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混沌时间序列的Anfis-量子网络预测

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CN4r3—1258/TP 计算机工程与科学 2010年第32卷第8期 ISSN]007—130X COMPUTER ENGINEERING&SCIENCE V01.32,No.8,2010 文章编号:1007-130X(2010)08—0134—04 混沌时间序列的Antis一量子网络预测 Chaotic Time Series Forecasting Research Based on the Combination Network 蒋文科,谭阳红 JIANG Wen-ke。TAN Yang-hong (湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082) (School of Electrical and Information Engineering。Hunan University,Changsha 410082-China) 摘要:针对混沌时间序列的解析方程的不确定性,本文提出了Antis-量子组合预测网络。此网络不依赖混沌时间序 列的确定性方程和初始条件,根据给定的训练数据,先采用Antis网络对训练数据进行处理,再与量子神经网络组合预测, 从而提高预测能力和精度。最后以Mackey-Glass混沌时间序列进行实验,结果表明Antis一量子网络具有良好的局部泛化 能力,其预测精度明显高于BP神经网络和量子神经网络。 Abstract:A combination forecast network of the Anfis-quantum which are suggested in view of the uncertainty of the chaotic time series analysis equation.The qualitative equation and initial condition of the chaotic time series are not related tO the network.For improving the ability and accuracy of forecast,the training data is beforehand handled by the network of Antis,and is then forecasted by the quantum network.The results of the experiment of the chaos time series of the Mack— ey-Glass indicate the Antis-quantum network is characterized by its superior generation ability,and its predictability preci— sion is obviously higher than that of the BP network and that of the quantum network. 关键词:.混沌时间序列;量子网络;组合网络;预测 Key words:chaotic time series;quantum network;combination network;forecast dni:10.3969/j.issn.1007-130)(.2010.08.036 中图分类号:TP183 文献标识码:A 了获得更好的效果,本文提出Antis一量子组合网络预测混 1 引言 沌时间序列。此网络不依赖于混沌时间序列的确定性方程 和初始条件,具有很强的非线性函数逼近能力。给定训练 近年来,基于混沌时间序列的预测,已广泛应用于经 数据,建立一个较精确的模糊模型来预测混沌时间序列。 济、商业、信号处理和天气预报等各个领域,具有很大的实 将预测的序列作为量子网络输入样本进行训练。通过对 用价值和应用前景。混沌时间序列的预测主要通过建模逼 Mackey-Glass混沌时间序列的仿真实验,表明了Antis-量 近混沌信号未知的非线性函数映射。 子组合网络降低了网络输出预测误差,提高了预测精度,并 目前,专家们提出了很多种混沌预测方法¨1 ],如BP 且其训练的速度相当快。 网络预测L1]、量子网络预测和模糊神经网络预测I2“]。但 是,这些方法都存在缺点,BP网络预测在训练后得到的解 2 Antis一量子网络的组合预测原理 可能不是全局最小解,导致预测误差较大。文献[2,3]采用 的量子网络,其预测精度也不是很理想,最大的相对误差值 Antis网络具有自主的初始化模糊规则,并能自适应 超过了1O 。