CN109961186A - 基于决策树和bp神经网络的脱硫***运行参数预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测方法,包括:步骤1,对脱硫***运行数据进行清理;步骤2,对清理后的运行数据中的部分数据作为训练样本集,其余数据作为测试样本集,并对训练样本集中的数据进行归一化处理;步骤3,从训练样本集中选择合适的特征变量,作为运行参数预测模型的输入变量;步骤4,确定运行参数预测模型的输出变量,采用BP神经网络与决策树方法建立运行参数预测模型,并利用运行参数预测模型进行预测;步骤5,对预测的结果进行评价分析,验证预测的有效性。本发明的有益效果:具有良好的性能,提高了学习收敛速度和预测准确度,能很好的完成预测任务。
Description
技术领域
本发明涉及脱硫***技术领域,具体而言,涉及一种基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测方法。
背景技术
在火力发电厂中,对烟气的脱硫是必不可少的一个环节。脱硫***在运行过程中产生大量的运行数据,这些数据蕴含丰富的价值可供挖掘。而目前很多脱硫***依然是靠运行人员凭经验对供浆量和浆液循环泵进行调节,其缺点是调节不及时、不精准。随着日益严格的环保要求,电站急需一套能够精准调节的脱硫智能控制***。这种精准控制的***需建立在数据驱动建模的基础上,因此对脱硫***的历史数据进行深度学习既是环保的要求也是提高电站脱硫经济性的要求。
神经网络自二十世纪四十年代问世以来在各种控制、信号处理、模式识别、金融证券、优化计算等诸多方面都得到了广泛应用,其中神经网络因其在分类问题与回归问题上具有良好的性能,广泛应用在数据变化趋势预测中,然而传统BP神经网络模型收敛速度慢,预测效果不是特别好。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供一种基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测方法,具有良好的性能,提高了学习收敛速度和预测准确度,能很好的完成预测任务。
本发明提供了一种基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测方法,包括:
步骤1,对热电站脱硫***运行数据进行数据清理,剔除异常数据;
步骤2,对清理后健康的运行数据中的部分数据作为训练样本集,其余数据作为测试样本集,并对训练样本集中的样本数据进行归一化处理;
步骤3,由训练样本集生成决策树,并用实时获取新的样本数据作为测试样本集中的数据校验决策树生成过程中产生的初步观测,将影响预测准确性的分枝剪除,选择合适的特征变量,得到运行参数预测模型的输入变量,包括浆液***的供浆量、循环泵的工作负荷、出口SO2浓度和浆液pH值四个变参数;
步骤4,以下一时刻的出口SO2浓度作为运行参数预测模型的输出变量,采用BP神经网络和决策树建立运行参数预测模型,并利用运行参数预测模型对下一时刻的出口SO2浓度进行预测;
步骤5,对预测的结果进行评价分析,验证预测的有效性。
作为本发明进一步的改进,步骤1中,对于排放浓度超标、测量参数不在正常范围内和突变的数据点需要识别剔除。
作为本发明进一步的改进,步骤3中,决策树采用CART树算法剪枝。
作为本发明进一步的改进,步骤4中,BP神经网络选取一个隐含层的三层网络,隐含层采用logistic激活函数,输出层使用线性激活函数,训练方法采用BP算法。
作为本发明进一步的改进,步骤5中,在分析验证时,需要衡量三个参数:预测趋势的准确度、预测误差和平方根均方误差。
作为本发明进一步的改进,预测趋势的准确度是将连续两次预测值得变化趋势与实际值的变化趋势进行对比,若变化方向一致,则趋势预测正确,反之预测错误。
本发明的有益效果为:
通过决策树提取最优的特征变量作为BP神经网络的输入参数,弥补BP神经网络无法有效确定输入参数的缺陷。在增加决策树方法后,预测模型的预测精度明显提高,决策树引入后能有效排除干扰噪声,使预测稳定性得到明显提高,预测性能大幅度提升,收敛效果更好,预测更为准确。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测方法的示意图;
图2为采用BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出示意图;
