[发明专利]一种风向空间关联驱动的铁路沿线风速预测方法

权利要求书

1.一种风向空间关联驱动的铁路沿线风速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在铁路目标测风点设置测风站，包括目标测风站和辅助测风站；

所述目标测风站1个，距离铁路目标测风点100米，所述辅助测风站包括3个，布置在等边三角形的三个顶点，两两之间相距1000米，等边三角形中心位于目标测风站处，底边平行于铁路轨道；

步骤2：构建训练样本数据；

以相同采样频率采集目标测风站在历史时间段内的风速数据、风向数据和辅助测风站在相同历史时间段内的风向数据，将目标测风站的历史风速数据，以时间间隔T内的风速中值作为目标测风站的样本时刻风速，获得风速样本数据；将各测风站的风向数据以时间间隔T内的风向中值作为各测风站的样本时刻风向，获得风向训练样本数据；

步骤3：利用风速样本数据和设置的预测步长，构建LS-SVM风速预测模型；

将风速样本数据中最后102+Δt个时刻的数据作为风速测试样本，其余时刻的数据作为风速训练样本，Δt为预测步长，取值范围为z·T，z＝1，2，3…,10；

针对LS-SVM风速预测模型的参数γ和参数σ²，随机选取n种取值组合,n取值至少为100，构建n个LS-SVM风速预测模型；

利用风速训练样本数据，依次以任意三个连续时刻t-2、t-1和t时刻的风速值作为每个LS-SVM风速预测模型的输入数据，将t+Δt时刻的风速值作为每个LS-SVM风速预测模型的输出数据，训练得到n个LS-SVM风速预测模型；

依次将风速测试样本连续三个时刻的风速值作为每个LS-SVM风速预测模型的输入数据，分别得到风速测试样本中最后100个时刻的风速测试预测值；

从n个LS-SVM风速预测模型中随机选取20个LS-SVM风速预测模型；

依次选取上述20个LS-SVM风速预测模型的100个风速测试预测值，将任意两个LS-SVM风速预测模型中对应100个风速测试预测值进行相关性分析，得到任意两个LS-SVM风速预测模型的皮尔逊相关性系数，并选择使得S最小的10个LS-SVM风速预测模型；

其中，s_i为第i个LS-SVM风速预测模型同另外9个LS-SVM风速预测模型皮尔逊相关性系数的最大值；

步骤4：利用风向训练样本数据和设置的预测步长，构建基于PID神经网络的风向预测模型组；

依次以目标测风站和所有辅助测风站中任意三个测风站在任意历史时刻t₀的风向值作为输入数据，剩余测风站在t₀+Δt时刻的风向值作为输出数据，对PID神经网络进行训练，获得各测风站预测步长为Δt的基于PID神经网络的风向预测模型组；

步骤5：利用步骤3获得的LS-SVM风速预测模型和步骤4获得的基于PID神经网络风向预测模型组，分别进行风速预测和风向预测；

记当前时刻为t_now时刻，目标预测时刻为t_now+m时刻；

将t_now-1-Δt，t_now-Δt，t_now+1-Δt三个时刻目标测风站的实时风速数据依次作为步骤3所选的10个LS-SVM风速预测模型的输入数据，输出10个t_now+1时刻的风速预测值，对10个结果得到t_now+1时刻最优风速预测值；将t_now+1时刻的最优风速预测值作为t_now+1时刻时目标测风站的实测风速值；

将t_now-Δt，t_now+1-Δt，t_now+2-Δt三个时刻目标测风站的实时风速数据依次作为步骤3所选的10个LS-SVM风速预测模型的输入数据，输出10个t_now+2时刻的风速预测值，对10个结果取平均得到t_now+2时刻的最优风速预测值；

依次类推，进入滚动预测，直到得到t_now+m时刻的目标测风站的最优风速预测值；

将t_now-Δt+m％Δt时刻四个测风站的风向数据作为所述基于PID神经网络的风向预测模型组的输入数据，获得各测风站在t_now+m％Δt时刻的风向预测值；将四个测风站输出的风向预测值再次作为所述基于PID神经网络的风向预测模型组的输入数据，迭代多次，直至得到t_now+m时刻的各测风站的风向预测值；其中，m％Δt表示m对Δt取余；

所述从n个LS-SVM风速预测模型中随机选取20个LS-SVM风速预测模型时，选取预测精度最高的20个LS-SVM风速预测模型，具体过程如下：

依次将每个LS-SVM风速预测模型的100个风速测试预测值，对比风速测试样本中相应预测时刻的风速真实值，得到每个LS-SVM风速预测模型100次预测的均方误差，将均方误差的倒数作为精度评价指标，选取精度最高的20个LS-SVM风速预测模型；

通过多目标遗传算法，对所述使得S最小的10个LS-SVM风速预测模型设置权值,并利用各权值将各模型得到10个预测结果加权求和得到t_now+1时刻的最优风速预测值；

所述10个LS-SVM风速预测模型的权值设置的具体过程如下：

步骤A：将各LS-SVM风速预测模型的权值q_i作为染色体个体，以一组染色体作为种群个体，随机生成规模为N的初始种群P_k，即父代种群P_k，此时k＝1，N取值为500；

步骤B：将个体的MSE和RE作为个体非支配水平，对父代种群P_k进行快速非支配排序，计算每个个体非支配序，依据非支配序将种群所有个体分层，形成第1非支配层F₁，第2非支配层F₂，…，第n非支配层F_n；每层含有1个或多个个体，同层个体非支配序相同；

式中，为将风速测试样本中的第j组连续三个时刻风速数据输入第i个LS-SVM风速预测模型得到的第j次风速测试预测值，i＝1,2,3,…,10,j＝1,2,3,…,100；y_j为利用风速测试样本进行第j次预测时对应风速测试样本数据中预测时刻的风速真实值；q_i为第i个LS-SVM风速预测模型的权值，i＝1,2,3,…,10，q_i的取值范围为[0，1]；

步骤C：通过遗传算法的选择、交叉、变异三个基本操作，生成规模为N的子代种群Q_k；

其中，选择算子为轮赛制选择算子，交叉算子为SBX算子，变异算子为随机变异算子；

步骤D：将父代种群P_k和子代种群Q_k合并，形成规模为2N的种群Z_k，将个体的MSE和RE作为个体非支配水平，对Z_k中的个体进行快速非支配排序，依据非支配序将种群分层；

为对同层个体进行选择性排序，依次计算每个个体分别在函数MSE和RE下的拥挤距离，将每个个体分别在MSE和RE函数下的拥挤距离取平均值，得到每个个体的平均拥挤距离；

步骤E：通过低非支配层优先和同层高平均拥挤距离优先的原则，从Z_k中选择N个个体，令k＝k+1，形成父代种群P_k；判断k是否为500，若是，转至步骤F，若否，转至步骤C；

步骤F：选择父代种群P_k第1非支配层中RE最小的个体，所述个体代表的权值即所述使得S最小的10个LS-SVM风速预测模型的权值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对各测风站的样本数据进行不敏卡尔曼滤波处理。