模糊神经网络的预测存在着分组数、隐含层 调整隶属度和参数等优点。量子网络具有良好的逼近能力 数目不确定等问题,而文献[43的效果也不很令人满意。为 和动态特性,有较好的自适应和自组织性等优点。基于 收稿日期:2009一O1—17;修订日期:2009—04—13 ..一…。. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50277010);湖南省自然科学基金资助项目(07JJ6132,04FJ2003,05GK2005);教育部博士 蕹鲁 霁 作者简介:路测试与诊断。糍科蒋文科(200  一2109570。 通讯地址:410082湖南沙市湖南大学电气与信息工程学院;Tel;(0731) ),男,离篙 蓥 为 湖南长沙人,工程师,研究方向为智能控制和图像识别;璃簇 是孺目和 谭阳红,2 ,教授,研究方向为智能信号处理、电 l88821585 Address:School of Eleetrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha,Hunan 410082,P.R China 】34 此,本文综合这两种网络的优点,提出一种新预测方法,即 Antis一量子网络组合预测,Antis网络输出的误差序列看作 是新的时间序列值,再用量子网络对新时问序列进行拟合 和预测,如图1所示。其中,z 是输入样本, 是Antis网 络处理后的输出样本, 是整个网络的输出样本。X— r ]表示以 为元素的向量。 圈 Anif  ̄ 由 图1 Antis-量子网络组合预测框图 2.1 Antis网络 以两输入( ., )为例,各层输入输出关系其结构如 图2所示 。 图2 Anfis网络结构图 图2所示网络共有四层(0 表示第一层第i个节点 的输出),以下是各层的输入输出的数学表达式。 第一层的每个节点i是以节点函数表示的方形节点, O1, 一舢( J), 一1,2,或 , 一/1B ( 2),i一3,4。其 中, (或 2)为节点i的输入,A (或B )是与该节点函 数值相关的语言变量,或者说0 是模糊集A(A—A , A ,B。,B )的隶属度函数。 第二层节点在图2中用ll表示,将输入的信号相乘, 而将其乘积输出为:()2,,一Wi一肼 (z1) ( 2)。 第三层节点在图2中以N表示,第i个节点计算第i 条规则的 与全部的规则 值之和的比值:03, 一训 f 一— ,i一1,2。 删1—r毗 最后一层是自适应节点,得到输出 — =Wi_厂 一观0(声 1+ 2十 ),i一1,2。 将产生的输出作为量子网络_5 的输入,即u(k一1)一 (^… 2.2量子网络 量子网络结构如图3所示l5],包括输入层、第一隐层、 第二隐层和输出层。其中,Y、37、“和z 分为m维输出结 点向量、 维中间层结点单元向量、r维输入向量和 维反 馈状态向量;W3、 和∞ 分别为各层之间的连接权值, Y 一[ ]。 设系统的输入为[“ ,“z,…, ],输出为Y—Vy ,Y2, …,Y ],三层的传递函数为 ̄gmiod函数,权值和神经元个 数分别为 , 、 . 、 , 和K、M、S。n5为量子间隔的 数目,巩( 一1,2,3,…,缁)为量子间隔,其大小的选择与 待为:诊 断的预测模式数日图3量相同,子网 络结为构陡度图 因子,网络的输出 M K f 一 (∑ ÷ (∑ _厂 ))  1Ⅲ一1 女一 I’ 村 “ ) n=I 其[ff,5 3学习算法 3.1 Anfis网络学习算法 E一告∑[弘(训)一y一 (叫)] (2) f硼 ( )一7AJ (是~1)一 ur ( )一 (是~1)一 (3) I ( )一∥( ~1)一 叫。 Aw3一生一一 ( ) △∞。一 d 一一口・叫。・|‘8・  (是一1) Aw 一a・W3 l  ̄TA)1一 +” 3.2量子网络学习算法 e一 ∑∑( 一 ) (5) —一∑( 一 ) ’ ( …f) Pau己.3e  ∑∑(y 135 oOe=一 c 一 ・ 率9n=1.1。陡度因子 =0.9,量子间隔数目 =31。 网络的训练误差SSE=10_。。在训练过程中,用以下误差 (6) 指标函数: ¥se=.诚 . ,. .O.t. 网络的学习算法中神经元间的权值更新与常规BP算 法相同,为了加快训练速度,避免陷入局部极小值,引入附 加动量和自适应学习速率法,使网络有可能滑过局部极小 值并能快速收敛。记 { 2, ,△ ={ . },Aw= 劬§.t),则动量的更新表达式为: (7) 女=1 ∑[口l 其中,讯一dk一 , 为样本总数, 为期望输出值, 为 模型实际输出值, 为误差值。 用MATLAB对网络进行仿真,得到训练后的预测曲 线和实际曲线如图4~图6所示。同时,列出BP网络和 Antis网络预测结果作为对照。分析图4~图6得到,两条 (t+1)=叫(f)一△ (t),其中: Aw(f)=聊・Aw(£一1)--(1一船)./r._0e曲线愈相近则表明误差愈小,其预测效果愈好。