CN102184335B - 一种基于集合经验模式分解和相空间重构的火灾时间序列预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于消防技术领域,具体为一种基于集合经验模式分解和相空间重构的火灾时间序列预测方法。该发明首先对数据进行集合经验模式分解,得到火灾时间序列数据不同尺度的分解分量,由于各个分量的变化规律性强,具有较好的可预测性;然后对各个分量进行相空间重构,并构建非线性支持向量回归预测模型,对各个分量进行预测;最后采用非线性支持向量回归预测模型,利用各个分量来预测火灾时间序列数据的实际值。本发明提供的预测方法能提高火灾时间序列数据的预测精度,在消防领域具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明属于消防技术领域,具体涉及一种火灾时间序列预测方法。
背景技术
火灾时间序列,包括火灾发生次数、死亡人数和受伤人数等火灾时间序列数据。尽管每次火灾的发生具有很大的随机性,但对一段时间,一个地区内火灾时间序列还是有一定的规律性,比如针对我国某一年内火灾发生的次数就与同年我国经济的发展、气候变化等因素有关,具有一定的变化规律,研究火灾发生次数的发生发展规律,通过选取合理的火灾预测理论和方法,对火灾时间序列的过去和现在系统的状态讨论,预测研究火灾时间序列发生的规律,可以实现火灾时间序列的预测。
但是火灾时间序列的预测是典型的非线性预测,目前非线性时间序列预测技术主要有两种方法:动力建模预测和统计建模预测。动力建模预测是对时间序列的背景分析和研究,通过相空间重构来计算原非线性动力系统一些非线性不变量,进而利用该动力学系统的确定性和非线性来进行预测。但是动力模式比较复杂,导致非线性不可预测的效应也越来越强。统计建模预测的优点在于充分利用资料、方法简单,采用各种智能计算工具(例如径向基函数、人工神经网络以及支持向量机等),利用它们的学习和逼近能力,通过反复的迭代和学习来拟合比较复杂的非线性模型,进而对时间序列进行预测。不足之处是没有考虑变量与应变量之间的物理关系,无法进行动力机制的研究。所以将统计与动力相结合是现代预测技术发展的主要方向。本发明采用集合经验模式分解方法将火灾时间序列分解为不同特征尺度的子序列,通过分析这些不同特征尺度的分量数据的动力学特性,采用多变量相空间重构技术对不同特性子序列进行建模和预测,利用各个分量的预测值来预测火灾时间序列数据的实际值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有火灾时间序列预测方法存在的不足,提出了预测精度高、计算工作量小的火灾时间序列预测方法。
本发明提出的火灾时间序列预测方法,将经验模式分解和相空间重构技术相结合,采用非线性支持向量机来构建预测模型,预测未来的火灾时间序列。其基本步骤为:首先采用集合经验模式分解方法对火灾时间序列进行分解,得到不同特征尺度的子序列;然后采用多变量相空间重构技术对每个分解得到的子序列量进行相空间重构,构建每个子序列的支持向量回归预测模型,用于估计每个子序列未来的值;再利用各个子序列的预测值来构建支持向量回归预测模型,以此预测模型预测未来的值。
所述预测方法的具体步骤如下:
(3)对上面的分解分量和剩余分量进行动力学分析,采用G-P算法估计每个分量的嵌入维数,并把估计出的嵌入维数的最大值作为每一分量的相空间嵌入维数。令,对,每个分量重构得到新的向量,其中是分量中第个数据。再将嵌入向量与分量中对应的下一步的值组成训练数据对集,其中,为训练数据长度;
(5)将每个分量的预测值作为非线性支持向量回归集成预测的输入数据,得到原始火灾时间序列的预测结果。
本发明方法与现有技术相比较,具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
