金昌鉉,朱宇龍,馬博,劉森,黎晚晴,陳玲娜
基于數(shù)據(jù)挖掘判別用電類別異常的分析與研究
金昌鉉1,朱宇龍1,馬博1,劉森1,黎晚晴2,陳玲娜2
(1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510000;2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司,廣東 廣州 510000)
隨著電網(wǎng)企業(yè)全面實(shí)現(xiàn)智能電表全覆蓋和低壓集抄全覆蓋,產(chǎn)生了海量實(shí)時(shí)的計(jì)量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)通過分析挖掘技術(shù),可在輔助電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、負(fù)荷預(yù)測(cè)等方面發(fā)揮價(jià)值。然而,利用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析挖掘技術(shù),較難處理如此海量的計(jì)量數(shù)據(jù),也無法識(shí)別異常數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的企業(yè)經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)問題,因此,有必要引入大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù),運(yùn)用分類預(yù)測(cè)算法進(jìn)行異常分析,有效識(shí)別電網(wǎng)高價(jià)值用戶的用電類別異常。對(duì)電網(wǎng)企業(yè)用戶如高耗能行業(yè)用戶、一般工商業(yè)用戶、大工業(yè)用戶以及居民用戶的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究,從宏觀和微觀角度分別對(duì)用電行為數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和行為分析,刻畫出不同用電類別用戶的負(fù)荷曲線,歸納用電行為特征,運(yùn)用有效監(jiān)督的數(shù)據(jù)挖掘算法構(gòu)建用電類別異常識(shí)別模型,并和用戶檔案中的用電類別數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì),找出異常數(shù)據(jù),輔助識(shí)別電能計(jì)算裝置使用異常、用戶檔案信息錯(cuò)亂和電費(fèi)收取錯(cuò)誤等異常。
用電行為;數(shù)據(jù)挖掘;日負(fù)荷曲線;決策樹算法
隨著智能電網(wǎng)的普及,電力自動(dòng)化數(shù)據(jù)日漸增多,如何從這些海量的數(shù)據(jù)中挖掘出其隱藏的價(jià)值便顯得尤為重要。整個(gè)社會(huì)的用電量是無法估量的,用電的時(shí)間段、用電高峰的電力負(fù)荷、用電的需求這些都處于時(shí)時(shí)變化的狀態(tài)。大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,已推進(jìn)了新興技術(shù)的突破,其中,分布式分析挖掘計(jì)算引擎Spark也帶給了人們挖掘海量數(shù)據(jù)的可能性,而數(shù)據(jù)的背后通常也隱藏了事物發(fā)展的潛在規(guī)律,用電數(shù)據(jù)也不例外。運(yùn)用分類預(yù)測(cè)算法,從海量數(shù)據(jù)中挖掘出不同類別用戶的用電行為規(guī)律,是本文研究的核心內(nèi)容。
通過閱讀大量的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)前對(duì)用電用戶的研究大多集中在運(yùn)用用戶基本信息和客戶服務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建標(biāo)簽的用戶畫像相關(guān)的技術(shù),但因數(shù)據(jù)質(zhì)量問題,用戶標(biāo)簽和其用電行為標(biāo)簽未能完全匹配。
本研究運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)電力客戶進(jìn)行用電特征的分類分析,將得到的用戶分類與原始分類指標(biāo)作對(duì)比,找出用電類別異常的用戶,輔助電網(wǎng)企業(yè)追回?fù)p失,也加深對(duì)客戶的了解,便于針對(duì)不同的用戶群制訂服務(wù)策略,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)客戶服務(wù)。
