于軍琪,解云飛,趙安軍,王佳麗,冉 彤,惠蕾蕾
(西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710055)
全球能源消耗量伴隨經(jīng)濟發(fā)展迅速增長,其中建筑能耗占比高達(dá)40%[1]。大型公共建筑由于舒適度要求高、人流量大、空調(diào)系統(tǒng)運行時間長等特點,成為建筑能耗中的“巨無霸”,對其能耗進(jìn)行準(zhǔn)確可靠預(yù)測成為關(guān)注熱點。
建筑能耗受多種因素影響,例如氣候狀況、室內(nèi)條件和人員流動[2]。提高預(yù)測精度就需把握建筑冷負(fù)荷的變化規(guī)律:隨機性、周期性、非線性和非平穩(wěn)性。解決建筑能耗預(yù)測有許多優(yōu)化模型,大體分為三類:物理學(xué)模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和混合模型[3]?;谖锢砟P停ㄒ卜Q白盒模型)的常用模擬軟件有EnergyPlus,eQuest和Ecotect。Foucquier 和Yildiz 等人[4]創(chuàng)建“熱模型”進(jìn)行校園能耗預(yù)測。使用物理學(xué)模型模擬建筑能耗模型(BEM)需要在利用物理方程式的基礎(chǔ)上收集詳細(xì)建筑信息,復(fù)雜度較高,不能廣泛應(yīng)用。雖然Fumo 應(yīng)用“工程方法”實現(xiàn)了對物理模型校準(zhǔn)[5],但隨動性差,實時性不強;數(shù)據(jù)驅(qū)動模型(也被稱為黑盒模型)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和機器學(xué)習(xí),具有較好學(xué)習(xí)能力和泛化能力而被廣泛應(yīng)用。錢志[6]使用改進(jìn)型人工魚群和SVR 混合模型對需求側(cè)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測,但當(dāng)輸入數(shù)據(jù)過多時,精度和收斂速度明顯降低。李軍在能耗預(yù)測時依靠經(jīng)驗獲取SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點數(shù)和訓(xùn)練次數(shù)[7]。混合模型(也稱為灰盒模型)是物理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型相結(jié)合的方法[8-11]。多種組合的方法和單一的人工智能方法比較,組合后的方法性能優(yōu)于單一的傳統(tǒng)方法,適用于多種類型的建筑[12-13]。王林[14]使用FOA 優(yōu)化ESN 算法建立電力需求與多種因素之間的非線性關(guān)系對工業(yè)用電量(IEC)進(jìn)行預(yù)測,雖然FOA 算法可以對ESN 的4 個關(guān)鍵初始參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,但易陷入局部最優(yōu),并且它的搜索路徑太粗糙。雷建文[15]提出灰色關(guān)聯(lián)分析和蝙蝠優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型對短期負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測,但是灰色模型對非平穩(wěn)變化序列難以辨識,預(yù)測值與實際值存在較大誤差,成為提高預(yù)測模型精度的瓶頸。
有學(xué)者將經(jīng)驗?zāi)J椒纸? empirical mode decomposition,EMD) 應(yīng)用于預(yù)測領(lǐng)域并取得初步成效[16],然而該技術(shù)卻存在局限性,易出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象,造成失真,影響負(fù)荷預(yù)測精度。為避免發(fā)生模態(tài)混疊現(xiàn)象,降低原始負(fù)荷序列的復(fù)雜度和非線性。