人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望*

李正鵬，潘承毅，鄔陽陽

（1.云南工商學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650000；2.麗江文化旅游學(xué)院信息學(xué)院，云南 麗江 674100）

科學(xué)決策制定的前提是預(yù)測，但影響預(yù)測結(jié)果精確度的因素眾多，在預(yù)測中不可避免地會出現(xiàn)預(yù)測結(jié)果不精確的情況。影響預(yù)測結(jié)果精確性的一個重要因素是預(yù)測方法，為了提高預(yù)測結(jié)果的精確度，一些學(xué)者不斷改進和提出新的預(yù)測方法。這些預(yù)測方法大致可以分為定性預(yù)測方法和定量預(yù)測方法兩大類，常見的定量預(yù)測方法有：時間序列分析法、回歸分析法、灰色預(yù)測法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及組合預(yù)測法等[1]。其中，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法不僅適用于處理大批量數(shù)據(jù)，還具有一定的魯棒性和容錯性，能更好地進行預(yù)測，在各個領(lǐng)域的預(yù)測中得到了廣泛應(yīng)用。伴隨著人工智能的發(fā)展，新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也不斷被提出，經(jīng)典的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也不斷得到擴展和優(yōu)化，基于不同類型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法也不斷地應(yīng)用到預(yù)測中。一些研究學(xué)者對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了歸納總結(jié)。

彭顯剛等[2]指出，徑向基函數(shù)（RadialBasisFunction，RBF） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)能力更強，預(yù)測結(jié)果的精確度也更高，在短期負荷預(yù)測中的應(yīng)用更為廣泛，并對短期負荷預(yù)測中的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進行了系統(tǒng)概述，從模型改進、負荷數(shù)據(jù)的篩選以及結(jié)合實際對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化這3 個方面對RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在短期負荷預(yù)測中的應(yīng)用進行了探討。張為夢[3]對短時道路交通流預(yù)測中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行了總結(jié)，文獻主要介紹了4 種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，即：基于誤差反向傳播（Back Propagation，BP） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Wavelet Neural Network，WNN）、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Generalized Regression Neural Network，GRNN） 的預(yù)測方法在短時道路交通預(yù)測中的應(yīng)用，提出了研究過程中存在的問題。主成分分析（Principal Component Analysis，PCA） 又稱主分量分析，何慧等[4]以PCA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法、WNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法、基于遺傳算法的BP 網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法、粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO） 為分類標(biāo)準(zhǔn)，對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在月降水量預(yù)測業(yè)務(wù)中應(yīng)用進行概述，并重點總結(jié)和分析了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在廣西月降水量預(yù)測的應(yīng)用。上述文獻綜述總結(jié)和分析了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法在某個具體領(lǐng)域中的應(yīng)用，而關(guān)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法的應(yīng)用總結(jié)還不太全面，本文對常用的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法和應(yīng)用進行總結(jié)和分析，以期為研究者繼續(xù)深入研究提供有益借鑒。

1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測中的應(yīng)用

1986 年，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一模型被提出，該模型不僅具有較強的容錯能力，同時還有比較好的非線性映射能力，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具體的學(xué)習(xí)過程是，輸入的信號先經(jīng)過隱含層處理，最后到輸出層，輸出的結(jié)果如果誤差不符合要求，則將誤差進行反向傳播，并據(jù)此修改網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值，直到達到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)或達到最大訓(xùn)練次數(shù)[5]。

周佳俊等[6]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)藥殘留預(yù)測中，預(yù)測模型的限制導(dǎo)致無法考慮多種因素（溫度、降水量、施藥時間等） 對農(nóng)藥降解的影響，針對這一問題，將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到農(nóng)藥殘留的預(yù)測中，并結(jié)合主成分分析法對影響因子進行分析，得到的預(yù)測結(jié)果總擬合優(yōu)度判定系數(shù)為0.962 05，有著較好的預(yù)測精度。蘇顏等[7]認為，電力調(diào)度機構(gòu)對短期負荷預(yù)測的精度要求越來越高，于是使用基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法對電力負荷進行了短期預(yù)測，為進一步驗證該方法的有效性和準(zhǔn)確性，將預(yù)測結(jié)果同基于自適應(yīng)算法、基于L-M 算法的預(yù)測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行預(yù)測能夠得到更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。曾麗芳等[8]指出，股票數(shù)據(jù)同時具有時變性和非線性兩個特征，而傳統(tǒng)的時間序列預(yù)測方法無法較好地處理非線性數(shù)據(jù)，基于此，建立了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型、ARI-MA（6，1，6） 預(yù)測模型對股票價格進行預(yù)測，將預(yù)測結(jié)果和使用PCA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)使用GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型得到的結(jié)果具有更小的誤差。

