；ε(t)為隨機波動，代表模型沒有考慮到的誤差影響；

趨勢項、周期項、節(jié)日項計算公式如下：

趨勢項：g(t)＝[m+α(t)δ]t+[b+α(t)^Tγ]

其中，m為增長率；α(t)為指數(shù)函數(shù)；δ為增長率的變化量；b為偏移量；γ為突變點邊界；

周期項：

其中，P是時間序列的周期長度；N代表周期數(shù)；a_n、b_n是需要估計的參數(shù)；

節(jié)日項：

Z(t)＝(1|t∈D₁|,...,1|t∈D_L|)

k＝(k₁,...,k_L)^T

其中，i表示節(jié)假日；D_i表示窗口期中包含的時間t；k_i表示節(jié)假日對預(yù)測結(jié)果的影響；1表示D_i當前取值。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于小波分析與混合模型的用水量趨勢預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟3包括：首先獲取小波去噪后的用水量時間序列數(shù)據(jù)，對降噪后的用水量時序數(shù)據(jù)采用min-max歸一化公式進行處理，再根據(jù)經(jīng)驗對LSTM模型進行初始化，給定隨機種子數(shù)以及訓(xùn)練步數(shù)，并將歸一化處理的用水量時間序列進行7：3訓(xùn)練集與測試集劃分，將訓(xùn)練集進行模型訓(xùn)練，選用均方根誤差公式計算誤差，設(shè)定損失函數(shù)最小為優(yōu)化目標，最后應(yīng)用訓(xùn)練好的LSTM網(wǎng)絡(luò)對測試集進行預(yù)測，輸出預(yù)測結(jié)果L(t)。