Dragomiretskiy 和Zosso[17]在2014 年提出非平穩(wěn)信號自適應(yīng)分解估計方法—變分模態(tài)分解(variational mode decomposition,VMD)。VMD 有較好的分解效果和魯棒性,應(yīng)用于風(fēng)速預(yù)測領(lǐng)域。運用普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測時,訓(xùn)練過程易陷入局部最優(yōu),發(fā)生過擬合使預(yù)測結(jié)果失真,難以挖掘冷負(fù)荷序列的長時序關(guān)系。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可有效進(jìn)行該方面預(yù)測,但是容易出現(xiàn)“梯度消失”現(xiàn)象。Zhao 等人[18]提出的GRU(gate recurrent unit)門控循環(huán)單元網(wǎng)絡(luò),通過引入門控單元解決梯度消失問題,更完整考慮時間序列中長短期依賴性關(guān)系,相較于LSTM 具有更快收斂速度,因此也逐漸應(yīng)用到短期冷負(fù)荷預(yù)測領(lǐng)域。然而,當(dāng)輸入的時間序列較長時,LSTM、GRU 等RNN 系列網(wǎng)絡(luò)處理高維信息難以有效提取數(shù)據(jù)間信息,影響模型準(zhǔn)確率[19]。
筆者結(jié)合VMD 與GRU 優(yōu)勢,提出VMD-GRU 冷負(fù)荷預(yù)測模型,有效解決特征信息的提取,用于大型公共建筑冷負(fù)荷預(yù)測,并展開以下研究:
1)構(gòu)建VMD-GRU 冷負(fù)荷預(yù)測模型,使用VMD 將原始數(shù)據(jù)序列分解為獨立固有模式函數(shù),用GRU 對每個分量進(jìn)行預(yù)測,將分量預(yù)測結(jié)果相加得出冷負(fù)荷預(yù)測值。
2)以西安某大型公共建筑相關(guān)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行實例分析,對模型的輸入變量進(jìn)行相關(guān)性分析,選取對冷負(fù)荷影響較大的輸入變量。
3)采用VMD-GRU 模型進(jìn)行冷負(fù)荷預(yù)測,與其他預(yù)測模型進(jìn)行比較,驗證模型的有效性。
VMD 模型依據(jù)序列數(shù)據(jù)的特點逐級進(jìn)行平穩(wěn)處理,GRU 網(wǎng)絡(luò)具有較強的非線性擬合能力, VMD-GRU模型處理冷負(fù)荷的非線性擬合及預(yù)測,降低復(fù)雜度的同時提升模型預(yù)測精度。
變分模態(tài)分解是一種新型非平穩(wěn)信號自適應(yīng)分解估計方法,目的是將原始復(fù)雜信號分解為K個調(diào)幅調(diào)頻子信號。將大型公建冷負(fù)荷相關(guān)變量X=[X1,X2,…,Xm] 進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析,選取相關(guān)性高的數(shù)據(jù)重組為新的相關(guān)性序列Y=[U1,U2,…,Un,O]。利用VMD 進(jìn)行分解及平穩(wěn)化處理,分解為表示原始數(shù)據(jù)特征的多個分量。VMD 分解的具體步驟如下
步驟一:初始化各模態(tài)、中心頻率和算子。
步驟二:根據(jù)式(1)和(2),更新參數(shù)uk和ω
其中:f(t)為原始信號;uk是信號f(t)的第k個分量分別代表f(ω)、ui(ω)、λ(ω)和un+1k的傅里葉變換;n代表迭代次數(shù)。
步驟三:根據(jù)式(3)更新參數(shù)λ,
步驟四:對于給定的判別精度e>0,若則停止迭代,否則返回步驟二。
GRU 網(wǎng)絡(luò)是長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(long short-term memory,LSTM)的一種變體。通過使用“門”結(jié)構(gòu),極大避免梯度消失現(xiàn)象。GRU 網(wǎng)絡(luò)包括更新門、重置門和輸出門3 個部分。它將LSTM 網(wǎng)絡(luò)中的遺忘門和輸入門合并成zt,原有重置門rt, LSTM 門控網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點更新細(xì)胞狀態(tài)和隱藏狀態(tài)。