大數(shù)據(jù)挖掘是當(dāng)今社會(huì)研究的熱點(diǎn)問題,所謂數(shù)據(jù)挖掘,是指從大量數(shù)據(jù)中揭示出隱含的、先前未知的并有潛在價(jià)值的信息的非平凡過程。通常分為有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法和無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。其中,無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法是對(duì)沒有分類標(biāo)記的訓(xùn)練樣本識(shí)別其結(jié)構(gòu)性知識(shí),比如聚類分析。而有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法,是事先對(duì)具有標(biāo)記(分類)信息的訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí),再對(duì)樣本外的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類預(yù)測(cè),也稱分類算法。常見的分類算法有決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支撐向量機(jī)和貝葉斯等,不同的分類算法,由于原理的不同,存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適合的應(yīng)用場(chǎng)景,各個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
表1 各個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)
算法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 決策樹①不需要任何領(lǐng)域知識(shí);②不需要參數(shù)假設(shè);③適合維度較多的數(shù)據(jù);④簡(jiǎn)單、易用、容易理解;⑤執(zhí)行效率高;⑥可同時(shí)處理數(shù)值型和字符型字段①當(dāng)訓(xùn)練樣本失衡時(shí),信息增益偏向于那些具有更多數(shù)值的特征;②容易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象;③常忽略字段間的相關(guān)性;④不支持在線學(xué)習(xí) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)①分類準(zhǔn)確率高;②并行處理能力強(qiáng);③分布式存儲(chǔ)和學(xué)習(xí)能力強(qiáng);④魯棒性較強(qiáng),不易受噪聲影響①需要大量參數(shù);②結(jié)果難以解釋;③訓(xùn)練時(shí)間過長(zhǎng) 支持向量機(jī)①可以解決小樣本下機(jī)器學(xué)習(xí)的問題;②提高泛化性能;③可以解決高維、非線性問題;④可以超高維文本分類問題;⑤避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇和局部極小的問題①對(duì)缺失數(shù)據(jù)敏感;②內(nèi)存消耗大,難以解釋;③運(yùn)行和調(diào)參較為麻煩 貝葉斯①所需估計(jì)的參數(shù)少,對(duì)于缺失數(shù)據(jù)不敏;②有著堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及穩(wěn)定的分類效率①需要假設(shè)字段間相互獨(dú)立;②需要知道先驗(yàn)概率;③分類決策存在錯(cuò)誤率
基于企業(yè)大數(shù)據(jù)中心,讀取企業(yè)營(yíng)銷自動(dòng)化積累的電量數(shù)據(jù),選擇參與模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù),主要包括計(jì)量點(diǎn)表、運(yùn)行電能表、運(yùn)行電能表日凍結(jié)電能量表、運(yùn)行電能表日負(fù)荷極值表和用戶信息表等。其中運(yùn)行電能表日凍結(jié)電能量表記錄
的是電能表總正向有功以及峰、平、谷各時(shí)間段的正向有功,用來說明用戶固定時(shí)間段的用電量;運(yùn)行電能表日負(fù)荷極值表用于記錄電能表功率、電壓和電流等信息。
經(jīng)篩選抽取后的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)表結(jié)構(gòu)如表2所示。
表2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)表結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)表構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)類型指標(biāo)說明 用電量計(jì)量點(diǎn)編號(hào)VARCHAR2(20)計(jì)量點(diǎn)的唯一編號(hào) 用戶編號(hào)VARCHAR2(20)用電客戶的唯一編號(hào) 用電時(shí)間Date包含日期和時(shí)分秒 最大功率Number(8,3)一天內(nèi)最大的有功功率,即一天內(nèi)最大負(fù)荷 平均功率Number(8,3)一天內(nèi)有功功率平均值 用電客戶用戶編號(hào)VARCHAR2(20)用電客戶的唯一編號(hào) 負(fù)荷性質(zhì)代碼VARCHAR2(8)負(fù)荷的重要程度分類 用電類別代碼VARCHAR2(8)定義客戶用電基本屬性分類及代碼,又稱用電類別 