2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測中的應(yīng)用

1988 年，Moody 和Darken 兩位研究者設(shè)計了RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性不僅有著很強的非線性擬合能力，同時學(xué)習(xí)收斂速度快，是一種性能良好的前向網(wǎng)絡(luò)。RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層3 層結(jié)構(gòu)，隱含層將向量從低維度映射到高緯度，從而解決低維度線性不可分的問題。RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，輸入層到隱含層的空間映射是非線性的，從隱含層到輸出層空間映射是線性的[9]。

劉銀波等[10]對國內(nèi)外船舶電力負荷預(yù)測進行了研究，發(fā)現(xiàn)早期的預(yù)測主要使用的是回歸分析法與時間序列法這兩種方法，于是設(shè)計了基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法，對選取研究對象的歷史負荷數(shù)據(jù)進行分析，并通過仿真實驗驗證該方法的可靠性，發(fā)現(xiàn)相對誤差在0.1～-0.2 之間，預(yù)測效果較好。王瑞等[11]考慮到積溫效應(yīng)對相似日的選擇也有一定的影響，通過計算綜合相似度來選擇相似日，同時對RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力負荷預(yù)測中的應(yīng)用進行了研究，發(fā)現(xiàn)以往的模型都是針對大樣本數(shù)據(jù)，于是使用模糊C-means 算法對相似日樣本進行處理，以此來優(yōu)化RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層參數(shù)，將預(yù)測結(jié)果與其他預(yù)測結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示該方法提高了預(yù)測精確度。高磊等[12]指出，普通的PSORBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法比RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在處理數(shù)據(jù)時表現(xiàn)更好，但是無法避免出現(xiàn)局部最優(yōu)的狀況，基于此，將模擬退火算法、粒子群算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出了一種混合PSO-RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并對巖爆進行預(yù)測，將得到的預(yù)測結(jié)果和使用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法、普通的PSORBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法得到的預(yù)測結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示，基于混合PSO-RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果更為可靠。

3 WNN 在預(yù)測中的應(yīng)用

1992 年，Zhang Qinghua 等正式提出了WNN 的概念，此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是將小波分析理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。小波理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合有兩種方式，一是輔助性結(jié)合，二是緊密型結(jié)合[13]。WNN 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，可以簡化訓(xùn)練，在人工智能、機器人、統(tǒng)計學(xué)等很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

李明柱等[14]對暖通空調(diào)系統(tǒng)短期熱負荷預(yù)測進行了研究，發(fā)現(xiàn)BP 模型在建筑負荷預(yù)測中已有廣泛應(yīng)用，但效果不理想，結(jié)合暖通空調(diào)負荷數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的隨機性和非線性，提出小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法，通過小波分解與重構(gòu)來提高擬合度，通過對比，WNN 預(yù)測方法的預(yù)測精度和穩(wěn)定性都高于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法。鄭方圓等[15]指出，傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)算法進行回歸訓(xùn)練時未考慮到突發(fā)情況對飛行到達時刻的影響，導(dǎo)致信息預(yù)測不準(zhǔn)確，所以考慮采用ADS-B 數(shù)據(jù)來替換傳統(tǒng)雷達數(shù)據(jù)，并采用WNN預(yù)測模型來進行模擬仿真，通過對預(yù)測值和實際值比較發(fā)現(xiàn)，WNN 預(yù)測模型能對突變數(shù)據(jù)做出快速反應(yīng)，得到更準(zhǔn)確預(yù)測數(shù)據(jù)。鄺先驗等[16]在進行公交到站時間預(yù)測的研究時發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法、機器學(xué)習(xí)方法抗干擾能力差，無法對復(fù)雜多變的交通情況做出快速響應(yīng)，因此提出天牛須（Beetle Antennae Search，BAS） 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，該預(yù)測模型結(jié)合天牛須搜索算法，提高了尋優(yōu)速度，對仿真實驗結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn)，BAS-WNN 預(yù)測模型的預(yù)測精度和穩(wěn)定性均強于WNN 預(yù)測模型和Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。

4 LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測中的應(yīng)用

長短時記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short Term Memory Network，LSTM） 是一種特殊的RNN 模型，是Hochreiter 和Schmidhuber 在1997 年設(shè)計出來的，主要是解決RNN 模型中存在的梯度消失或梯度爆炸問題，提高解決長期依賴關(guān)系的能力[17]。