图3为采用BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出和期望输出的误差;
图4为本发明基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出及采用BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出的对比示意图;
图5为发明基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出和期望输出的误差及采用BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出和期望输出的误差的对比示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明实施例所述的一种基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测方法,如图1所示,采用浆液***的供浆量,循环泵的工作负荷,前20s-40s的出口SO2浓度和浆液pH值四个变参数的组合对下一时刻的出口SO2浓度和浆液pH值进行预测。具体包括:
步骤1,对热电站脱硫***运行数据进行数据清理,剔除异常数据。对于排放浓度超标、测量参数不在正常范围内和突变的数据点需要识别剔除。
步骤2,对清理后健康的12000组机组运行数据中的11000组作为训练样本集,其余1000组数据作为测试样本集,并对训练样本集中的样本数据进行归一化处理。
步骤3,由训练样本集生成决策树,并用实时获取新的样本数据作为测试样本集中的数据校验决策树生成过程中产生的初步观测,将影响预测准确性的分枝剪除,选择合适的特征变量,得到运行参数预测模型的输入变量,包括浆液***的供浆量、循环泵的工作负荷、20s-40s的出口SO2浓度和浆液pH值四个变参数。
训练样本中通常包含很多变量,其中有些变量对预测输出的影响无关或很小,变量过多时,会导致神经网络很难正常工作,也会增加过拟合的可能性,因此,需要在BP神经网络训练前,根据预测输出对变量进行精简,选择合适的特征变量,确定BP神经网络的输入参数。本发明通过决策树提取最优的特征变量作为BP神经网络的输入参数,弥补BP神经网络无法有效确定输入参数的缺陷。
决策树网络是一种具有特定条件概率分布的有向图模型的简单形式。一般来说,我们可以将决策树玩过视为具有二值向量的状态s,其中状态的每个元素都受其祖先影响。决策树网络最常见的结构是被分为许多层的结构,其中原始采样通过一系列多个隐藏层进行,然后最终生成可见层。决策树构造可以分两步进行:第一步,决策树的生成:由训练样本集生成决策树的过程。第二步,决策树的剪枝:决策树的剪枝是对上一阶段生成的决策树进行检验、校正和修正的过程,主要是用新的样本数据集作为测试数据集中的数据校验决策树生成过程中产生的初步规则,将那些影响预测准确性的分枝剪除。本发明中决策树采用CART树算法剪枝。CART树的剪枝算法可以概括为两步,第一步是从原始决策树生成各种剪枝效果的决策树,第二部是用交叉验证来检验剪枝后的预测能力,选择泛化预测能力最好的剪枝后的数作为最终的CART树。
步骤4,以下一时刻的出口SO2浓度作为运行参数预测模型的输出变量,采用BP神经网络和决策树建立运行参数预测模型,并利用实际的运行参数预测模型对下一时刻的出口SO2浓度进行预测。
该决策树是步骤3分枝剪除后的决策树,也即是利用步骤3的决策树最终确定的浆液***的供浆量、循环泵的工作负荷、20s-40s的出口SO2浓度和浆液pH值作为输入变量,下一时刻的出口SO2浓度作为运行参数预测模型的输出变量,基于BP神经网络建立运行参数预测模型。
BP神经网络(误差反向传播神经网络),是一种按误差反向传播算法训练的多层前馈神经络。BP神经网络的基本学***方和最小。BP神经网络模型拓扑结构包括输入层(input)、隐层(hidden layer)和输出层(output layer)。
本发明的BP神经网络选取一个隐含层的三层网络,输入层节点个数为4,输出层节点个数为1,隐含层节点个数为4~13个,隐含层采用logistic激活函数,输出层使用线性激活函数,代价函数为均方误差,训练方法采用BP算法。
BP神经网络的训练方法如下:给定输入变量,从输入层传递到隐含层,隐含层通过权值和激活函数将结果传递到输出层,输出层的结果与期望输出结果进行比较,当实际输出与期望输出出现误差时,再反向对神经网络权值进行反馈修正,直至误差值达到预设最小误差。