Step1:更新門rt和重置門zt。
更新門zt是過去時刻特征信息對現(xiàn)在特征信息的影響程度,閾值越大說明前時刻特征信息對現(xiàn)在影響越大,如式(4)。重置門rt是過去時刻狀態(tài)特征信息被丟棄的程度,閾值越小說明對過去信息丟棄越多,有助于學(xué)習(xí)序列中短期的時序特征,見式(5)。其中ht-1表示前一時刻的隱藏狀態(tài),σ表示sigmoid 激活函數(shù),W為輸入的權(quán)重向量。
Step2:候選隱藏狀態(tài)
Step3:隱藏狀態(tài)
ht為當(dāng)前隱藏狀態(tài),取決于ht-1和?t。如果zt趨近于0,表示上一時刻信息被遺忘; 如果zt趨近于1,表示當(dāng)前輸入信息被遺忘,見式(7)。
Step4:輸出
過去的冷負(fù)荷狀態(tài)會對當(dāng)前狀態(tài)產(chǎn)生長期影響,GRU 通過控制與更新門限層控制模型的記憶能力,在不斷迭代中,對歷史數(shù)據(jù)的特征信息進(jìn)行記憶與更新,歷史數(shù)據(jù)會被賦予不同的權(quán)重值,已經(jīng)訓(xùn)練的模型會對接下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。
圖1 預(yù)測模型結(jié)構(gòu)Fig. 1 Forecast model structure
un1,un2,…,unk分別是系統(tǒng)n個不同輸入變量的觀測值,o'k是模型輸出的觀測值,GRU 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量。將歷史數(shù)據(jù)依次通過多層GRU 全連接層,并在接下來通過完全連接層合并特征,生成預(yù)測當(dāng)前時刻后m個采樣周期的輸出。將GRU 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值與真實值之間的平均平方差定義為損失函數(shù),隨時間反向傳播。
選用Pearson 分析法對冷負(fù)荷和輸入變量間的相關(guān)性進(jìn)行分析。公式為
式中:rxy為2 個變量的相關(guān)系數(shù);xi、yi分別為2 個變量的第i個數(shù)據(jù)點;、分別為2 個變量的均值;n為該變量中數(shù)據(jù)個數(shù)。
VMD-GRU 模型的構(gòu)建分為4 部分:VMD 分解、分解分量重構(gòu)、GRU 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練及最終預(yù)測結(jié)果輸出。使用VMD 對冷負(fù)荷序列和變量進(jìn)行相關(guān)性分析,舍棄相關(guān)性低的變量,對相關(guān)性高的變量和冷負(fù)荷序列進(jìn)行VMD 分解,將分解后的分量進(jìn)行重組。選取所有相關(guān)性高的變量第一個分量作為輸入,冷負(fù)荷分解后的第一分量作為輸出,在GRU 網(wǎng)絡(luò)中對預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練,依次類推,對第二分量、第三分量等分別進(jìn)行訓(xùn)練。對冷負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)相關(guān)性高的變量進(jìn)行VMD 分解,輸入GRU 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行預(yù)測,得到冷負(fù)荷的預(yù)測分量o'(n),將分量預(yù)測值疊加得到預(yù)測值并輸出結(jié)果,見式(10)。
實驗數(shù)據(jù)來源于某大型公共建筑,建筑物高40.6 m,總建筑面積258×104m2,商業(yè)面積20×104m2,建筑空調(diào)面積18.76×104m2。首先對輸入變量進(jìn)行相關(guān)性分析,選取出對負(fù)荷影響較大的輸入變量。