電壓等級(jí)代碼VARCHAR2(8)用電客戶受電點(diǎn)的電壓等級(jí) 行業(yè)分類代碼VARCHAR2(8)用電客戶的行業(yè)分類代碼 用戶類別代碼VARCHAR2(8)用戶一種常用的分類方式,方便用戶的管理 高耗能行業(yè)類別代碼VARCHAR2(8)依據(jù)國(guó)家最新的高耗能行業(yè)劃分 用電性質(zhì)VARCHAR2(8)用電性質(zhì) 用戶狀態(tài)代碼VARCHAR2(8)用電客戶的狀態(tài)說明 客戶分群標(biāo)志VARCHAR2(8)客戶重要性分類類型(客戶分群代碼) 運(yùn)行容量Number(15,4)用電客戶正在使用的合同容量 行政區(qū)域代碼VARCHAR2(8)用電客戶所在地址的行政區(qū)劃代碼 城鄉(xiāng)代碼VARCHAR2(8)用電客戶所在地址的城鄉(xiāng)代碼 計(jì)量點(diǎn)計(jì)量點(diǎn)編號(hào)VARCHAR2(20)計(jì)量點(diǎn)的唯一編號(hào) 用戶編號(hào)VARCHAR2(20)用電客戶的唯一編號(hào) 計(jì)量方式代碼VARCHAR2(8)主計(jì)量方式 計(jì)量點(diǎn)電壓等級(jí)代碼VARCHAR2(8)標(biāo)明計(jì)量點(diǎn)的計(jì)量電壓等級(jí) 計(jì)量裝置分類代碼VARCHAR2(8)計(jì)量裝置分類主要根據(jù)用電量進(jìn)行區(qū)分 計(jì)量點(diǎn)狀態(tài)代碼VARCHAR2(8)標(biāo)明計(jì)量點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài) 計(jì)量點(diǎn)類別代碼VARCHAR2(8)計(jì)量點(diǎn)類別代碼 計(jì)量點(diǎn)用途代碼VARCHAR2(8)定義計(jì)量點(diǎn)的主要用途 計(jì)量點(diǎn)位置代碼VARCHAR2(8)標(biāo)明計(jì)量點(diǎn)所屬的具體位置 接線方式代碼VARCHAR2(8)計(jì)量點(diǎn)接線方式 用電容量Number(15,4)計(jì)量點(diǎn)用電容量 計(jì)量點(diǎn)類型代碼VARCHAR2(8)計(jì)量點(diǎn)類型代碼 運(yùn)行電能表標(biāo)識(shí)VARCHAR2(16)運(yùn)行電能表的唯一標(biāo)識(shí)
數(shù)據(jù)清洗是發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的第一道程序,包括檢查數(shù)據(jù)一致性、處理無效數(shù)據(jù)和缺失值等,數(shù)據(jù)清洗的目的是為了得到高質(zhì)量的建模輸入數(shù)據(jù),而分類算法通常要求輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化等方法處理,以便提高數(shù)據(jù)挖掘算法的執(zhí)行效率。同時(shí),由于數(shù)據(jù)挖掘算法往往只能對(duì)單一的數(shù)據(jù)表進(jìn)行分析,因此就需要將相關(guān)數(shù)據(jù)整合成一個(gè)“寬表”,這個(gè)表每行都是代表一個(gè)用電戶,每列代表與用電戶用電性質(zhì)潛在相關(guān)的影響因素,最后一列“用電性質(zhì)”為分類算法的目標(biāo)列。相關(guān)數(shù)據(jù)整合成的“寬表”如表3所示。
4.1.1 特征選擇
為了縮小選擇范圍,提高模型的性能,需要對(duì)數(shù)據(jù)清洗后得到的“寬表”進(jìn)行特征選擇,即字段篩選,通常采用以下幾種方式:根據(jù)數(shù)據(jù)的特征質(zhì)量,過濾掉數(shù)據(jù)質(zhì)量很差的字段;計(jì)算剩余的輸入字段對(duì)目標(biāo)“用電性質(zhì)”的重要性,選取一些對(duì)用目標(biāo)字段影響較大的字段,減少數(shù)據(jù)挖掘算法的計(jì)算量,提高執(zhí)行效率。
4.1.2 樣本數(shù)據(jù)選取
通常一個(gè)電網(wǎng)公司的用電戶數(shù)據(jù)量達(dá)千萬級(jí)別,如果在模型訓(xùn)練階段就將所有的用電戶數(shù)據(jù)參與建模,則會(huì)出現(xiàn)算法執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng),甚至細(xì)微的參數(shù)調(diào)整都會(huì)帶來重復(fù)執(zhí)行的需求;另一方面,大工業(yè)用戶、一般工商業(yè)用戶、居民用戶的本身體量也不屬于一個(gè)數(shù)量等級(jí),容易導(dǎo)致樣本失衡的問題。因此使用抽樣技術(shù),分別選取不同類別的典型用戶數(shù)據(jù)參與模型訓(xùn)練,可以有效提高算法執(zhí)行效率。本文選取10個(gè)典型行業(yè)的計(jì)量點(diǎn)在當(dāng)前年的所有特征指標(biāo)及其組合指標(biāo),分析用戶的用電行為,既能保證樣本的抽樣覆蓋,也能避免遺漏用戶的季節(jié)性用電特征。
表3 相關(guān)數(shù)據(jù)整合成的“寬表”
