第 31 卷 第 24 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol.31 No.24 194 2015 年 12 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2015 基于改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)的日光溫室溫濕度預(yù)測(cè)與驗(yàn)證鄒偉東1，張百海1，姚分喜1，賀超興2（1. 北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081； 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京 100081） 摘 要： 日光溫室溫濕度模型是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制的重要基礎(chǔ)，因日光溫室系統(tǒng)具有大慣性、強(qiáng)耦合、非線性等特性，采用機(jī)理分析法，難以建立其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致日光溫室控制效果差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模能更加靈活地得到日光溫室系統(tǒng)的參數(shù)，但傳統(tǒng)的極限學(xué)習(xí)機(jī)（extreme learning machine ， ELM）存在隱含層神經(jīng)元激勵(lì)函數(shù)固定，只考慮經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)（即訓(xùn)練誤差最小化），而導(dǎo)致過擬合等問題。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)日光溫室內(nèi)溫濕度環(huán)境因子的綜合控制，需要進(jìn)一步提高日光溫室環(huán)境因子的預(yù)測(cè)精度，該文將基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)日光溫室環(huán)境因子進(jìn)行辨識(shí)，并利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition ， EMD）方法確定網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，建立了日光溫室溫濕度環(huán)境因子預(yù)測(cè)模型。利用所建立的模型對(duì)日光溫室內(nèi)的溫度和濕度等環(huán)境因子進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果表明：溫度模型有效性為 0.9434，濕度模型有效性為0.9208，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的擬合關(guān)系比較理想，說(shuō)明基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)日光溫室進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)是可行的，且對(duì)日光溫室智能控制的發(fā)展有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：溫室；溫度；濕度；預(yù)測(cè)；日光溫室；極限學(xué)習(xí)機(jī)；經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；正交基函數(shù) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.029 中圖分類號(hào)：TP391.9 ；S625.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-6819(2015)-24-0194-07 鄒偉東，張百海，姚分喜，賀超興. 基于改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)的日光溫室溫濕度預(yù)測(cè)與驗(yàn)證 J. 農(nóng) 業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(24)：194200. doi ：10.11975/j.issn.1002 -6819.2015.24.029 http:/www.tcsae.org Zou Weidong, Zhang Baihai, Yao Fenxi, He Chaoxing. Verification and forecasting of temperature and humidity in solar greenhouse based on improved extreme learning machine algorithmJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 194200. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.24.029 http:/www.tcsae.org 0 引 言當(dāng)前國(guó)內(nèi)北方地區(qū)大面積的日光溫室蔬菜生產(chǎn)，主要依靠太陽(yáng)光照提供能量，這從根本上決定了日光溫室內(nèi)的作物生長(zhǎng)情況對(duì)棚外環(huán)境氣象條件有很大的依賴性。為了深入研究棚外環(huán)境氣象條件對(duì)日光溫室內(nèi)環(huán)境因子的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)日光溫室環(huán)境的綜合控制，為作物生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造出最適宜的氣候條件，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)，從而要求建立以日光溫室內(nèi)主要環(huán)境因子為輸出變量的溫室模型1。 