圖2 方法流程圖Fig. 2 Flow chart of the method
大型公共建筑冷負(fù)荷預(yù)測訓(xùn)練樣本的輸入層節(jié)點考慮到太陽輻射、室外溫度導(dǎo)致建筑冷負(fù)荷存在滯后,預(yù)測模型中加了(T-1)h 時刻室外空氣溫度[20],加入(T-1)h 時刻冷負(fù)荷以及(T-2)h 時刻冷負(fù)荷作為模型輸入變量。
實驗以6 月、7 月60 天中前50 天每天14 h 運行數(shù)據(jù)做為訓(xùn)練數(shù)據(jù),采用7 月份的25、26、27、28 數(shù)據(jù)作為驗證分析數(shù)據(jù),使用Pearson 相關(guān)性分析法對其相關(guān)性進(jìn)行分析。
如圖3 為變量之間的相關(guān)性熱點圖。冷負(fù)荷與1 h 前的太陽輻射強度相關(guān)性R為0.470 93,冷負(fù)荷與相對濕度相關(guān)性R為-0.21487,大多數(shù)公共建筑墻體表面會采用隔熱材料維持室內(nèi)在一定時間的熱濕環(huán)境,在短周期內(nèi)外界環(huán)境的太陽輻射對于墻體溫度變化效果不明顯,墻體溫度變化對室內(nèi)溫度影響較小,因此選擇舍棄;冷負(fù)荷與室外風(fēng)速的相關(guān)性R為-0.05391,相關(guān)性較低,這是由于大多數(shù)建筑室內(nèi)本身處于相對密閉的空間,與外界空氣流動時間較短,熱交換較少,室外風(fēng)速對于冷負(fù)荷的影響較小,在進(jìn)行冷負(fù)荷預(yù)測時選擇舍棄[21-23]。最終選取的輸入變量為X1、X2、X3、X4和X5;輸出變量為O,具體變量選取見表1。
表1 選取的變量Tab.1 Selected Variables
圖3 變量間相關(guān)性熱點圖Fig. 3 Hot spot map of Inter-variable correlation
經(jīng)過相關(guān)性分析后,提取5 個相關(guān)性較高的變量反映原始數(shù)據(jù)的主特征,進(jìn)行VMD 分解。參數(shù)設(shè)置,確定模態(tài)數(shù)量,按照實驗選擇模態(tài)數(shù)量對冷負(fù)荷序列進(jìn)行VMD 分解,獲取VMD 結(jié)果。
參數(shù)設(shè)置為:懲罰參數(shù)α=1 000;初始中心頻率ω=0;收斂判據(jù)r=10-6。在分解時出現(xiàn)相近模態(tài)時容易出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。模態(tài)函數(shù)個數(shù)經(jīng)過反復(fù)實驗得出表2,看出在模態(tài)分量個數(shù)為6 時,中心頻率2 288 Hz 和2 336 Hz 相距較近,出現(xiàn)模態(tài)混疊[24]。為了分解原始冷負(fù)荷序列,且不出現(xiàn)模態(tài)混疊,模態(tài)個數(shù)選為5 較適宜。5 條分量依次為u1,u2,…,u5,且各u分量按照中心頻率從低到高依次排列。每條u分量反映出不同信息,u1是頻率最低的一條分量,含有原始序列的趨勢信息,u5是頻率最高分量,包含著原始序列的震蕩信息。
表2 不同K 值對應(yīng)的中心頻率Tab.2 Center frequency corresponding to different K
對冷負(fù)荷序列進(jìn)行VMD 分解,分解結(jié)果如圖4 所示。模態(tài)函數(shù)u1表示趨勢分量,平均振幅較大,變化平緩,規(guī)律性最易掌握,反映檢測樣本中冷負(fù)荷的大體變化趨勢。模態(tài)函數(shù)u2、u3表示細(xì)節(jié)分量,規(guī)律性較好,周期性明顯,表明建筑冷負(fù)荷具有較強周期特性,規(guī)律性較強,波動平緩。模態(tài)函數(shù)u4和u5平均振幅最小,波動較大,規(guī)律性較差,受建筑人員活動影響較強,具有隨機性。
圖4 冷負(fù)荷VMD 分解圖Fig. 4 The decomposed results of cooling load by VMD
