基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

吳康福

（廣東理工學(xué)院,廣東 肇慶 526100）

1 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)建筑數(shù)量不斷增加，供熱面積隨之增長(zhǎng)，熱能消耗逐年遞增。據(jù)調(diào)查，我國(guó)“三北”地區(qū)單純供熱消耗能量占全國(guó)總熱能消耗量的28.5%。在自控技術(shù)不斷成熟的背景下，供熱管網(wǎng)投資量不斷增加，集中供熱管網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要想精準(zhǔn)地計(jì)算系統(tǒng)熱負(fù)荷預(yù)測(cè)值，促進(jìn)其運(yùn)行效率提高，可將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入其中，對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將仿真結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際工作中，對(duì)減少熱能消耗、促進(jìn)節(jié)能環(huán)保具有重大意義。

2 供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)主要流程

通常情況下，供熱負(fù)荷在建筑內(nèi)外因素影響下會(huì)發(fā)生改變。內(nèi)部主要受照明設(shè)備、人體熱量、電氣熱量等影響，外部受結(jié)構(gòu)傳入熱量、太陽(yáng)輻射等因素影響。在上述因素中，內(nèi)因相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)較小，外因隨季節(jié)波動(dòng)影響較大，數(shù)值變化相對(duì)較大。在供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)中，應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)完整準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)，要結(jié)合供熱系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行信息采集，利用不同傳感器采集回水、供水等溫度信息與流量、壓差等信息。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)獲得供熱系統(tǒng)每日遞增的實(shí)際負(fù)荷與氣象資料，將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于訓(xùn)練數(shù)據(jù)使用。為提高負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，針對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行智能運(yùn)算十分可行，預(yù)測(cè)流程如下：

首先，采集歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)其適當(dāng)預(yù)處理后，供訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用；創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)模糊規(guī)則與隸屬度函數(shù)，用函數(shù)表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，通過(guò)創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模糊推理。

其次，通過(guò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，利用學(xué)習(xí)算法修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，使隸屬函數(shù)值得以優(yōu)化，由此獲得高精度的模糊規(guī)則；保存修正完的模糊規(guī)則，在此基礎(chǔ)上實(shí)施模糊推理。將測(cè)試樣本輸入后，采用訓(xùn)練完畢的模型預(yù)測(cè)，便可得到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)值。

再次，將干預(yù)項(xiàng)、氣象數(shù)據(jù)等因素引入其中，對(duì)負(fù)荷外部約束量進(jìn)行干擾，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析模型進(jìn)行訓(xùn)練的負(fù)荷數(shù)據(jù)集合，并創(chuàng)建與之匹配的基準(zhǔn)日數(shù)據(jù)庫(kù)，利用其預(yù)測(cè)日負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)生成基準(zhǔn)約束，由此提高預(yù)測(cè)結(jié)果精確度。模糊網(wǎng)絡(luò)作為整個(gè)預(yù)測(cè)的中心，可對(duì)日負(fù)荷值進(jìn)行智能分析，并通過(guò)功能模塊繪制負(fù)荷波動(dòng)曲線，最大限度地控制誤差產(chǎn)生，為供熱人員制定科學(xué)高效的運(yùn)行方案提供極大便利[1]。

3 供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型創(chuàng)建

3.1 基本思想

模糊系統(tǒng)是在模糊邏輯基礎(chǔ)上，與人類思維相接近的自然語(yǔ)言形式。系統(tǒng)核心在于規(guī)則集。經(jīng)過(guò)大量研究表明，與傳統(tǒng)方式相比，模糊系統(tǒng)所得結(jié)果更加精準(zhǔn)高效。當(dāng)信息源受不確定因素影響時(shí)，可采用模糊系統(tǒng)的方式取得可喜成果。在供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)中，可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示，并通過(guò)優(yōu)化調(diào)整模型使預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。圖中，x1～xn代表輸入信號(hào)，ωj1～ωjn代表神經(jīng)元 j 的取值，uj代表線性組合結(jié)果，θj代表閾值，代表激活函數(shù)，yi代表神經(jīng)元i的輸出值。受不確定因素影響，基本不會(huì)得到百分百的準(zhǔn)確度，因此要求預(yù)測(cè)精度控制在90%以上，便可消除熱水流量控制時(shí)滯性，取得理想的預(yù)測(cè)結(jié)果[2]。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 傳輸變量選取

