毕业设计：基于深度学习的天气短期风速预测系统 神经网络 人工智能

目录

前言

设计思路

一、课题背景与意义

二、算法理论原理

三、检测的实现

最后

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前言

       大四是整个大学期间最忙碌的时光,一边要忙着备考或实习为毕业后面临的就业升学做准备,一边要为毕业设计耗费大量精力。近几年各个学校要求的毕设项目越来越难,有不少课题是研究生级别难度的,对本科同学来说是充满挑战。为帮助大家顺利通过和节省时间与精力投入到更重要的就业和考试中去,学长分享优质的选题经验和毕设项目与技术思路。

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         选题指导:

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        大家好,这里是海浪学长毕设专题,本次分享的课题是

        基于深度学习的天气短期风速预测系统

设计思路

一、课题背景与意义

        天气预测一直是气象科学中的重要研究领域，而短期风速预测在许多应用中具有关键意义，如风力发电、航空航天、农业等。准确预测短期风速变化对于优化能源利用、提高安全性和效率至关重要。然而，天气系统的复杂性和风速的非线性特性使得短期风速预测成为一项具有挑战性的任务。深度学习模型能够从大规模的气象数据中学习复杂的非线性关系，提高预测准确性。准确的短期风速预测可以为风力发电场等能源系统的运营和调度提供重要参考，帮助优化能源输出和降低成本。此外，对航空航天、农业等行业而言，精准的短期风速预测可以提高安全性和效率，减少风暴和灾害对生产和运输的影响。

二、算法理论原理

        CEEMDAN是一种改进的信号分解方法，通过添加自适应的白噪声和多次重复分解的步骤，它能够更好地保持信号的完整性和提高分解精度。它的分解步骤包括添加高斯白噪声、进行EMD分解、提取本征模态函数和余项函数，并通过迭代重复分解直到满足停止条件。CEEMDAN在信号处理、振动分析和图像处理等领域有着广泛的应用前景，并为研究者提供了一个创新的方向来解决复杂信号的分析和处理问题。

import numpy as np

def ceemdan(signal, num_iterations, stopping_criteria):
    # 初始化
    current_signal = signal
    imfs = []
    residue = current_signal

    # 迭代分解过程
    for i in range(num_iterations):
        # 添加高斯白噪声
        noise = np.random.normal(0, 1, len(current_signal))
        noisy_signal = current_signal + noise

        # EMD分解
        imf = emd(noisy_signal)

        # 提取本征模态函数和余项函数
        imfs.append(imf)
        current_signal = current_signal - imf
        residue = residue - imf

        # 检查停止条件
        if stopping_criteria(current_signal):
            break

    return imfs, residue

def emd(signal):
    # EMD分解过程
    imf = None
    # ...
    return imf

# 定义停止条件函数
def stopping_criteria(signal):
    # 停止条件判断
    # ...
    return False

# 使用CEEMDAN分解信号
signal = np.array([...])  # 输入信号
num_iterations = 10  # 迭代次数
stopping_criteria = lambda x: len(x) < 5  # 停止条件
imfs, residue = ceemdan(signal, num_iterations, stopping_criteria)

        PE算法是一种用于度量时间序列数据复杂性的方法，它通过比较相邻值来揭示数据中的模式和变化。PE算法在时间序列分析、模式识别、生物医学信号处理等领域具有广泛的应用。它可以用于数据特征提取、异常检测、分类和预测等任务，为研究人员和工程师提供了一种简单而有效的工具来分析和理解时间序列数据的复杂性。该算法具有以下特点：

• 相邻值比较：PE算法将时间序列数据划分为重叠的子序列，然后通过比较子序列中相邻值的大小关系来捕捉数据的变化模式。
• 计算速度快：PE算法的计算速度较快，因为它只需要比较相邻值，不需要进行复杂的数学运算或迭代过程。
• 放大微小变化：PE算法能够有效地放大时间序列数据中的微小变化，使得这些变化更加明显和可观察。
• 复杂性度量：PE算法通过计算排列熵（permutation entropy）来度量时间序列数据的复杂性。排列熵反映了子序列中不同排列的概率分布的不确定性，从而揭示了数据中的复杂性。

        LSTM是一种特殊的循环神经网络，通过引入门控机制和记忆单元，解决了传统RNN中的长期依赖、梯度消失和梯度爆炸等问题。它能够有效地处理序列数据并捕捉长期依赖关系，特别适用于自然语言处理、语音识别等任务。LSTM的关键在于输入门、遗忘门和输出门，通过学习可训练的权重和激活函数来控制信息的流动和保留。LSTM是一种特殊变体的RNN，它通过引入门控机制的记忆单元来解决了传统RNN中的长期依赖、梯度消失和梯度爆炸的问题。然而，传统的LSTM模型只能利用过去数据的信息，而忽略了未来数据的信息。

        为了克服这个限制，引入了BiLSTM（Bidirectional LSTM）模型，它由前向LSTM和后向LSTM组成，进行双向训练。BiLSTM模型既保留了LSTM处理长时间序列的能力，又考虑了过去和未来数据的影响，从而提高了特征提取的全局性。