基于VMD-GRU 的大型公共建筑冷負(fù)荷預(yù)測,是將VMD 分解的每一個分量分別采用GRU 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測,最終獲得所有冷負(fù)荷預(yù)測分量相加求和,得到冷負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。為驗證所提出模型的有效性,采用研究模型分別與BP、GRU、EMD-BP、VMD-BP、EMD-GRU 模型進(jìn)行實驗對比分析。經(jīng)過實驗參數(shù)調(diào)試比較,GRU 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置2 個隱含層為最佳,激活函數(shù)為sigmoid,學(xué)習(xí)率為0.05,迭代次數(shù)為1 500,時間步的長度為28,最終設(shè)置GRU 網(wǎng)絡(luò)為5-3-7-1。
由于很多輸入向量與預(yù)測結(jié)果相關(guān)性差、信息冗余度高等原因,導(dǎo)致多數(shù)預(yù)測模型在預(yù)測精度上未達(dá)到理想預(yù)測效果[25]。首先對輸入向量進(jìn)行相關(guān)性分析,在眾多輸入向量中剔除冷負(fù)荷預(yù)測影響較小的向量,將剩余關(guān)鍵因素作為模型預(yù)測輸入向量。由表3 中相關(guān)性前后的實驗數(shù)據(jù)分析可知,將輸入向量由8 個降到5個,精度提高,說明被剔除的3 個輸入向量降低了模型預(yù)測精度,屬于冗余信息。
表3 不同模型預(yù)測效率對比Tab. 3 Comparison of prediction efficiency of different models
圖5 中u(1-5)為子序列預(yù)測結(jié)果,5 個分量序列進(jìn)行累加可得到VMD-GRU 模型冷負(fù)荷預(yù)測序列,并且和原始冷負(fù)荷序列進(jìn)行對比。由圖5 分析可知,冷負(fù)荷預(yù)測分量累加之后獲得VMD-GRU 模型的預(yù)測結(jié)果非常接近于冷負(fù)荷原始值。接下來對提出的VMD-GRU 預(yù)測模型和另外幾個模型進(jìn)行對比分析。
圖5 冷負(fù)荷預(yù)測結(jié)果Fig. 5 Prediction results of cooling load
圖6 展示6 種模型的預(yù)測結(jié)果,通過比較分析可知,單一BP、GRU 預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果不穩(wěn)定,偏差較大。EMD-BP、VMD-BP 和EMD-GRU 預(yù)測模型雖然預(yù)測結(jié)果偏差有所降低,但是與VMD-GRU 預(yù)測模型相比,預(yù)測精度不夠好。采用VMD-GRU 預(yù)測模型的預(yù)測精度高于其它5 種模型,該模型得出的預(yù)測值與真實值更接近。
圖6 6 種模型的預(yù)測結(jié)果對比Fig. 6 Comparison of prediction results of six models
圖7 可見6 種預(yù)測模型誤差對比,將6 種模型的預(yù)測誤差序列采用Kolmogorov-Smirnow 檢驗[26],測試結(jié)果表明4 個序列均服從正態(tài)分布。BP 和GRU 在高誤差區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)較多,誤差分布較分散。通過EMD 和VMD 分解后,預(yù)測值誤差較小。VMD 分解后的預(yù)測值誤差比EMD 更小,優(yōu)化效果明顯。VMD-GRU 預(yù)測模型的相對誤差遠(yuǎn)小于其他預(yù)測模型。
圖7 6 種模型的預(yù)測相對誤差的對比Fig. 7 Comparison of prediction relative errors of the six models