在負(fù)荷預(yù)測(cè)中，輸入變量選擇將直接影響預(yù)測(cè)效果。在實(shí)際工作中，可結(jié)合有待解決的問(wèn)題類型與數(shù)據(jù)表達(dá)形式，確定輸入變量的數(shù)量與類型。在變量選取中，盡可能選用與供熱負(fù)荷有所關(guān)聯(lián)的元素。針對(duì)建筑供暖研究后，發(fā)現(xiàn)熱能消耗的影響要素較多，最為直接的便是室外氣溫，而建筑類型與維護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)對(duì)能耗產(chǎn)生較大影響。對(duì)此，可將影響因素分成三種類型，即建筑類、氣候類與人為類。在操作中因歷史數(shù)據(jù)采集難度較大，且大量因素參與建模會(huì)增加計(jì)算量，在長(zhǎng)期訓(xùn)練下影響數(shù)值準(zhǔn)確率。對(duì)此，在變量選擇時(shí)應(yīng)有所側(cè)重，注意組合搭配，盡量減少輸入變量。在本研究中，選取室外溫度、天氣狀況、時(shí)間與預(yù)測(cè)日前一天相同時(shí)段供水量作為輸入變量。因模糊網(wǎng)絡(luò)輸入變量與輸入層節(jié)點(diǎn)相同，即輸入層節(jié)點(diǎn)為4個(gè)。在輸出變量方面，供熱系統(tǒng)的控制方案眾多，在輸出變量選擇時(shí)，可結(jié)合運(yùn)行方案選擇相應(yīng)的輸出。在本預(yù)測(cè)模型中，以供熱負(fù)荷為輸出變量，且輸出層的神經(jīng)元具有唯一性。

3.3 學(xué)習(xí)步驟

針對(duì)權(quán)系統(tǒng)進(jìn)行修正，利用誤差反向傳播梯度降低方式進(jìn)行優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)輸出值與欲望值更加相似。四個(gè)輸入信號(hào)分別設(shè)定為時(shí)間（X1）、室外情況（X2）、天氣狀況（X3）與供水流量（X—4）。因輸入信號(hào)特性不同，數(shù)值也存在一定差距，即，i取值范圍為1到n，n為輸入量個(gè)數(shù)，取值為4；y的上角標(biāo)為層數(shù)，可根據(jù)層次不同進(jìn)行調(diào)換。在模糊網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中，主要步驟如下：

第一步：初始化操作。根據(jù)w、c與各物理量意義，使初始權(quán)值范圍得到確定，設(shè)置誤差極限Emin在0到1之間，初始學(xué)習(xí)率范圍也為0到1，訓(xùn)練計(jì)數(shù)器(l)為1，樣本計(jì)數(shù)器(p)為1。本研究利用自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)率，創(chuàng)建模糊網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置常數(shù)λ1的取值范圍為0到1，λ2的范圍超過(guò)1。隨機(jī)選出一組訓(xùn)練模式，即，將其傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)；利用輸入模式與連接權(quán)，對(duì)第二、三層的神經(jīng)元傳輸值進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)輸入變量模糊化目標(biāo)。

第二步：在模糊規(guī)則推理應(yīng)用下，利用上一步推理到的第三層神經(jīng)元數(shù)值，對(duì)下一層傳輸值進(jìn)行計(jì)算，完成模糊推理。根據(jù)第四層傳輸值，對(duì)實(shí)際輸出供熱符合進(jìn)行計(jì)算。

