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专利号: 2021104728215
申请人: 淮阴工学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-06-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于改进哈里斯鹰算法优化ELM的风速预测方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)获取气象站点的历史风速数据和其他气象数据;所述其他气象数据包括温度、气压和湿度数据;

(2)对采集的数据进行预处理,将处理好的数据归一化,得到预测样本X;

(3)对预测样本X应用正交矩阵进行处理得到新的预测样本XP;并划分为训练集和测试集;

(4)采用拉丁超立方抽样对哈里斯鹰算法的初始种群进行初始化;

(5)对哈里斯鹰算法的局部搜索采用混沌搜索进行处理;

(6)确定最优ELM参数并建立基于改进哈里斯鹰算法优化极限学习机的预测模型,对风速进行预测;

所述步骤(4)包括以下步骤:

(41)确定维度空间的大小为N,并将每一个维度均等分成m分,使得每一份的概率相同;

(42)在每一个维度中的每一个区间随机提取一个点;

(43)从每一个维度中随机提取步骤(42)中选中的点,并组成向量;

所述步骤(5)包括以下步骤:

(51)利用哈里斯鹰算法得到全局最优值并在其附近选取i个与目前全局最优有微小差距的个体,并利用Logistic映射来产生混沌变量,其公式为:Xe+1=λXe(1‑Xe)

其中,Xe为混沌变量X在第e次迭代时的值,Xe∈[0,1],λ是控制参数;

(52)将混沌变量通过公式引入到优化变量,并将混沌运动的遍历范围放大到优化变量的取值范围,再利用混沌变量进行搜索,其公式为:Xk=a+(b‑a)Xe

其中,Xk为需要优化的变量,a和b为Xk的定义区间的上限和下限;

所述步骤(6)包括以下步骤:

(61)确定极限学习机的阈值初值φ,0<φ<1,搜索空间维度大小dim,隐含层神经元个数h,激活函数H令初始t=1;

(62)在给定条件下训练极限学习机,建立回归模型,得到训练误差;

(63)确定最大迭代次数T=50,种群大小N=100,在给定的样本中,计算猎物的初始位置,对于适应度值最优的个体将其设置为当前猎物的位置,更新公式为:其中,X(t)是当前个体的位置,X(t+1)是下一次个体的位置,t是迭代的次数,Xd(t)是随机选出的个体位置,Xr(t)是猎物的位置,r1,r2,r3,r4,p都是[0,1]之间的随机数,p是用来随机选择要采用的更新方式,Xm(t)是个体平均位置,表达式为:其中,Xk(t)为种群中的第k个个体的位置,N是种群的规模大小;

(64)计算逃逸能量,根据逃逸能量的不同来判断算法执行的操作,公式为:其中,E0是猎物的初始能量,随机取值范围是[‑1,1],t是迭代次数,T是最大迭代次数;

(65)当0.5≤|E|<1且r≥0.5时,根据以下公式更新位置:X(t+1)=△X(t)‑E|JXr(t)‑X(t)|当0.5<|E|且r≥0.5时,根据以下公式更新位置:X(t+1)=Xr(t)‑E|△X(t)|

当0.5≤|E|<1且r<0.5时,根据一下公式更新位置:Y=Xr(t)‑E|JXr(t)‑X(t)|当|E|<0.5且r<0.5时,根据以下公式更新位置:Y=Xr(t)‑E|JXr(t)‑Xm(t)|Z=Y+S*LF(D)

其中,E是逃逸能量,r是[0,1]之间的随机数,X(t)是当前个体的位置,X(t+1)是下一次个体的位置,t是迭代的次数,Xd(t)是随机选出的个体位置,Xr(t)是猎物的位置,Y和Z是更新过后的个体位置,LF是莱维飞行的数学表达式,D和S是求解问题的维数和随机向量;

(66)令t=t+1,跳转至步骤(62),直至T次迭代结束;

(67)选取最优的位置信息作为权值w和偏置b,建立基于改进哈里斯鹰算法优化极限学习机的模型。

2.根据权利要求1所述的基于改进哈里斯鹰算法优化ELM的风速预测方法,其特征在于,所述步骤(2)通过以下公式实现:其中,Xi为历史数据,Xmin为历史数据样本中最小值,Xmax为历史数据样本中的最大值,X为预测样本。

3.根据权利要求1所述的基于改进哈里斯鹰算法优化ELM的风速预测方法,其特征在于,步骤(3)所述的训练集和测试集的比例为7:3。

4.根据权利要求1所述的基于改进哈里斯鹰算法优化ELM的风速预测方法,其特征在于,所述步骤(3)包括以下步骤:(31)对预测样本X进行中心化处理;

(32)计算协方差矩阵

(33)对矩阵Q进行特征值分解,得到m个特征值,并选取前k个特征值对应的特征向量构成矩阵Qi;

(34)将矩阵Qi投影至新的特征空间,即可得到新的样本Xp,并将样本XP作为新的输入样本;

1 2 n

其中,X={X ,X ,...,X}为输入样本,n为样本总数,每个样本的维度为m,Q为m*m维的对称矩阵,Qi为k*m维的矩阵,Xp为m*n的矩阵。

5.一种采用如权利要求1‑4任一所述方法的基于改进哈里斯鹰算法优化ELM的风速预测系统,其特征在于,包括数据采集模块、参数确定模块、风速预测模块和预测性能评价模块;

所述数据采集模块,用于采集相关历史数据,并对数据进行处理;所述数据采集模块包括数据清洗单元和特征提取单元;所述数据清洗单元将采集好的数据进行清洗和归一化的处理;所述特征提取单元采用正交矩阵对样本进行处理并得到新的样本;

所述参数确定模块,采用改进哈里斯鹰算法优化极限学习机的参数,获得最优参数;所述参数确定模块包括ELM参数确定单元和模型参数确定单元;所述ELM参数确定单元确定极限学习机的隐含层神经元个数,初始权值和阈值;所述模型参数确定单元确定模型的迭代次数和种群大小;

所述风速预测模块,用于在处理后的新样本上,采用改进哈里斯鹰算法提升极限学习机模型进行预测;

所述预测性能评价模块,采用平均绝对误差MAE,均方根误差RMSE,平均绝对百分比误2

差MAPE和相关系数的平方R对风速预测结果进行评价。