傳統(tǒng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單獨使用預(yù)測效果不能很好挖掘時間序列中的長時序關(guān)系。GRU 引入門控單元可很好挖掘其中的長短期時序關(guān)系[27]。VMD 通過迭代搜尋變分模型最優(yōu)解確定模態(tài)函數(shù)序列分量,具有較強長時序趨勢特征[28],將VMD 與GRU 結(jié)合可較好挖掘冷負(fù)荷序列中的長時序關(guān)系特征,有利于提高預(yù)測精度。通過圖7 和表4 分析可知,在實驗中BP 預(yù)測性能較優(yōu)于GRU,但在實際預(yù)測中往往需要考慮到冷負(fù)荷序列中的長時序關(guān)系, BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測中不能夠充分利用數(shù)據(jù)本身存在的長時序關(guān)系。VMD 與GRU 結(jié)合可以更加有效,助于提高模型預(yù)測精度, BP 與VMD 和EMD 等分解算法結(jié)合時不能有效利用長時序關(guān)系特征,不利于提高模型預(yù)測精度。
表4 6 種相對誤差預(yù)測模型擬合曲線比較Tab. 4 Comparison of six relative error prediction model fitting curves
在正態(tài)分布中μ值決定了曲線位置,|μ|越接近0,說明位置越靠近0,即大多數(shù)的預(yù)測相對誤差值接近于0,模型預(yù)測效果越好。σ決定了曲線的尖峭程度,σ越小圖形越尖峭,說明在該誤差范圍內(nèi)的包含數(shù)值越多。通過對6 個模型的相對誤差分布圖形對比可知,VMD-GRU 模型|μ| = 3.022%,最接近于0,并且σ最小,說明該預(yù)測模型的相對誤差在0 附近數(shù)量值最大,模型最精確。
圖8 對比GRU 預(yù)測模型和EMD-GRU 預(yù)測模型,VMD-GRU 模型更加逼近真實值。表5 中對6 個模型進(jìn)行比較,VMD-GRU 模型線性回歸擬合曲線擬合度最高,達(dá)到了0.992,殘差和較小達(dá)到1.045。通過分析其截距和斜率可知,VMD-GRU 模型預(yù)測值和真實值的擬合曲線更加接近直線y=x,說明預(yù)測效果最好,且該模型的截距標(biāo)準(zhǔn)誤差最小,說明其截距誤差范圍最小,預(yù)測值更加接近真實值。
表5 6 種預(yù)測模型回歸擬合曲線參數(shù)比較Table 5 Comparison of six prediction model regression fitting curve parameters
圖8 實際冷負(fù)荷與模型預(yù)測冷負(fù)荷的回歸擬合曲線Fig. 8 Cooling load regression fitting curve between actual value and model prediction value
針對大型公共建筑冷負(fù)荷預(yù)測,提出VMD-GRU 預(yù)測模型,對輸入輸出數(shù)據(jù)間的相關(guān)性進(jìn)行分析,利用VMD 算法對冷負(fù)荷序列進(jìn)行初步分解,利用GRU 網(wǎng)絡(luò)對分解序列分別進(jìn)行預(yù)測,得出以下結(jié)論:
1)該大型公共建筑的T時刻輸出冷負(fù)荷與T時刻室外溫度、T-1 時刻室外溫度、T時刻太陽輻射量、T-1 時刻冷負(fù)荷、T-2 時刻冷負(fù)荷這5 個輸入量相關(guān)性較高。對變量進(jìn)行相關(guān)性分析,避免人工經(jīng)驗選取輸入變量的不足,縮短預(yù)測時間。
2)以MAE、MAPE 和r作為3 種預(yù)測模型評價標(biāo)準(zhǔn),實驗結(jié)果表明,BP、GRU、EMD-BP、VMD-BP、EMDGRU 和VMD-GRU 模型的MAE 分別為1 924.206、1 813.956、1 157.865、1 126.459、1082.47 和495.532;MAPE分別為0.181 6、0.171 8、0.102 5、0.122 5、0.092 7 和0.041 9;r分別為0.515 64、0.525 22、0.803 61、0.793 24、0.781 76 和0.954 9。
3) 冷負(fù)荷時間序列往往是非平穩(wěn)、非線性。VMD- GRU 模型更容易掌握建筑冷負(fù)荷時間序列的特征,實現(xiàn)原始序列平穩(wěn)化,提高建筑冷負(fù)荷預(yù)測的精度,更適合工程實際應(yīng)用。