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基于PSO Hammerstein模型的PM2.5預(yù)報(bào)

發(fā)布時(shí)間:2018-03-24 22:38

  本文選題:PM2.5 切入點(diǎn):Hammerstein模型 出處:《寧波大學(xué)》2017年碩士論文


【摘要】:隨著人類(lèi)生活水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,工業(yè)生產(chǎn)和生活造成的大氣污染愈發(fā)嚴(yán)重。近年來(lái),霧霾天氣對(duì)人體健康產(chǎn)生了巨大威脅,而導(dǎo)致霧霾天氣的首要污染物就是PM2.5。因此,對(duì)PM2.5的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)研究顯得尤為重要。本文通過(guò)觀察寧波市2013至2014年全年P(guān)M2.5的日平均濃度實(shí)際觀測(cè)值變化曲線發(fā)現(xiàn),其變化趨勢(shì)大致呈周期性,且以一年為周期。因此,本文將以2013年除PM2.5實(shí)際觀測(cè)值以外的全年空氣質(zhì)量指標(biāo)作為樣本數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)某天的PM2.5平均濃度值進(jìn)行預(yù)測(cè)。文中首先對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理和主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),將實(shí)際觀測(cè)的13維數(shù)據(jù)降至6維,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度;其次將預(yù)處理后的6維數(shù)據(jù)作為輸入,PM2.5預(yù)測(cè)值作為輸出,建立多輸入單輸出ARMA模型,對(duì)空氣中PM2.5的日平均濃度進(jìn)行初步預(yù)測(cè),并通過(guò)將預(yù)測(cè)結(jié)果的殘差平方和、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差等作為目標(biāo)函數(shù),來(lái)檢驗(yàn)預(yù)測(cè)精度;由于實(shí)際問(wèn)題通常具有非線性特性,嘗試將ARMA模型的輸入中加入非線性環(huán)節(jié)來(lái)構(gòu)建Hammerstein模型發(fā)現(xiàn),預(yù)測(cè)精度由ARMA模型的0.3028左右提高到0.1910左右,預(yù)測(cè)效果有顯著提高。群智能優(yōu)化算法是近些年處理極值問(wèn)題或優(yōu)化問(wèn)題時(shí)較為先進(jìn)且高效的方法,其中粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法思想簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),是進(jìn)行模型辨識(shí)的首選算法。本課題中模型階數(shù)的確定和參數(shù)的估計(jì)都是較為復(fù)雜的辨識(shí)過(guò)程,利用PSO算法可以較為高效地解決這些問(wèn)題。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的PSO算法收斂速度較慢,且預(yù)測(cè)精度不是很高,因此本文對(duì)傳統(tǒng)PSO算法進(jìn)行改進(jìn),有效地提高了收斂速度和預(yù)測(cè)精度。針對(duì)PM2.5建模的具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)和思想是本文的新意所在。
[Abstract]:With the continuous improvement of human living standard and the progress of science and technology, the air pollution caused by industrial production and living is becoming more and more serious. In recent years, haze weather has posed a great threat to human health. PM2.5is the main pollutant causing haze weather. Therefore, it is very important to study the monitoring and forecasting of PM2.5. By observing the daily average concentration of PM2.5 in Ningbo from 2013 to 2014, it is found that, The variation trend is generally periodic and takes one year as the cycle. Therefore, the annual air quality index, other than the actual PM2.5 observations, will be taken as the sample data in this paper, and the mathematical model will be established. The average concentration of PM2.5 is predicted. Firstly, the sample data are normalized and principal component analysis (PCA) is used to reduce the observed 13 dimensional data to 6 dimension, which greatly simplifies the system complexity. Secondly, the pretreated 6-D data is taken as the input PM2.5 prediction value as the output, and the multi-input single-output ARMA model is established. The daily average concentration of PM2.5 in air is preliminarily predicted, and the absolute error is calculated by the sum of squared residuals of the predicted results. The relative error is used as the objective function to test the prediction accuracy. Because the practical problems are usually nonlinear, the nonlinear link is added to the input of the ARMA model to construct the Hammerstein model. The prediction accuracy is increased from about 0.3028 to 0.1910 of ARMA model, and the prediction effect is improved significantly. Swarm intelligence optimization algorithm is an advanced and efficient method in dealing with extreme value problem or optimization problem in recent years. Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is simple and easy to realize, and is the first choice for model identification. In this paper, the determination of model order and the estimation of parameters are more complex identification processes. These problems can be solved efficiently by using PSO algorithm, but in practical application, it is found that the convergence speed of traditional PSO algorithm is slow and the prediction accuracy is not very high. Therefore, the traditional PSO algorithm is improved in this paper. The convergence speed and prediction accuracy are improved effectively. The concrete implementation framework and idea of PM2.5 modeling is the new idea of this paper.
【學(xué)位授予單位】:寧波大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2017
【分類(lèi)號(hào)】:X513;TP18

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào):1660365

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