由于日光溫室是一個(gè)典型的非線性、大慣性、強(qiáng)耦合和時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，日光溫室內(nèi)部作物的生理特征變化、所采取的各種調(diào)控措施和外界氣候變化都會(huì)對(duì)溫室環(huán)境產(chǎn)生影響，因此，它的模型很難通過機(jī)理法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式或傳遞函數(shù)來(lái)描述2。隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)者們利用人工智能技術(shù)解決溫室建模的相關(guān)問題，其中人工神經(jīng)網(wǎng)路技術(shù)在溫室環(huán)境建模中的應(yīng)用特別突出。人工神經(jīng)網(wǎng)路可加快計(jì)算速度，并提高物理過程參數(shù)的精度，能利用有限的參數(shù)描述復(fù)雜的系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模相收稿日期：2015-06-25 修訂日期：2015-10-27 基金項(xiàng)目：北京市科學(xué)研究與研究生培養(yǎng)共建項(xiàng)目（20120639002） 作者簡(jiǎn)介：鄒偉東，男，博士生，主要從事日光溫室建模與控制。北京 北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，100081，Email ：3120120347bit.edu.cn 通信作者：張百海，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事系統(tǒng)建模、仿真與優(yōu)化的研究。 ，北京 北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，100081。 Email：smczhangbit.edu.cn 對(duì)于傳統(tǒng)建模方法主要優(yōu)點(diǎn)是不需要用數(shù)學(xué)表達(dá)式，更適合于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，它能更靈活地獲得溫室參數(shù)和非線性，使得它對(duì)溫室環(huán)境建模更有吸引力。鑒于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在建模中的優(yōu)勢(shì)，其在溫室環(huán)境建模中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 Ferreira 等3采用離線訓(xùn)練、在線學(xué)習(xí)的方法，以溫室外界的氣溫和太陽(yáng)輻照度以及內(nèi)部的濕度為輸入，利用 Radial Basis Function 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立溫室溫度預(yù)測(cè)模型，以 8 個(gè)隱神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)為例，其離線訓(xùn)練的溫度均方根誤差為 0.0108，在線學(xué)習(xí)的溫度均方根誤差為0.0072，得到較好的擬合特性和較低的預(yù)測(cè)誤差。鄒秋瀅等4采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)對(duì)溫室小氣候環(huán)境因子進(jìn)行辨識(shí)，建立溫室小氣候環(huán)境因子預(yù)測(cè)模型，并用所建立的模型對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照等小氣候環(huán)境因子進(jìn)行預(yù)測(cè)，其相關(guān)度達(dá)到 0.9976。 Fathi Fourati5采用 Elman Neural Network 建立溫室溫濕度模型， 6 個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)， 3 個(gè)隱節(jié)點(diǎn)， 2 個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)得到，溫度誤差為 0.3，濕度誤差為 4%。國(guó)內(nèi)學(xué)者王定成6利用支持向量機(jī)回歸建模的方法建立了南方溫室環(huán)境溫度模型，在忽略外界因素對(duì)溫室內(nèi)部氣候的影響下，得到 1d 的溫度預(yù)測(cè)平均誤差為 0.1288。 王萬(wàn)良等7利用模糊邏輯網(wǎng)絡(luò)建立了溫室分布參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算的優(yōu)化控制算法，并應(yīng)用于溫室加熱升溫分布參數(shù)過程優(yōu)化控制中。杜尚豐等8采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立溫室溫度模型，采用 5-10-1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)得到溫度誤差在± 1.5范圍內(nèi)。 第 24 期 鄒偉東等：基于改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)的日光溫室溫濕度預(yù)測(cè)與驗(yàn)證 195 本文主要針對(duì)日光溫室系統(tǒng)具有的非線性時(shí)變等特性，利用基于正交基函數(shù)的極限學(xué)習(xí)機(jī)（ extreme learning machine， ELM）對(duì)日光溫室環(huán)境因子進(jìn)行辨識(shí)，并利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition ， EMD）方法確定網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，收集了日光溫室內(nèi)環(huán)境因子與棚外環(huán)境氣候條件數(shù)據(jù)，將棚外氣象因子作為模型的輸入，將日光溫室環(huán)境因子作為模型的輸出，利用系統(tǒng)辨識(shí)的方法建立了一個(gè)日光溫室內(nèi)主要環(huán)境因子與棚外氣候條件之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并且根據(jù)棚外氣候條件的變化狀況預(yù)測(cè)日光溫室內(nèi)的小氣候環(huán)境因子，以期為日光溫室環(huán)境智能控制提供依據(jù)。 