从图中可 看到,利用Antis-量子网络所做的预测与实际曲线非常接 这里的搬、/r分别为动量因子和学习速率,其更新算 法为: 近,图4的预测精度和预测趋势相对于图5、图6来说有很 if (t)>e(t一1)X删 大改善。 then艘= 1,/r一/r×d/r else, 一mf2,lr—lr×ilr 其中,绷为最大错误率,聊 、脚 为动量因子,dlr、ilr 分别为学习速率减小量和学习速率增加量。 量子间隔的更新方法单独确定,具体更新表达式为: 萎 ×( 、卜 ) l 2o0 1 400 l 600 1 800 2000 2 200 其中: 图4 Antis-量子网络的实际曲线和预测曲线 萎 (8) , . 一Oi, , (1一Oi,^, ) 一 (9) 一 ( >: ∑‰ ~ ,, , 一 r 一 . =_=_= 一 ~一 ¨ ‘。q ∈ 。 (1o) △ 为量子间隔更新量,Oi. 为在输入矢量为z 时第一隐 层第i个神经元的输出,0m,,为在输入矢量为 l一_ 厂 线曲预》  , 、 h.r 一“ 子间隔时,第一隐层的第i个神经元的输出。 一,第s个量 厂 /一\  1 200 l 400 l 60o l 800 2000 2 20o 4预测实例 Mackey-Glass时延微分方程定义混沌时问信号,引 可由 J ’1 图5 Anfi] s网络的实际曲线和预测曲线 蚴 时滞微分方程得到信号L7]。 t ax= 出 1+ l丽(t-0(£一r) -r)一/tr(t)…)…  令a=0.2, 一0.1,y一10,y为唯一可调参数,当y> 16.8时方程(3)产生混沌现象,故这里采用y一17。用4 } 0 {阶Runge-Kutta法[ 得到方程(3)的数值解,用t以前的D {  I~, 一一 , .,一一…~一一 … 一…,、 ;l 200 l 400 1 6OO l 800 2 000 2 2O0 个采样点构造 (f一(D一1)△),…, (£一△), (f)到未来 时间t+P的映射关系。 图6单个BP网络的实际曲线和预测曲线 经过反复实验,选取D=4,P=6,P—A,则Antis 表1是Antis-量子网络、Antis’网络、BP网络、Elmsn 量子网络输入样本表为 (£一18),x(t一12),x(t一6), 网络的最大误差率和预测误差指标函数值比较。显然, (f)],输出样本为 (£+6)]。前1 000组数据作为训练 Anfis-量子网络的各个指标均优于其它网络。 样本,后1 000组作为测试样本。样本先通过Antis网络, 表1不同预测方法对混沌预测的相对误差 每个输入变量有2个隶属度函数、4个变量,总共有8个隶 属度函数,模糊规则个数为2 :16条。Antis网络处理后 的数据,作为量子网络输入样本。量子网络的激活函数为 d( )=1/(1+e-e)。初始权值为随机值,最大误差率为 一1.02,动量因子常数艘l=0,TF/C1—0.95,初始学习 根据表1对系统可靠性指标进行分析,本文所提出的 速率/r一0.4,学习速率减少率dm一0.9,学习速率增长 Anfis-量子网络对混沌时问序列的预测方法,预测的误差 】36 值最大为0.293,平均误差为0.003 8,预测的正确率达到 了98.73 。 间,设定] Agent将此初步核模型提交给用户,询问用户是否同 意缩短某景点游览时间。如果用户不反对,核模型确定,转 5结束语 通过以上的仿真实验,我们可以看到采用Antis一量子 组合网络对混沌时间序列预测是可行的,利用Antis网络 入可拓变换阶段变换景点时间。如果用户指出景点游览时 间无法缩短(比如坐游船无法提前上岸),原核模型不成立, 重回Step 3。 如果问题更复杂,Agent查可拓信息一知识~策略形式化 体系也找不到有关知识,这时候Agent问用户是否同意变 对训练样本进行预处理,再采用Antis一量子组合网络对预 处理的样本预测,得到预测模型的预测精度高于单个Antis 换景点等,我们甚至为Agent设定了询问用户是否同意减 少景点的措施,最终为用户解决了自助游矛盾问题,生成了 一网络、BP网络和单个量子网络。采用Antis-量子组合网 络、Antis网络、BP网络和量子网络四种网络对Mackey- Glass时延微分方程定义的混沌时间信号进行预测及分析 系列自助游策略。 比较,表明本文所提出的Anfis一量子组合网络预测精度明 显提高,预测误差明显减小。也说明了多个网络组合预测 比单个网络预测在各个方面都要强,有理由相信Antis一量 子组合网络对混沌时间序列的预测将广泛应用于经济、商 业、信号处理和天气预报等各个领域。 参考文献: [1]宫蕴瑞,王瑞,朱建良.基于混沌时间序列BP神经网络电力 负荷预测[J].信息技术,2005,29(11):41—43. 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