構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)類型指標(biāo)說明 用戶編號(hào)VARCHAR2(20)用電客戶的唯一編號(hào) 用電日期Date數(shù)據(jù)時(shí)間 年份VARCHAR2(8)數(shù)據(jù)年份 月份VARCHAR2(8)數(shù)據(jù)月份 星期VARCHAR2(20)判斷數(shù)據(jù)日期是星期幾 是否節(jié)假日VARCHAR2(20)判斷當(dāng)天是不是節(jié)假日 正向有功總Number(15,4)全天總用電量 正向9_12Number(15,4)一天時(shí)間段(09:00—12:00)用電量 正向14_17Number(15,4)一天時(shí)間段(14:00—17:00)用電量 正向19_22Number(15,4)一天時(shí)間段(19:00—22:00)用電量 正向2_5Number(15,4)一天時(shí)間段(02:00—05:00)用電量 最大功率Number(8,3)一天內(nèi)最大的有功功率,即一天內(nèi)最大負(fù)荷 平均功率Number(8,3)一天內(nèi)有功功率平均值 負(fù)荷性質(zhì)代碼VARCHAR2(8)負(fù)荷的重要程度分類 用電類別代碼VARCHAR2(8)定義客戶用電基本屬性分類及代碼,又稱用電類別 電壓等級(jí)代碼VARCHAR2(8)用電客戶受電點(diǎn)的電壓等級(jí) 行業(yè)分類代碼VARCHAR2(8)用電客戶的行業(yè)分類代碼 用戶類別代碼VARCHAR2(8)用戶一種常用的分類方式,方便用戶的管理 高耗能行業(yè)類別代碼VARCHAR2(8)依據(jù)國(guó)家最新的高耗能行業(yè)劃分 用戶狀態(tài)代碼VARCHAR2(8)用電客戶的狀態(tài)說明 客戶分群標(biāo)志VARCHAR2(8)客戶重要性分類類型(客戶分群代碼) 運(yùn)行容量Number(15,4)用電客戶正在使用的合同容量 行政區(qū)域代碼VARCHAR2(8)用電客戶所在地址的行政區(qū)劃代碼 城鄉(xiāng)代碼VARCHAR2(8)用電客戶所在地址的城鄉(xiāng)代碼 計(jì)量方式代碼VARCHAR2(8)主計(jì)量方式 計(jì)量點(diǎn)電壓等級(jí)代碼VARCHAR2(8)標(biāo)明計(jì)量點(diǎn)的計(jì)量電壓等級(jí) 計(jì)量裝置分類代碼VARCHAR2(8)計(jì)量裝置分類主要根據(jù)用電量進(jìn)行區(qū)分 計(jì)量點(diǎn)狀態(tài)代碼VARCHAR2(8)標(biāo)明計(jì)量點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài) 計(jì)量點(diǎn)類別代碼VARCHAR2(8)計(jì)量點(diǎn)類別代碼 計(jì)量點(diǎn)用途代碼VARCHAR2(8)定義計(jì)量點(diǎn)的主要用途 計(jì)量點(diǎn)位置代碼VARCHAR2(8)標(biāo)明計(jì)量點(diǎn)所屬的具體位置 接線方式代碼VARCHAR2(8)計(jì)量點(diǎn)接線方式 用電容量Number(15,4)計(jì)量點(diǎn)用電容量 計(jì)量點(diǎn)類型代碼VARCHAR2(8)計(jì)量點(diǎn)類型代碼 用電性質(zhì)VARCHAR2(8)用電性質(zhì)
4.1.3 最終模型分析指標(biāo)
將負(fù)荷波動(dòng)特性指標(biāo)、時(shí)間指標(biāo)、分類指標(biāo)排列組合得出最終用于模型分析的各項(xiàng)指標(biāo),具體指標(biāo)如表4所示。
采用70%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),分別采用決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支撐向量機(jī)、樸素貝葉斯等算法建立了模型,并用剩余30%數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試。
各算法建模參數(shù)和測(cè)試結(jié)果如圖1所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模參數(shù)如圖2所示。支撐向量機(jī)建模參數(shù)如圖3所示。樸素貝葉斯建模參數(shù)如圖4所示。
主要選取了總體正確分類率、Kappa統(tǒng)計(jì)量這兩個(gè)評(píng)估指標(biāo)作為模型評(píng)估參數(shù),各算法建立的模型測(cè)試結(jié)果如表5所示。從結(jié)果看,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到的模型準(zhǔn)確率最高,其次是決策樹算法。
考慮到業(yè)務(wù)實(shí)際情況,除了需要知道哪些企業(yè)用電性質(zhì)申報(bào)存在欺詐,還需要了解對(duì)方具有什么用電特征,因此相比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為黑盒模型,決策樹模型可以得到顯性的業(yè)務(wù)規(guī)則,因此最終選擇決策樹模型作為最終的模型。通過決策樹算法對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模,最終得到如圖5所示的用電性質(zhì)識(shí)別模型,決策樹的根節(jié)點(diǎn)到每個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)形成的路徑就對(duì)應(yīng)一條用電性質(zhì)決策規(guī)則。