1 極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)算法 ELM 是一種單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的根本區(qū)別在于：ELM 在訓(xùn)練中可隨機(jī)產(chǎn)生輸入權(quán)值和隱含層節(jié)點(diǎn)偏移量，且產(chǎn)生后保持不變，只需設(shè)置隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)就能獲得全局最優(yōu)解。因 ELM 學(xué)習(xí)速度快，泛化性好，故在函數(shù)逼近和模式分類方面得到廣泛應(yīng)用9。圖 1 為 ELM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層組成，其中，輸入層有 n 個(gè)神經(jīng)元，對(duì)應(yīng) n個(gè)輸入變量；隱含層有 L 個(gè)神經(jīng)元；輸出層有 m 個(gè)神經(jīng)元，對(duì)應(yīng) m 個(gè)輸出變量。 ELM 算法的主要步驟10： 1）確定隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，隨機(jī)產(chǎn)生輸入層和隱含層之間的連接權(quán)值 wij與隱含層節(jié)點(diǎn)偏移量 b； 2）選取無(wú)限可導(dǎo)的函數(shù)作為隱含層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù) g(x)，計(jì)算隱含層輸出矩陣 H； 3）計(jì)算輸出權(quán)值 ：+= H T ，其中 H+是矩陣 H的 Moore-Penrose 廣義逆，T 是系統(tǒng)實(shí)際輸出。 注：x1 xn為n 個(gè)輸入變量； O1 OL為 L個(gè)神經(jīng)元；w1L wnL為輸入層與隱含層間的連接權(quán)值； 11 Lm為隱含層與輸出層間的連接權(quán)值； y1 ym為m 個(gè)輸出變量。 Note: x1-xnare input variables; O1-OLare neurons; w1L-wnLare connection weight for input and hidden layer; 11-Lmare connection weight for hidden and output layer; y1-ymare output variables. 圖 1 ELM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig.1 Topological structure of ELM 但傳統(tǒng)的極限學(xué)習(xí)機(jī)算法存在如下缺陷： 1）隱含層激勵(lì)函數(shù)是固定的； 2）隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)一般都是通過試湊法獲得； 3）所求的輸出權(quán)值 僅考慮風(fēng)險(xiǎn)最小化，即訓(xùn)練誤差最小，但無(wú)法保證測(cè)試誤差也達(dá)到最小值。 針對(duì)上述缺陷，本文提出基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)，并利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法確定網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。 2 基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī) 2.1 正交基函數(shù) 依據(jù)最佳平方逼近多項(xiàng)式存在性定理11-12，任意非線性函數(shù) y=f(x)都可由一組正交基函數(shù)線性表示 ()T=1= = ()+ ()= ()+ ()Liiiyf x gx Rx x Rx WG 。 （ 1） 式中 G(x)是正交基函數(shù)； W是相關(guān)系數(shù)； 余項(xiàng) R(x)是逼近精度誤差。根據(jù)式（ 1），正交基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型可定義為 ()T1 () () () ()Liiiyfx gxRx xRx=+= + G 。 （ 2） 式中 x 是正交基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入； y 是正交基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出； 12= , ,.,L 是隱含層神經(jīng)元與網(wǎng)絡(luò)輸出層的連接權(quán)值；正交基函數(shù)12()= (), (),., ()Lx gxgx g xG 作為隱含層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)，將網(wǎng)絡(luò)輸入層與隱含層神經(jīng)元的連接權(quán)值設(shè)置為 1，隱含層神經(jīng)元與網(wǎng)絡(luò)輸出層的閾值也設(shè)置為 0。 常見的正交基函數(shù)有 Chebyshev 正交基函數(shù)13、 Legendre 正交基函數(shù)14、 Hermite 正交基函數(shù)15和 Fourier 正交基函數(shù)16，本文選用的是 Fourier 正交基函數(shù)作為 ELM 隱含層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)，具體如下 () () ()12 () cos , () cos2 ,., () coslg xxpgx xpgxLxpqq q = = = 式中 x 為正交基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入； p， q 為 Fourier 正交基函數(shù)的系數(shù)。 2.2 EMD 算法 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法17-18是一種基于時(shí)域的信號(hào)處理方法，它僅僅基于這樣的假設(shè)：任何信號(hào)都是由不同的本征模態(tài)函數(shù)（intrinsic mode function ， IMF）組成，其目的是把復(fù)雜的信號(hào)分解成有限個(gè)本征模態(tài)函數(shù)之和。