训练过程涉及一些比较重要的变量选择,比如学习效率,每次内循环迭代步数,训练结束判断标准如何确定,影响每次寻求最优值的迭代步长,初始值取值为0.1,为提高程序寻优速度,随着训练进行,逐步逼近最优解时每次循环根据误差判断标准,若此次比上次误差加大,学习效率取半值,降低步长,防止错过最优解。
在模型的预测阶段,选用一步预测的方式,即每次输出预测值y(t+1)后,在对y(t+2)进行预测时需要把实际观测值作为输入,以避免单次预测的不准确对之后预测的影响。
步骤5,对预测的结果进行评价分析,验证预测的有效性。
为了更全面的评价预测模型的性能,在预测模型训练后,需要从三个角度衡量模型对于短期SO2浓度的预测的有效性:预测趋势的准确度、预测误差和平方根均方误差。预测趋势的准确度是将连续两次预测值得变化趋势与实际值的变化趋势进行对比,若变化方向一致,则趋势预测正确,反之预测错误。
图2表明采用普通的BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出与真实测量值之间一些无法重合的点,预测准确度不高。图3表明采用普通的BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出和期望输出的误差的曲线振幅较大,在0的上下波动很大,还有很多误差很大的点,收敛效果不是特别好。图4表明本发明基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出与真实测量值能较好的重合,而采用神经网络的脱硫***运行参数预测输出存在较多异值点,与真实测量值有很多无法重合的点。图5表明发明基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测输出和期望输出的误差在0的上下波动较小,能很好的收敛,而采用神经网络的脱硫***运行参数预测输出和期望输出的误差在0的上下波动很大,相对误差很大,无法很好的收敛。对比图5得出,本发明的基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测方法,在增加决策树方法后,预测模型的预测精度明显提高,通过曲线的振幅可以看出,决策树引入后能有效排除干扰噪声,是预测稳定性得到明显提高,预测性能大幅度提升,收敛效果更好,预测更为准确。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于决策树和BP神经网络的脱硫***运行参数预测方法,其特征在于,包括:
步骤1,对热电站脱硫***运行数据进行数据清理,剔除异常数据;
步骤2,对清理后健康的运行数据中的部分数据作为训练样本集,其余数据作为测试样本集,并对训练样本集中的样本数据进行归一化处理;
步骤3,由训练样本集生成决策树,并用实时获取新的样本数据作为测试样本集中的数据校验决策树生成过程中产生的初步观测,将影响预测准确性的分枝剪除,选择合适的特征变量,得到运行参数预测模型的输入变量,包括浆液***的供浆量、循环泵的工作负荷、出口SO2浓度和浆液pH值四个变参数;
步骤4,以下一时刻的出口SO2浓度作为运行参数预测模型的输出变量,采用BP神经网络和决策树建立运行参数预测模型,并利用运行参数预测模型对下一时刻的出口SO2浓度进行预测;
步骤5,对预测的结果进行评价分析,验证预测的有效性。
2.根据权利要求1所述的脱硫***运行参数预测方法,其特征在于,步骤1中,对于排放浓度超标、测量参数不在正常范围内和突变的数据点需要识别剔除。
3.根据权利要求1所述的脱硫***运行参数预测方法,其特征在于,步骤3中,决策树采用CART树算法剪枝。
4.根据权利要求1所述的脱硫***运行参数预测方法,其特征在于,步骤4中,BP神经网络选取一个隐含层的三层网络,隐含层采用logistic激活函数,输出层使用线性激活函数,训练方法采用改进算法。
5.根据权利要求1所述的脱硫***运行参数预测方法,其特征在于,步骤5中,在分析验证时,需要衡量三个参数:预测趋势的准确度、预测误差和平方根均方误差。
6.根据权利要求5所述的脱硫***运行参数预测方法,其特征在于,预测趋势的准确度是将连续两次预测值得变化趋势与实际值的变化趋势进行对比,若变化方向一致,则趋势预测正确,反之预测错误。
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