例如,圖5深色的路徑就表示“19:00—22:00用電占比小于18%,且09:00—12:00用電占比小于12.25%,且最大功率大于582 W,則100%是工商業(yè)用電”。
基于此模型,對(duì)轄區(qū)內(nèi)目前登記為“居民生活”用電性質(zhì)的所有企業(yè)進(jìn)行了分析,如表6所示。
表4 模型分析的各項(xiàng)指標(biāo)
數(shù)據(jù)表構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)類型 用電類別分析表計(jì)量點(diǎn)編號(hào)VARCHAR2(20) 一月工作日正向有功總Number(15,4) 一月周末正向有功總Number(15,4) 一月工作日峰總比Number(4,3) 一月周末峰總比Number(4,3) 一月工作日平總比Number(4,3) 一月周末平總比Number(4,3) 一月工作日谷總比Number(4,3) 一月周末谷總比Number(4,3) 一月工作日最大功率Number(8,3) 一月周末最大功率Number(8,3) 一月工作日負(fù)荷率Number(4,3) 一月周末負(fù)荷率Number(4,3) …… 十二月工作日正向有功總Number(15,4) 十二月周末正向有功總Number(15,4) 十二月工作日峰總比Number(4,3) 十二月周末峰總比Number(4,3) 十二月工作日平總比Number(4,3) 十二月周末平總比Number(4,3) 十二月工作日谷總比Number(4,3) 十二月周末谷總比Number(4,3) 十二月工作日最大功率Number(8,3) 十二月周末最大功率Number(8,3) 十二月工作日負(fù)荷率Number(4,3) 十二月周末負(fù)荷率Number(4,3) 負(fù)荷性質(zhì)VARCHAR2(8) 電壓等級(jí)VARCHAR2(8) 行業(yè)分類VARCHAR2(8) 用戶類別VARCHAR2(8) 高耗能行業(yè)類別VARCHAR2(8) 電源類型VARCHAR2(8) 行政區(qū)域VARCHAR2(8) 城鄉(xiāng)代碼VARCHAR2(8) 計(jì)量方式VARCHAR2(8) 計(jì)量點(diǎn)電壓等級(jí)VARCHAR2(8) 接線方式VARCHAR2(8) 用電容量Number(15,4) 計(jì)量點(diǎn)類型VARCHAR2(8) 用電類別VARCHAR2(8)
圖1 決策樹建模參數(shù)
圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模參數(shù)
圖3 支撐向量機(jī)建模參數(shù)
圖4 樸素貝葉斯建模參數(shù)
表5 模型結(jié)果
模型評(píng)估指標(biāo)算法 決策樹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支撐向量機(jī)樸素貝葉斯 窗體頂端正確分類率/(%)窗體底端98.8198.83窗體頂端94.05窗體底端窗體頂端93.45窗體底端 Kappa統(tǒng)計(jì)量0.968 8窗體底端0.9690.837 7窗體底端0.838 9
圖5 用電性質(zhì)識(shí)別決策數(shù)模型
發(fā)現(xiàn)存在部分企業(yè)被識(shí)別為“工商業(yè)”用電性質(zhì),并且這些企業(yè)具有顯著的工商業(yè)企業(yè)用電特征,因此被納入審計(jì)調(diào)查的范圍,并追回了大量經(jīng)濟(jì)損失,在審計(jì)工作中發(fā)揮了重要的作用。
此模型為電力行業(yè)基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化管理提供了有效的示范,后期將進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)推動(dòng)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理的精細(xì)化和智能化發(fā)展。
表6 “居民生活”用電性質(zhì)分析表
用戶編號(hào)年份月份星期是否節(jié)假日平均功率最大功率用電占比9_12用電占比14_17用電占比19_22用電占比2_5當(dāng)前用電性質(zhì)預(yù)測(cè)用電性質(zhì) 87316201901星期一否2113550.2460.2220.1340.010居民生活工商業(yè) 52141201806星期二否2404090.2470.2450.1390.014居民生活工商業(yè) 6632201903星期三否1832550.2270.2340.1370.019居民生活工商業(yè)
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2095-6835(2020)10-0014-04
TM715
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.005
〔編輯:張思楠〕