每一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)都具有相同的極值點(diǎn)和過零點(diǎn)，在任意 2 個(gè)相鄰的過零點(diǎn)之間僅有一個(gè)極值點(diǎn)，且上下包絡(luò)曲線是關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱，任意的 2 個(gè)本征模態(tài)函數(shù)之間是相互正交的19。 EMD 算法的流程圖如圖 2 所示。本文利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法確定網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。 2.3 網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)確定 目標(biāo)函數(shù) Y經(jīng)過 EMD分解后得到 n 個(gè)相互正交的分量 c1,c2cn，由 EMD 的完備性可知 1=niic=Y ， （ 3） 式（3 ）左乘Tic 后得 TT1,2niiii=1= c ,i = .ncY c ， （ 4） 于是得 T1,2n2ii=1= c ,i = .nYY ， （ 5） T11,2n2ii=c= ,i = .n1YY， （ 6） 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org ） 2015 年 196 含有 L 個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的 ELM 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型可表示為 1()Liiiii= g w,b,xY 。 （7 ） 式中 ,nnmiixw R RR； wi是網(wǎng)絡(luò)輸入層與第 i 個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值； bi是第 i 個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的閾值； i是第 i個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)與輸出層的連接權(quán)值； gi(wi, bi, x)是第 i 個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的激勵(lì)函數(shù)。故具有 L 個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的能量總貢獻(xiàn)率可表示為 21T1(,)=LiiiiLiiig wbxVv=YY。 （ 8） 式中 V 是能量總貢獻(xiàn)率，且 0 V 1； vi是第 i 個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的能量貢獻(xiàn)率，且 0 vi 1。選擇的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，能量總貢獻(xiàn)率就越高，逼近精度越高，若 L=n，則網(wǎng)絡(luò)逼近精度最高， V=1。 本文分別對(duì)訓(xùn)練樣本中的室內(nèi)溫度和濕度信號(hào)進(jìn)行EMD 分解， 分解結(jié)果如圖 3 和 4 所示。從圖 3 和 4 可知，分解所得的 IMF 分量個(gè)數(shù)均為 9，故網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為 9。 圖 2 EMD 方法的流程 Fig.2 Flow chart of EMD method 圖 3 室內(nèi)溫度信號(hào)的 EMD 分解結(jié)果 Fig.3 EMD result for signal of temperature inside of greenhouse 圖 4 室內(nèi)濕度信號(hào)的 EMD 分解結(jié)果 Fig.4 EMD result for signal of humidity inside of greenhouse 第 24 期 鄒偉東等：基于改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)的日光溫室溫濕度預(yù)測(cè)與驗(yàn)證 197 2.4 網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)值確定 根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論可知，實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)既有經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)又有結(jié)構(gòu)化風(fēng)險(xiǎn)。如果想獲得一個(gè)良好的模型，需要同時(shí)考慮這兩種風(fēng)險(xiǎn)。因此在輸出權(quán)值最小化和誤差最小化之間做出折中，即22min +H T ，其中 H是隱含層輸出矩陣，12= , ,., L 是隱含層與輸出層的連接權(quán)值， T是系統(tǒng)實(shí)際輸出。 設(shè) ,mL m L×× × 11，H RTR R ，則當(dāng)()1TT=+ H HI HT時(shí)，滿足22min +H T 。 證明： 令 ()22f =+ H T ， 則 ()TT TT T T2f =+HHHT TT ， 令()TTd2220df=+=HH HT ， 解得()1TT=+ H HI HT， 故當(dāng)()1TT=+ H HI HT 時(shí)，滿足22min - +H T 。 3 試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果 3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集 在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所日光溫室進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，該溫室位于 40°07 N， 116°09 E，溫室長(zhǎng)度為 50 m，跨度為 6.4 m，脊度為 3.24 m，采用西北型鋼單管骨架，鋼管直徑為 22 mm，保溫墻厚度為60 cm，覆蓋物為聚乙烯棚膜（厚度是 0.12 mm），夜間覆蓋保溫被（厚度是 22 mm），溫室內(nèi)部種植番茄，種植面積為 281.32 m2，日光溫室結(jié)構(gòu)與傳感器安裝位置如圖 5 所示。 