班文超等[18]指出，經(jīng)典潮汐調(diào)和分析預(yù)測方法需要大量的數(shù)據(jù)支撐，在短期潮位預(yù)測中表現(xiàn)不好，針對這個問題，提出了深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LSTM 預(yù)測模型，并對長短期預(yù)測結(jié)果進行對此，結(jié)果顯示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LSTM 預(yù)測模型在長短期預(yù)測中的精確度都很高，可以有效克服經(jīng)典潮汐調(diào)和分析預(yù)測方法在短期預(yù)測中預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。李麗萍等[19]指出，無論是傳統(tǒng)的時間序列方法還是傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)方法在股票加個預(yù)測中表現(xiàn)效果都不理想，同時考慮到股票數(shù)據(jù)的特性，建立了基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型，將預(yù)測結(jié)果和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測結(jié)果相比較，結(jié)果表明，基于LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果更接近真實值。曹文治等[20]認為，傳統(tǒng)預(yù)測方法計算簡單，但計算結(jié)果的精確度不高，人工智能預(yù)測方法可以提高預(yù)測精度，同時考慮到水質(zhì)指標(biāo)濃度數(shù)據(jù)具有時序相關(guān)性，構(gòu)建了EEMD-LSTM-SVR 組合預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果同單一的LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果相比，具有更高的精確度。

5 CNN 在預(yù)測中的應(yīng)用

1998 年，YannLecun 等人提出了Let Net 模型，標(biāo)志著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN） 的形成。CNN 成功的關(guān)鍵原因是采用了局部連接和權(quán)值共享方式，這種方式減少了權(quán)值的數(shù)量，降低了復(fù)雜度，同時還減少了過擬合的風(fēng)險[21]。

陳建平等[22]指出，煤層底板突水受含水層、隔水層、開采條件等多種因素影響，并采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對煤層底板突水進行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測方法和基于LeNet-5模型預(yù)測方法得到的結(jié)果進行對比，可以看出，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的準(zhǔn)確率和誤差率都優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和LeNet-5 模型。王安義等[23]指出，以往對礦井巷道場強預(yù)測模型，包括三維射線跟蹤法、單斜率和雙斜率模型、基于支持向量機模型等預(yù)測效果都不理想，提出一種改進的CNN 場強預(yù)測模型，該模型在傳統(tǒng)CNN 的卷積層后加入BN 層代替池化層，從而避免了網(wǎng)絡(luò)的過度擬合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速收斂，結(jié)果顯示，改進的CNN 預(yù)測模型有效提高了預(yù)測精度。李珊珊等[24]經(jīng)過研究得出，潛在蒸散量的準(zhǔn)確性對灌溉決策起著關(guān)鍵作用，以往計算潛在蒸散量的P-M 方法、隨機森林、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算等都存在一定局限性，針對這個問題，提出CNN-BiLSTM 融合模型，該模型結(jié)合了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在局部結(jié)構(gòu)特征提取方面的優(yōu)勢以及雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)對非線性時序優(yōu)秀的處理能力，有效提高了蒸散量的預(yù)測精度。

6 總結(jié)與展望

通過對幾類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點或優(yōu)點進行概述，重點對基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、WNN、LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、CNN 預(yù)測方法的應(yīng)用進行了歸納總結(jié)。通過總結(jié)和分析可以發(fā)現(xiàn)，很多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型都應(yīng)用在了預(yù)測中，并取得了很好的預(yù)測效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到預(yù)測中一般可以分為3 種類型：一是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型直接應(yīng)用到一種新的場景；二是將優(yōu)化算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合進行預(yù)測；三是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和其它類型的評價模型結(jié)合，進行組合預(yù)測。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到預(yù)測中可以建立新的預(yù)測模型，得到的預(yù)測結(jié)果也更為準(zhǔn)確。同時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，這個特點使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在大數(shù)據(jù)時代中進行預(yù)測的應(yīng)用更為廣泛。深度學(xué)習(xí)理論還在不斷發(fā)展，不斷有學(xué)者對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化和改進，也不斷有新的模型被提出，將這些模型及時引入到預(yù)測應(yīng)用中可以創(chuàng)新預(yù)測方法，有時還可以得到更好的預(yù)測結(jié)果。另外，組合預(yù)測也是一個重要的研究方向，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他預(yù)測模型相結(jié)合，可以提高預(yù)測結(jié)果的精確度。