[发明专利]基于多核并行的径流概率密度预测的水电站风险评估方法

权利要求书

1.一种基于多核并行的径流概率密度预测的水电站风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采集不同时刻点径流数据以及与径流相关的降水量特征、气温特征、气压特征，并进行归一化，得到预处理后的径流数据集X′＝(x′₁,x′₂,…,x′_n,…,x′_N)、降水量特征集P＝(p₁,p₂,…,p_n,…,p_N)、温度特征集T＝(t₁,t₂,…,t_n,…,t_N)和气压特征集R＝(r₁,r₂,…,r_n,…,r_N)；其中，x_n、p_n、t_n和r_n分别表示预处理后的第i时刻点的径流、降水量、气温和气压，n＝1,2,…,N，N为各个特征采集的数据量；

步骤2、使用滚动排列预测法，分别用径流数据集X′以及径流相关的各特征集中的前M个时刻点的数据来预测第M+1个时刻点的径流数据；从而得到(N-M)×(4M+1)维滚动径流矩阵，记为(X,Y)；其中，X＝(X₁,X₂,…,X_m,…,X_4M)表示输入变量，X_m表示第m个输入变量，且表示第m个输入变量的第j个样本，Y＝(Y₁,Y₂,…,Y_m,…,Y_4N-4M)^T是输出变量，Y_m表示输出变量Y中第m个样本；

步骤3、将所述(N-M)×(4M+1)维滚动矩阵(X,Y)的前l行划分为训练集(X_Tr,Y_Tr)，其余作为测试集(X_Te,Y_Te)；其中，1≤l＜4N-4M；

步骤4、将所述训练集(X_Tr,Y_Tr)平均分为K个子集其中，表示第k个训练集子集的输入变量，表示第k个训练集子集的输出变量，且每个子集均含有I个数据；

构建如式(1)所示的多核并行随机向量函数链网络MPRVFL模型：

式(1)中，θ_s表示第s个分位点，且s＝1,2,…,S，S为分位点的数量；Z为隐含层节点的个数，J为输入节点的数量；U^k(θ_s)表示第k个子集在第s个分位点θ_s下的连接输入层和隐含层的权向量集合，并有：

式(2)中，表示第k个子集在第j个输入层节点与第z个隐含层节点之间的权重，并有：

式(1)中，V^k(θ_s)表示第k个子集在第s个分位点θ_s下的隐含层与输出层之间的连接权向量集合，并有：

式(4)中，表示第k个子集在第z个隐含层节点与输出层之间的权重；

式(1)中，W^k(θ_s)表示第k个子集在第s个分位点θ_s下的输入层与输出层之间的连接权向量集合，并有：

式(5)中，表示第k个子集在第j个输入层节点与输出层之间的权重；

式(1)中，g₁(·)表示隐含层的激活函数，g₂(·)表示输出层的激活函数；

步骤5、将K个子集分别传给K个线程，使得K个线程分别利用式(6)对式(1)进行优化求解，从而得到K个子集在第s个分位点θ_s下的输入层和隐含层之间的权重向量集合{U_k(θ_s)|k＝1,2,…,K}、隐含层与输出层之间的权重向量集合{V_k(θ_s)|k＝1,2,…,K}和输入层与输出层之间的权重向量集合{W_k(θ_s)|k＝1,2,…,K}相对应的参数估计值集合和

式(7)中，r′₁、r′₂和r′₃是MPRVFL模型的三个惩罚参数；是损耗函数，并有：

式(8)中，μ表示中间变量；

步骤6、将K个线程求解得到的S个分位点下的结果合并为参数集合并通过异步随机梯度下降公式计算所述参数集合，从而得到最优权重参数和

步骤7、将所述最优权重参数和代入式(1)中，并将所述测试集(X_Te,Y_Te)中的输入变量X_Te作为MPRVFL模型的输入，从而得到S个分位点下的条件分位数G₁,G₂,…,G_s,…,G_S，其中，G_s为测试集在第s个分位点θ_s下的预测值，并有：

步骤8、将所有分位点下的预测值G₁,G₂,…,G_S作为Epanechnikov核函数的输入变量；利用式(10)计算所述测试集(X_Te,Y_Te)中输出变量Y_Te的任意一点q的径流概率密度预测结果

式(10)中，h为带宽，C(·)为Epanechnikov核函数，

步骤9、用所述测试集(X_Te,Y_Te)中所有输出变量Y_Te的径流概率密度预测结果进行反归一化处理，得到径流预测值以及每个径流预测值相对应的概率表示第i时刻点的第d个径流预测值，表示第i时刻点下第d个径流预测值的概率值；

步骤10、设有A个径流预测值级别，判定第i时刻点的第d个径流预测值所处的级别，从而得到第i时刻点的D个径流预测值所处的级别，并计算每个级别中所有径流预测值概率之和作为相应级别的总概率；选出各个级别的总概率的最大值作为第i时刻点的概率，并将总概率的最大值所处的级别作为第i时刻点的级别；进而得到4N+4M-l个时刻点所处的级别；

步骤11、设置两个阈值n和用于将所述A个径流预测值级别划分为发生弃水阶段[1,n]、负荷任务未完成阶段统计4N+4M-l个时刻点的径流预测值所处各个阶段的数量，从而得到发生弃水和负荷任务未完成的风险概率值。