圖 5 日光溫室結(jié)構(gòu)示意圖及測(cè)點(diǎn)布置 Fig.5 Schematic diagram of solar greenhouses and measurement points 溫室外部的氣象參數(shù)以及溫室內(nèi)部的溫濕度由北京奧托公司環(huán)境數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集記錄，采用溫濕度傳感器 SHT10 測(cè)量溫室外部與內(nèi)部的溫濕度，其精度為 ±0.5和 ±5%，試驗(yàn)溫室溫濕度測(cè)點(diǎn) 10 個(gè)，分別布置于溫室跨中距東墻 5、 15、 25、 35 和 45 m 處，溫室東西中軸線距北墻 1 和 5.1 m 處，距地面 3 和 0.5 m，取 10 個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為室內(nèi)溫濕度的測(cè)量值；采用 NZ-FS 室外風(fēng)速傳感器測(cè)量室外風(fēng)速，其精度為 ±1 m/s；采用 HA2003 光照傳感器測(cè)量室外光照，其量程為 200 200 000 lx，誤差為 ±7%。數(shù)據(jù)采集時(shí)間在 2015年 1月 10日 00:00到 1月 23日 00:00之間，采樣周期為 10 min，采集室內(nèi)溫度和濕度，以及室外溫度、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等 1872 組數(shù)據(jù)，其具體變化規(guī)律如圖 6 所示。試驗(yàn)期間均為晴天，室外最高溫度為 13.27，最低溫度 10.25，平均溫度為 1.27，室外最高濕度為 95.63%，最低濕度 11.51%，平均濕度為50.55%；而室內(nèi)最高溫度為 39.1，最低溫度為 2.72，平均溫度為 12.27，室內(nèi)最高濕度為 95.46%，最內(nèi)濕度41.6%， 平均濕度為 85.69%。 因?yàn)槭嵌唐陬A(yù)測(cè)， 故以前 1440組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，后 432 組數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本。 圖 6 室內(nèi)溫度、濕度，室外溫度、濕度、光照強(qiáng)度和風(fēng)速變化 Fig.6 Variation of temperature and humidity inside greenhouse, temperature, humidity, light and wind speed outside greenhouse 3.2 模型評(píng)價(jià)指標(biāo) 根據(jù)日光溫室環(huán)境的特點(diǎn)，確定輸入量如下：溫室外的溫度、濕度、風(fēng)速和光照強(qiáng)度，輸出量為溫室內(nèi)的溫度和濕度。模型性能以溫度和濕度測(cè)試的均方根誤差農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org ） 2015 年 198 RMSE（ root mean square error）和模型有效性 MV（ model validity）為指標(biāo)，來(lái)衡量模型的泛化能力和精度20。 均方根誤差 RMSE 表示為 ()21RMSE=NiiityN=。 （ 9） 模型有效性 MV 表示為 ()()2121MV 1NiiiNiityty=。 （ 10） 式中 ti為 ELM 網(wǎng)絡(luò)模型輸出； iy 為實(shí)際測(cè)量值； y 為實(shí)際測(cè)量值的平均值； N 為樣本數(shù)。其中均方根誤差 RMSE反映模型輸出曲線在實(shí)際曲線上的波動(dòng)情況，模型有效性 MV 反映了模型輸出與測(cè)量值的偏差相對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的離散性，性能良好的模型有效性 MV 為 1。 3.3 模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析 3.3.1 傳統(tǒng) ELM 模型 傳統(tǒng) ELM算法在建立模型前僅需確定網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)函數(shù) 和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)即可，本文選用 Sigmoidal 函數(shù)作為傳統(tǒng)ELM 算法的激勵(lì)函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為 9?；趥鹘y(tǒng) ELM 網(wǎng)絡(luò)的日光溫室模型的溫度、濕度預(yù)測(cè)曲線如圖7a、 7b。溫度的誤差范圍 6.0729 6.9149，濕度的誤差范圍 13.6286% 19.641%。 3.3.2 基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM 模型 在基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM 模型中，其隱含層神經(jīng)元激勵(lì)函數(shù)系數(shù)為： p=30， q=10，網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為 9?；谡换瘮?shù)的改進(jìn)型 ELM 網(wǎng)絡(luò)的日光溫室模型的溫度、濕度預(yù)測(cè)曲線，如圖 7c、 7d，溫度的誤差范圍 5.6256 4.8996， 濕度的誤差范圍是 10% 10%。2 種不同的 ELM 模型性能對(duì)比如表 1 所示。 