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基于动态滑动窗口BP神经网络的水质时间序列预测

张梦迪 徐庆 刘振鸿 马春燕 高品

张梦迪,徐庆,刘振鸿,等.基于动态滑动窗口BP神经网络的水质时间序列预测[J].环境工程技术学报,2022,12(3):809-815 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210194
引用本文: 张梦迪,徐庆,刘振鸿,等.基于动态滑动窗口BP神经网络的水质时间序列预测[J].环境工程技术学报,2022,12(3):809-815 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210194
ZHANG M D,XU Q,LIU Z H,et al.Prediction of water quality time series based on the dynamic sliding window BP neural network model[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(3):809-815 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210194
Citation: ZHANG M D,XU Q,LIU Z H,et al.Prediction of water quality time series based on the dynamic sliding window BP neural network model[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(3):809-815 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210194

基于动态滑动窗口BP神经网络的水质时间序列预测

doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210194
基金项目: 上海市生态环境局科研项目(沪环科〔2020〕第51号)
详细信息
    作者简介:

    张梦迪(1996—),女,硕士,研究方向为水污染控制技术,1393741826@qq.com

    通讯作者:

    高品(1982—),男,教授,博士,研究方向为水污染控制技术,pingao@dhu.edu.cn

  • 中图分类号: X824

Prediction of water quality time series based on the dynamic sliding window BP neural network model

  • 摘要:

    为提高BP神经网络(BPNN)模型对具有时间序列特征水质的预测精准度,采用主成分分析法对原始样本数据进行特征提取和降维,选取溶解性有机碳(DOC)浓度、总氮(TN)浓度和浊度作为水质预测指标,构建了具有3层网络结构的BPNN模型进行预测,并分析其预测性能。结果表明:DOC浓度、TN浓度和浊度的最佳训练集尺寸分别为60、60和90 d,最佳BPNN拓扑结构分别为9-12-1、8-6-1和7-13-1,经优化后的BPNN模型对DOC浓度、TN浓度和浊度的变化趋势整体预测效果较好;相比之下,BPNN模型对水中DOC浓度的预测效果显著优于TN浓度和浊度,其均方根误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)和相关系数(R)分别为0.040、0.66%和0.867。该模型对具有非线性特征的地表水水质预测具有较好的适用性,预测精度较高。

     

  • 图  1  滑动窗口示意

    Figure  1.  Schematic diagram of the sliding window

    图  2  BPNN拓扑结构基本框架

    Figure  2.  Basic framework of BPNN topology

    图  3  不同训练集尺寸的RMSE、R和MAPE对比

    Figure  3.  Comparison of RMSE, R and MAPE values of different training-set sizes

    图  4  不同滑动窗口大小的RMSE、R和MAPE对比

    Figure  4.  Comparison of RMSE, R and MAPE values with different sliding window sizes

    图  5  不同隐含层单元数的RMSE、R和MAPE对比

    Figure  5.  Comparison of RMSE, R and MAPE values of different hidden layer units

    图  6  优化BPNN模型对DOC浓度、TN浓度和浊度的预测效果

    Figure  6.  Prediction performance of optimized BPNN model towards DOC concentration, TN concentration, and turbidity

    表  1  主成分分析结果

    Table  1.   Results of principal component analysis

    成分特征值贡献率/%
    12.92426.6
    22.41948.6
    32.09467.6
    40.88475.7
    50.72882.3
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    表  2  主成分系数矩阵

    Table  2.   Coefficient matrix of the principal components

    主成分12345
    pH−0.6260.171−0.2530.2120.245
    浊度−0.3920.8130.207−0.0100.017
    DO0.4410.463−0.6820.001−0.066
    水温−0.766−0.3210.4700.1460.068
    电导率0.5730.2090.0820.6570.262
    TN浓度0.809−0.0980.2520.180−0.097
    NH3-N浓度0.573−0.0390.535−0.129−0.338
    TP浓度0.0770.6130.552−0.2930.143
    水中油浓度0.421−0.367−0.339−0.4810.516
    DOC浓度0.1460.8900.119−0.0890.128
    ORP−0.2860.230−0.714−0.104−0.405
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    表  4  DOC浓度、TN浓度和浊度的最优模型参数

    Table  4.   Optimized model parameters of DOC concentration, TN concentration, and turbidity

    水质
    指标
    训练集
    尺寸/d
    滑动窗
    口大小
    隐含层
    单元数
    模型评价指标
    RMSERMAPE/%
    DOC浓度609120.0510.8760.68
    TN浓度60860.5910.85810.45
    浊度9071314.7370.74923.60
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-21
  • 录用日期:  2021-09-30
  • 网络出版日期:  2022-06-07

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