1.基于并行LSTM串联DNN的供水管网压力预测方法,其特征在于该方法具体是:步骤(1)确定输入输出项,建立基于并行LSTM串联DNN的预测模型,具体是:鉴于供水管网系统是一个多输入多输出的非线性时滞系统,选择历史状态量[x(t),x(t-1),…,x(t-ns)]和控制量[u(t-1),u(t-2),…,u(t-nu)]作为输入项;确定输出项为压力测点t+1时刻的输出ym(t+1),这里ns、nu为历史时间窗口;
建立基于并行LSTM串联DNN的深度学习模型:
a.分别采用LSTM模型对状态量[x(t),x(t-1),…,x(t-ns)]和控制量[u(t-1),u(t-
2),…,u(t-nu)]进行特征提取和学习,同时设 分别为供水管网的状态量和控制量经LSTM模型的输出值;
b.采用深层神经网络DNN模型将 进行融合处理,得到输出ym(t+1)其中[]表示将两种在时间维度上具有相同维数的矩进行合并,H()为DNN模型的激活函数;WDNN、bDNN分别为DNN模型的权值与阈值;
步骤(2)数据预处理,建立压力预测数据库
(2-1)数据预处理
数据补缺:针对来自SCADA系统现场采集的数据存在数据丢失问题,采用线性、抛物线或三次曲线插值补全缺失的数据;
数据去噪:针对现场数据存在大量噪声干扰问题,采用小波变换去除噪声;
无量纲处理:针对供水管网压力和流量具有不同的物理量纲和数量级问题,对数据作归一化处理,即将输入与输出都限制在[0,l],使它们以相同的等级参与模型训练与预测;
(2-2)建立压力预测数据库
数据项除了时间戳、节点外,还包括:(1)测点的压力、流量值,入口的压力、流量值,从SCADA系统中实时抽取、清洗、转换、并存储,作为模型的输入项;(2)测点的预测压力,来自模型预测,是模型的输出项;(3)误差数据项,用来统计分析预测精度;
步骤(3)训练预测模型
(3-1)确定训练样本
围绕大型供水管网的DMA分区或者小型供水管网,确定输入样本为{X(ns),U(nu),Y},其中X(ns)为i维状态量,U(nu)为2j维控制量,i为监测点数,j为入口数;
(3-2)确定模型基本结构,设置其余参数初值,开始训练模型
根据经验或者初步调参的效果确定参数的取值范围;nu、ns∈{1,2,…12},时间步长t=
5分钟,即历史信息最大跨度为60分钟;隐含层个数Layers∈{1,2,…,5};相应神经元数量Neurons∈[0,300];
(3-3)训练迭代
在模型训练时,过模型的预测值 和实测值y求出均方根作为模型误差loss,当loss<误差目标ε∈[0.2%,0.5%],达到训练要求,迭代结束;当误差不满足要求时调整模型的各个参数,若误差不符合收敛条件且不再减小,则改变模型基本结构,即重新给定一个{nu,ns,Layers},再根据各个基本结构调节其他参数,重新迭代训练;
步骤(4)在线压力预测
将压力预测数据库中测点的压力、流量值,入口的压力、流量值,依次输入到模型,模型则给出t+1时刻的压力预测值ym(t+1);同时,将压力预测值ym(t+1)存入数据库,与t+1时刻的实测值y(t+1)进行比较,计算Δ=ym(t+1)-y(t+1);设允许预测误差为σ∈[5%,10%],若连续三次Δ>σ*y(t+1),则返回步骤(3),重新训练模型,用新近数据,更新模型参数。
2.根据权利要求1所述的基于并行LSTM串联DNN的供水管网压力预测方法,其特征在于:步骤(3-2)中为了防止深度学习模型出现过拟合现象,在每一层引入Dropout技术后随机地更新网络参数,增加模型的泛化能力。
3.根据权利要求2所述的基于并行LSTM串联DNN的供水管网压力预测方法,其特征在于:所述的Dropout技术具体是在模型训练时随机抛弃一定比例的隐含层节点,但权重会保存,仅暂时不进行更新,而在模型使用时恢复全连接;节点抛弃比例在0.1至0.5之间。
4.根据权利要求1所述的基于并行LSTM串联DNN的供水管网压力预测方法,其特征在于:步骤(3-2)中采用小批量梯度下降法来优化模型中的各个参数。
5.根据权利要求1所述的基于并行LSTM串联DNN的供水管网压力预测方法,其特征在于:所述的小批量梯度下降法是把数据分为若干个批,按批来更新参数;小批量梯度下降法的样本大小为5至50之间;训练轮数为100至200之间。
6.根据权利要求1所述的基于并行LSTM串联DNN的供水管网压力预测方法,其特征在于:步骤(3-2)中模型的激活函数选用ReLU激活函数。
7.根据权利要求1所述的基于并行LSTM串联DNN的供水管网压力预测方法,其特征在于:步骤(4)中压力预测值ym(t+1)提前5分钟提供给调度人员参考。