基于混沌遗传程序设计的参考作物腾发量预测模型

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1、水利学报年月第卷第期文章编号基于混沌遗传程序设计的参考作物腾发量预测模型段春青邱林黄强陈晓楠西安理工大学水利水电学院陕西西安华北水利水电学院资产处河南郑州摘要利用混沌算法的全局空间寻优性能和遗传程序设计的结构自动寻优功能建立了基于混沌遗传程序设计的参考作物腾发量预测模型设计多组数字实验研究输入因子间相关性对模型预测准确性的影响预测结果与方法计算结果比较表明该模型以混沌算法优化模型中的参数在一定程度上解析其他模型可能因为其中的参数未能达到最优而被淘汰的问题适应性强精度高为参考作物腾发量的预测提供了新的有效方法关键词参考作物腾发量遗传程序混沌

2、算法预测中图分类号文献标识码在分析预测灌区灌溉需水量或制定灌溉用水计划水量分配计划时作物蒸发蒸腾量的预测是最基本最重要的内容之一根据不同的要求可以有作物蒸发蒸腾量的长期预报全生育期中期预报旬月和短期预报以内目前作物系数和土壤水分修正系数的确定方法已比较成熟因此参考作物腾发量的预测问题成为关键问题在近年的相关成果中李远华提出了逐日均值修正法顾世祥等将径向基函数法用于参考作物腾发量的预测崔远来等则建立了基于进化神经网络的参考作物腾发量预测模型研究表明逐日均值修正法需要使用大量历史资料确定经验系数并且由于其随日序数变化如何采用亦需进一步探讨径向

3、基函数法在模型结构确定过程中需进行大量的计算工作并且不能保证收敛到最优解将网络与遗传算法相结合的进化神经网络模型虽优化了网络的结构但仍存在网络收敛速度慢难以逃脱局部极小点等缺陷本文根据影响因素的复杂性及混沌遗传程序设计的特点探讨基于混沌遗传程序设计的预测模型混沌遗传程序设计遗传程序设计遗传程序设计是在遗传算法的基础上加以延伸和扩展而形成的一种新的演化算法在建模预测控制神经网络设计人工生命等众多领域已开始得到成功应用遗传程序设计的具体步骤如下步骤确定目标函数设模型的输入为维输入输出样本数为样本集表示为为第个输入样本中的第个元素为第个输入样本

4、为相应的第个输出样本设计过程就是根据输入输出样本确定一个最佳函数表达式使误差极小化式中为元函数为函数的第个自变量收稿日期基金项目河南省高校创新人才培养工程项目青海省科学技术厅基金项目作者简介段春青女河南濮阳人博士生主要从事水资源系统管理研究步骤编码确定终端集和函数集终端集的元素定为变量和常数在本文中函数集的元素定为算术操作?和初等函数由于终端集和函数集都是有限离散集因此可用自然数的子集对他们的并集进行统一编码表给出了一种编码方案若编码值为则在区间上随机选取一数若表中的编码值为则对应中的某一个在中称函数为式问题的解它表示有特定的系统输入得到

5、特定的系统输出的一段计算机程序并用分层结构的二叉树集来表示解空间称一棵树为的一个个体它对应一个函数一棵树由根节点中间结点和叶结点构成这些节点的编码值根据编码方案选取表遗传程序设计的一种编码方案并集中的元素?编码值步骤父代群体的初始化设群体规模为则共产生棵树这些树的最大深度即层数应取较小的整数例如以便对由搜索到的最优函数表达式进行分析解释产生初始群体棵树时每棵树的根节点可在函数集对应的编码值中随机选择中间结点可在并集对应的编码值中随机选择叶节点可在终端集对应的编码值中随机选择步骤父代群体的解码和适应度评价将父代群体中以二叉树形式表示的每个个

6、体进行解码得出个体对应的函数表达式把函数表达式带入式可得各个体所对应的目标函数值把按从大到小排序并称排在最前面的几个个体为优秀个体目标函数值越小表示该个体的适应度越高反之亦然基于此可定义排序后第个父代个体的适应度函数值为?步骤对父代群体进行遗传操作选择操作取比例选择方式则父代个体的选择概率为?令生成一个区间的均匀随机数若在中则第个个体被选中为增强持续全局搜索的能力把最优秀的个父代个体直接复制为子代个体在中交叉操作就是在棵父代个体树上随机产生个交叉点然后交换以交叉点为根节点的子树交叉时需避免产生巨型树在中的变异操作就是在选得的个体中随机产生

7、一个变异点然后以变异点为根节点将其以下的子树包括变异点按照步骤的方式随机产生一棵子树来代替在产生每个子代个体中以相应的操作概率执行上述种遗传操作之一设选择操作概率为交叉操作概率为则变异操作概率为产生一个区间上的均匀随机数若则进行选择操作若则进行交叉操作若则进行变异操作如此反复进行次完成次进化迭代在实际应用时为更好地搜索寻优也可使和随着进化迭代次数的增加而作动态调整步骤记录最佳的个体并把子代群体作为新的父代群体转入步骤如此反复演化直至进化迭代次数大于预设值或目标函数值达到预设值结束算法的运行此时最佳个体为最终结果混沌算法优化模型参数混沌理论

8、与方法属于非线性科学的分支也是解决其它学科问题的有力工具混沌序列能够不重复地经历一定范围内的所有状态是其应用于函数优化的根本出发点也正是因为这一特性使得求解函数优化问题成为可能混沌算法不但原理