根據(jù)圖 7 及表 1 可知，與傳統(tǒng) ELM 模型相比，運(yùn)用基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM 模型的溫度誤差和濕度誤差分別減少了 2和 5%，溫度均方根誤差減小了 0.4758，濕度均方根誤差減小了 0.6857 個(gè)百分點(diǎn)，溫度模型有效性相對(duì)提高了 0.0384，濕度模型有效性相對(duì)提高了 0.0314，這說(shuō)明運(yùn)用基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM 模型對(duì)日光溫室小氣候環(huán)境進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)是行之有效的。 圖 7 改進(jìn)型 ELM 與傳統(tǒng) ELM 的日光溫室室內(nèi)溫度、濕度預(yù)測(cè)曲線 Fig.7 Predicted curve for temperature and humidity in solar greenhouse based on improved ELM and traditional ELM 表 1 基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM 與傳統(tǒng)的 ELM 性能對(duì)比 Table 1 Performance comparison of improved ELM based on orthonormal basis function and traditional ELM 溫度 Temperature 濕度 Humidity 模型 Model 均方根誤差 Root mean square error/ 模型有效性 Model validity均方根誤差 Root mean square error/% 模型有效性 Model validity傳統(tǒng) ELM Traditional ELM 3.0225 0.905 4.8169 0.8894 基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM Improved ELM based on orthonormal basis function 2.5467 0.9434 4.1312 0.9208 在冬季，白天日照時(shí)間短，因日光溫室保溫的需要，且室內(nèi)沒有加熱設(shè)備，故試驗(yàn)期間室內(nèi)的風(fēng)機(jī)與卷膜器均處于關(guān)閉狀態(tài)，但密閉的環(huán)境使得作物蒸騰和地面蒸發(fā)所形成的水蒸氣散布在溫室內(nèi)部，直接造成冬季溫室內(nèi)部的高濕。試驗(yàn)期間每天上午 09:00 點(diǎn)卷起保溫被，下午 15:00 點(diǎn)下放保溫被，其他時(shí)間未對(duì)溫室進(jìn)行調(diào)控操作，盡可能降低其對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境因子變化的影響程度。 根據(jù)圖 7 及表 1 可知，與傳統(tǒng) ELM 模型相比，運(yùn)用基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM模型的溫度均方根誤差與濕度均方根誤差均有所下降，其溫度模型有效性與濕度模型有效性相對(duì)提高了，說(shuō)明運(yùn)用基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM模型對(duì)日光溫室小氣候環(huán)境進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)是行之有效的，但是溫度誤差和濕度誤差波動(dòng)劇烈，離散性大，這是由于室內(nèi)溫濕度受到各種隨機(jī)因素的影響，尤其是對(duì)溫室的調(diào)控操作影響較大，并且數(shù)據(jù)中可能含有噪聲，造成 ELM 算法過多的擬合了噪聲，最終造成溫度誤差和濕度誤差波動(dòng)劇烈，離散性大。 4 結(jié) 論 本文提出利用基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)日光溫室小氣候環(huán)境因子進(jìn)行預(yù)測(cè)。首先對(duì)訓(xùn)練樣本中的室內(nèi)溫度和濕度信號(hào)進(jìn)行 EMD 分解，根據(jù) IMF 分第 24 期 鄒偉東等：基于改進(jìn)型極限學(xué)習(xí)機(jī)的日光溫室溫濕度預(yù)測(cè)與驗(yàn)證 199 量的個(gè)數(shù)確定網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)目；接著，在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)與結(jié)構(gòu)化風(fēng)險(xiǎn)，在輸出權(quán)值最小化和誤差最小化之間做出折中，求解出滿足輸出權(quán)值與誤差之和最小化的網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)值計(jì)算公式。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng) ELM 模型相比，運(yùn)用基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM模型的溫度誤差和濕度誤差分別減少了 2和 5%，溫度均方根誤差減小了 0.4758，濕度均方根誤差減小了 0.6857%，溫度模型有效性相對(duì)提高了0.0384，濕度模型有效性相對(duì)提高了 0.0314，說(shuō)明運(yùn)用基于正交基函數(shù)的改進(jìn)型 ELM模型對(duì)日光溫室小氣候環(huán)境進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)是行之有效的。 但是選用 Fourier 正交基函數(shù)作為 ELM 隱含層神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)，激勵(lì)函數(shù)中的系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，需要經(jīng)過多次試驗(yàn)才能找到最佳值，其他正交基函數(shù)有待驗(yàn)證。 參 考 文 獻(xiàn) 1 Wang Junwei, Li Shuhai, Guo Shirong. 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