本发明提供的基于集合经验模式分解和相空间重构的火灾时间序列预测方法是首先对数据进行分解,通过先预测各个分量再来预测次数的实际值,由于各个分量是火灾时间序列数据不同尺度的分解,各个分量的变化规律性强,具有较好的可预测性。通过对各个分量进行相空间重构,采用非线性支持向量回归预测模型,提高了各个分量的预测精度。然后再采用非线性支持向量回归预测模型,利用各个分量来估计火灾时间序列数据的实际值,提高了预测精度。
本发明提供的预测方法能提高火灾时间序列数据的预测精度,在消防领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1为本发明一个实施例的框图。
具体实施方式
本发明的实施例结合附图祥述如下:
本发明是基于集合经验模式分解和相空间重构的火灾时间序列预测方法,如图1所示,利用我国1950-2007年每年火灾时间序列数据来构建预测模型,再用估计模型来预测2008年的数据值。首先对我国1950~2008年每年火灾时间序列数据进行规则化处理,利用EEMD对数据进行不同尺度的分解,图中EEMD为模式分解单元,为分解得到的第个分解分量,为剩余分量。然后对每个分量进行相空间重构,图中为第个分量的相空间重构单元,为第个分量的支持向量回归预测模型单元,最后采用SVR作为集成预测单元。
具体步骤为:
第二步,通过EEMD,将规则化的火灾数据分解成具有不同尺度的及剩余分量,即,其中表示集合经验模式分解, 表示第个分解分量,表示剩余分量;具体实现方法为:在数据上加入白噪声;将加入白噪声的序列分解为固有模态函数(IMF);每次加入不同的白噪声序列,反复重复、;把分解得到的各个IMF的均值作为其分解分量。
通过上述方法估计出每个分量的嵌入维数,将估计出的嵌入维数的最大值作为每一分量的重构嵌入维数。令,对,每个分量重构得到新的向量,其中是分量中第个数据。再将嵌入向量与分量中对应的下一步的值组成训练数据对集,其中,为训练数据长度,其大小与原始数据长度和嵌入维数有关。
满足约束条件:
第五步,将每个分量的预测值作为SVR集成预测的输入,将对应的火灾时间序列数据作为目标值,通过学习得到SVR集成预测模型,其学习算法与分量预测模型的学习算法相同,通过集成预测模型得到原始火灾时间序列的预测结果。
利用EEMD方法对火灾时间序列数据进行分解,其分离结果可能不同,为评估预测模型的估计精度,在条件不变的情况下,重复做10次预测,预测结果如表1所示。从实验数据来看,该方法对火灾起数、死亡人数和受伤人数的估计精度较高。
目前较成熟的非线性时间序列的估计方法是采用相空间重构与SVR相结合的预测方法(相空间-SVR)。本发明采用我国1950-2008每年的火灾发生次数、死亡人数、受伤人数和人均经济损失等火灾时间序列数据,通过对数据的分析,采用相空间重构技术构建训练数据,用SVR建立预测模型,估计2008年的火灾数据,与本发明提出的方法相比较,结果见表2所示,从表中可以看出本发明提出的预测方法的预测效果优于现有的方法。
表1火灾时间序列预测结果
表2与现有方法的比较
。
Claims (3)
1.一种基于集合经验模式分解和相空间重构的火灾时间序列预测方法,其特征在于基本步骤为:首先采用集合经验模式分解方法对火灾时间序列进行分解;然后采用多变量相空间重构技术对每个分解量进行相空间重构,构建每个分量的支持向量回归预测模型,来预测每个分量未来的值;再利用各个分量的预测值来构建支持向量回归预测模型,以该预测模型来预测火灾时间序列未来的值;
具体步骤为:
(3)对上面的分解分量和剩余分量进行动力学分析,采用G-P算法估计每个分量的嵌入维数,并把估计出的嵌入维数的最大值作为每一分量的相空间嵌入维数;令,对,每个分量重构得到新的向量,其中是分量中第个数据;再将嵌入向量与分量中对应的下一步的值组成训练数据对集,其中,为训练数据长度;
(5)将每个分量的预测值作为非线性支持向量回归集成预测的输入数据,得到原始火灾时间序列的预测结果。
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