        通过使用两个LSTM层，BiLSTM能够改善序列数据中的依赖关系，提高模型的性能。它在许多领域中被广泛应用，如自然语言处理、语音识别、时间序列分析等，为解决序列数据建模和预测问题提供了一种有效的方法。总之，BiLSTM模型通过双向训练和全局特征提取，克服了传统LSTM模型只考虑过去数据的局限性，从而提升了模型的表达能力和性能。

        模型的目标是提高风速的可预测性。通过将风速序列分解为多个子序列并使用BiLSTM模型进行预测，可以更好地捕捉序列中的长期依赖关系和复杂性。这种方法在风速预测中可能具有较好的性能，可以应用于风能发电、天气预报等领域。风速预测模型框架包括以下步骤：

• 使用CEEMDAN对原始风速序列进行第一阶段分解，得到12个IMF分量和1个余量信号。
• 计算各子序列的排列熵，以衡量时间序列的复杂度。然后使用RLMD对排列熵值最大的IMF进行第二阶段分解。
• 对CEEMDAN-RLMD两阶段分解后的各子序列进行归一化处理，将它们缩放到相同的范围内。
• 使用BiLSTM模型对归一化后的子序列进行训练和测试。对每个子模型的预测结果进行反归一化，并将它们相加得到最终的预测结果。

相关代码示例：

 导入所需的库
import numpy as np
from PyEMD import CEEMDAN
from rlmd import RLMD
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import LSTM, Bidirectional, Dense

# 定义CEEMDAN-RLMD-BiLSTM模型的类
class WindSpeedPredictionModel:
    def __init__(self):
        self.ceemdan = CEEMDAN()
        self.rlmd = RLMD()
        self.scaler = MinMaxScaler()
        self.bilstm = None

    def decompose(self, data):
        # 第一阶段分解（CEEMDAN）
        imfs, residue = self.ceemdan(data)
        return imfs, residue

    def calculate_permutation_entropy(self, subsequence):

三、检测的实现

        由于网络上缺乏现有的适用数据集，我决定自己收集数据并创建一个全新的风速预测数据集。该数据集将通过爬取的方式获取，包含了各种地理位置和时间点下的风速信息。通过这种方式，我能够捕捉到真实的风速数据和多样的气象条件，为我的研究提供更准确、可靠的数据支持。自制的数据集将包括不同地区、不同季节和不同时间段下的风速观测数据。每条数据将包括风速数值以及对应的时间戳和地理位置信息。此外，我还将尽可能收集其他气象参数，如温度、湿度等，以便更全面地分析和预测风速

        模型训练的过程在风速预测中的意义和目的是通过学习数据的模式和关系，提高预测能力，评估和选择最佳模型，并为决策提供支持。通过训练模型，我们能够揭示数据中的规律和趋势，预测未来的风速，支持各种应用场景中的策略和决策，从而提高效率和安全性。

        在机器学习模型中，网络参数的选择对模型的性能有很大影响。本实验中采用了一种分解算法来选择参数，而BiLSTM模型的最佳超参数是通过网格搜索法得出的，进行了5次实验并取平均结果。由于超参数优化耗时较长，因此只搜索了每个超参数的一些经验值。

        本实验使用Keras深度学习框架实现机器学习网络，进行模型训练。参数设置包括白噪声组数、高斯白噪声标准差、最大迭代次数、最大PFs个数等。嵌入维数m对时间序列的计算有重要影响，一般选择3到7之间的值，同时考虑时间序列长度与m的比例。通过这些参数的调整和实验结果的比较，旨在提高模型性能和预测准确度。

        曲线图、拟合图和雷达图是用于展示BiLSTM及其组合模型的预测结果的可视化工具。曲线图反映了模型预测结果和实际观测值随时间变化的趋势，拟合图则展示了预测结果与观测值之间的拟合程度和误差分布情况。雷达图则用于比较不同模型在预测指标上的性能表现。通过这些图形的展示，可以直观地评估模型的准确性、拟合能力和优劣势，从而提供对模型预测结果的全面理解。

相关代码示例：

scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
scaled_data = scaler.fit_transform(data['data'].values.reshape(-1, 1))

# CEEMDAN分解
IMFs = CEEMDAN(scaled_data)

# RLMD处理
RLMD_result = RLMD(IMFs)

# 构建训练集和测试集
train_size = int(len(RLMD_result) * 0.8)
train_data = RLMD_result[:train_size]
test_data = RLMD_result[train_size:]

# 创建输入和输出序列
def create_sequences(dataset, window_size):
    X = []
    y = []
    for i in range(len(dataset) - window_size):
        X.append(dataset[i:i+window_size])
        y.append(dataset[i+window_size])
    return np.array(X), np.array(y)

window_size = 10  # 窗口大小，可根据实际情况调整

train_X, train_y = create_sequences(train_data, window_size)
test_X, test_y = create_sequences(test_data, window_size)

# 构建BiLSTM模型
model = Sequential()
model.add(Bidirectional(LSTM(64, activation='relu'), input_shape=(window_size, 1)))
model.add(Dense(1))

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最后