第三步：對(duì)預(yù)期輸出模式與實(shí)際輸出模式對(duì)比，通過(guò)修正公式計(jì)算修正值；對(duì)本次訓(xùn)練總誤差進(jìn)行計(jì)算，如若總誤差超過(guò)ERET，則。網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)選出下一個(gè)學(xué)習(xí)模式，返回上第二步，直至l值與p值相同，即全部模式均訓(xùn)練完畢。在全部學(xué)習(xí)模式中隨機(jī)選擇一個(gè)，當(dāng)ERET數(shù)值小于Emin時(shí)，學(xué)習(xí)結(jié)束。

4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模型應(yīng)用

4.1 負(fù)荷數(shù)據(jù)預(yù)處理

在負(fù)荷建模期間，應(yīng)以大量歷史信息為基礎(chǔ)進(jìn)行訓(xùn)練與預(yù)測(cè)。但采集獲得的數(shù)據(jù)可能因系統(tǒng)故障、設(shè)備精度誤差、人為錯(cuò)誤操作等因素，導(dǎo)致不良數(shù)據(jù)混入其中，在實(shí)際訓(xùn)練中會(huì)對(duì)負(fù)荷變化規(guī)律創(chuàng)建造成影響，進(jìn)而增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差，甚至導(dǎo)致預(yù)測(cè)算法無(wú)法收斂。對(duì)此，可通過(guò)預(yù)處理的方式，將此類不完美數(shù)據(jù)進(jìn)行修正或剔除。將采集的歷史信息創(chuàng)建成一個(gè)矩陣，設(shè)置為X（i,j），其中，i的取值范圍為1到n，n是指記錄數(shù)據(jù)時(shí)刻；j是指記錄數(shù)據(jù)天數(shù)；辨別值取1.1，對(duì)各行均值、偏離率與方差進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比辨別值與偏離率的大小，如若前者大于后者，則以X（i,j）為樣本；如若前者小于后者，則X（i,j）便是不完美數(shù)據(jù)，可用其前一段或后一段的均值替代，此舉可有效規(guī)避不完美數(shù)據(jù)帶來(lái)的誤差。

4.2 仿真分析

4.2.1 傳輸參數(shù)歸一化

在供熱系統(tǒng)中，影響負(fù)荷的信號(hào)類型有所區(qū)別，既包括模糊信號(hào)，還包括準(zhǔn)確的數(shù)值信號(hào)。對(duì)此，應(yīng)對(duì)模糊信號(hào)統(tǒng)一處理，使其變?yōu)閿?shù)值信號(hào)后輸入網(wǎng)絡(luò)中。為使輸出量變化更加顯著，可采用Sigmoid函數(shù)，對(duì)內(nèi)部審計(jì)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳輸值均進(jìn)行歸一化處理，即將所需數(shù)據(jù)預(yù)處理后，使其處于所需范圍內(nèi)，這樣不但便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理，還可加速程序運(yùn)行收斂。在輸入層中，可利用以下公式對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，將其變?yōu)閇-1,+1]區(qū)間的值。

式中，x代表原始信息，xmax代表原始最大值，xmin代表原始最小值，y代表歸一后的數(shù)據(jù)。在歸一處理后，數(shù)據(jù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模糊目標(biāo)，輸出信號(hào)在去模糊后輸出。因數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息每間隔15 min采集一次，且標(biāo)預(yù)測(cè)值為每小時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果，在樣本訓(xùn)練時(shí)可將每4個(gè)值取均值后，再投入訓(xùn)練中。

