适于用水量预测灰色伯努利改进模型研究及应用

摘要

水作为人类生存的基础，直接影响着人类生产生活和社会经济发展。近年来，随着我国社会经济发展，工业、农业等对用水的需求不断增加，水量需大于供的问题日益突显。因此，加强水资源管理，实现城市给水系统的有效规划和水资源科学调度显得尤为必要。 在给水系统规划和水资源调度研究中，首要目标就是用水量预测。用水量预测的复杂性、非线性特点，需要寻求复杂性科学理论和非线性预测方法，对用水量变化规律及发展趋势进行表征，解算的用水量预测值将直接影响实用性及用水调度决策的可靠性。相较目前广泛采用的多元统计方法，非线性用水量预测方法有较大的探讨空间及研究价值。研究以提高用水量预测精度为目的，基于给水系统大区域范围未来规划和小区域范围短期优化调控需要，以不同区域、不同类别、不同周期的用水量为研究对象，在灰色理论和灰色预测法的支持下，通过对灰色伯努利模型进行改进，构建适于用水量预测的灰色伯努利改进模型，挖掘历史用水量数据潜在规律及发展趋势。研究工作在实现用水量的高精度预测的同时，也为给水系统的优化调控提供技术支持。本文主要工作及结论如下： (1)在湖北省生活、农业年用水量数据及武汉市按月的用水总量统计数据下，粗略分析了不同区域范围、不同时间周期下用水量趋势变化。对比分析了常用的几种用水量预测方法。 (2)实验并实证经典灰色模型（GM(1,1)模型）在用水量预测中的局限。引入一种针对非线性问题的灰色伯努利预测模型（NGBM(1,1)模型），基于该模型无法识别用水量数据波动且预测精度无法达到一定用水管理精度水平要求的问题，提出“外部”和“内部”的改进思路，即通过对原始数据的新陈代谢建立外部改进模型，通过分数算子对灰色序列累加生成的改进和动态灰色作用量b1cos(θk)+b2k+b3对原有固态作用量b的替代，加强模型对用水量波动性的识别及发展趋势预判能力，建立了适于用水量预测的改进灰色伯努利预测模型（FNGBM(1,1|cos, t)用水量预测模型）。与此同时，顾及模型参数选择的重要性，研究了以自适应步长的人工鱼群算法对模型参数进行优化。 (3)基于大区域未来用水规划和小区域短期用水调控的需要，以湖北省生活及农业年用水量、武汉市2013年及2014年月用总水量为实例，对模型进行用水量中短期预测验证。结果表明，FNGBM(1,1|cos, t)用水量预测模型具有数据需求少、构建过程简单、可操作性强、适用范围广等特点；与NGBM(1,1)模型相比，预测值精度提高，与现实偏离度减小，体现出潜在信息的较强挖掘能力和对未来用水量的预判能力等特点，为用水量预测提供了一种便捷且通用的新技术手段。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3课题来源

1.4主要研究内容

1.5论文组织结构

第2章 用水量预测的方法分析

2.1用水量特性及数据现状

2.2用水量预测分类

2.3用水量预测方法分析

2.4灰色预测方法的选取

2.5本章小结

第3章 GM (1，1)模型及其在用水量预测中的应用

3.1灰色系统理论

3.2经典GM (1, 1)模型

3.3模型在用水量预测中的应用分析

3.4本章小结

第4章 用水量预测的灰色伯努利模型改进

4.1 NGBM (1, 1)模型及试算

4.2 NGBM (1, 1)模型针对用水量预测的改进思路

4.3外部改进模型及试算

4.4 FNGBM (1, 1|cos, t)用水量预测模型及其参数取值范围

4.5本章小结

第5章 模型应用实例分析

5.1用水量中期预测实例

5.2用水量短期预测实例

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间参与的项目及研究成果