4.2.2 樣本訓(xùn)練

通過(guò)BP算法創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)自己運(yùn)算后修正學(xué)習(xí)率，主要參數(shù)設(shè)置為λ1為0.5，λ2為1.3，學(xué)習(xí)率的數(shù)值為0.05，誤差極值為10-5，訓(xùn)練頻率最大值為1 500，樣本與訓(xùn)練次數(shù)計(jì)數(shù)器均為1。將樣本集合引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，獲得連接權(quán)，并以輸入測(cè)試為樣本信息，得出負(fù)荷預(yù)測(cè)值。在選擇隸屬度函數(shù)時(shí)，可結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)前一段隸屬度函數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)權(quán)值wlk位于[0,1]范圍內(nèi)時(shí)，可選取某個(gè)數(shù)作為初始值。采用MATLAB進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試表明，傳輸數(shù)值間的誤差值、學(xué)習(xí)率在持續(xù)訓(xùn)練中得以確定。將960個(gè)（10×24×4）樣本投入到訓(xùn)練中，由此創(chuàng)建模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)訓(xùn)練與測(cè)試目標(biāo)。

4.2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

某日24小時(shí)樣本數(shù)據(jù)：在1 h時(shí)，室外溫度為-15 ℃，前一天同時(shí)段供水量為0.7 m3，供熱負(fù)荷為582.6 kJ/h；在5 h時(shí)，室外溫度為-15 ℃，前一天同時(shí)段供水量為0.6 m3，供熱負(fù)荷為582.3 kJ/h；在10 h時(shí)，室外溫度為-13 ℃，前一天同時(shí)段供水量為0.7 m3，供熱負(fù)荷為579.5 kJ/h；在15 h時(shí)，室外溫度為-11 ℃，前一天同時(shí)段供水量為0.6 m3，供熱負(fù)荷為576.4 kJ/h；在20 h時(shí)，室外溫度為-14 ℃，前一天同時(shí)段供水量為0.6 m3，供熱負(fù)荷為579.6 kJ/h；在24 h時(shí)，室外溫度為-15 ℃，前一天同時(shí)段供水量為0.7 m3，供熱負(fù)荷為583.8 kJ/h。模糊神經(jīng)網(wǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示。預(yù)測(cè)值與實(shí)際值基本相符，誤差控制在3%內(nèi)，可充分滿足預(yù)期要求。

圖2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果

為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效果，對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行單一預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。根據(jù)該圖可知，單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差最大值約為6%，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比誤差較小，準(zhǔn)確性更強(qiáng)。由此可見(jiàn)，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在負(fù)荷預(yù)測(cè)中十分準(zhǔn)確且可行。

圖3 預(yù)測(cè)誤差對(duì)比

4.3 預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)用

根據(jù)上文的預(yù)測(cè)結(jié)果，將其應(yīng)用到指導(dǎo)控制之中，使建筑功能符合用戶需求的基礎(chǔ)上，最大限度地減少能源浪費(fèi)。用預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)實(shí)踐，提前采取科學(xué)高效的系統(tǒng)控制措施，可有效減少系統(tǒng)滯后性造成的能源浪費(fèi)。

在供熱管工作中，熱量需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸才可到達(dá)住戶家中，導(dǎo)致熱量傳輸出現(xiàn)一定的延遲。在一次網(wǎng)系統(tǒng)敷設(shè)中，距離相對(duì)較長(zhǎng)，區(qū)域跨度較大，各熱力站熱量傳輸延遲較為顯著。為彌補(bǔ)這一缺陷，可對(duì)管網(wǎng)后續(xù)熱負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)的負(fù)荷對(duì)網(wǎng)管供水量、溫度進(jìn)行分析，減少熱量傳輸延時(shí)，使其傳輸?shù)礁鳠崃φ镜臅r(shí)間剛好滿足負(fù)荷需求。

5 結(jié)論

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于復(fù)雜系統(tǒng)建模，可將其應(yīng)用到供熱負(fù)荷預(yù)測(cè)中進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)法的應(yīng)用可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值訓(xùn)練效果，加快訓(xùn)練速度與收斂過(guò)程，使預(yù)測(cè)模型更加精準(zhǔn)高效，減少預(yù)測(cè)誤差產(chǎn)生。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中供水溫度與流量進(jìn)行計(jì)算，使供水量始終較低，水溫差則始終較大，真正實(shí)現(xiàn)按需供熱目標(biāo)。