1.一种基于组合模型与动态协同权重分配的煤矿涌水量预测方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1、采集矿井涌水量的时间序列历史数据并进行预处理,将预处理后的数据定义为原始时间序列数据集合;
步骤2、构建ARIMA模型;
步骤3、构建GM(1,1)模型;
步骤4、构建ARIMA‑GM组合模型进行矿井涌水量预测,并引入时间衰减因子、误差敏感系数和调节因子,构建动态协同权重分配机制进行权重更新与优化。
2.根据权利要求1所述基于组合模型与动态协同权重分配的煤矿涌水量预测方法,其特征在于,所述步骤1中,预处理时,需要进行数据完整性、稳定性、相关性检验;具体过程为:步骤1.1、检验数据完整性,对于缺失数据,通过插值法进行补充;
步骤1.2、进行稳定性检验,若数据不平稳,则进行差分运算处理后进行白噪声检验,若数据平稳,则直接进行白噪声检验;
步骤1.3、利用白噪声进行相关性检验;具体过程为:对数据进行差分运算处理得到残差序列,并根据残差序列计算自相关函数和偏自相关函数,绘制相应的自相关函数图或偏自相关函数图,若在置信区间内自相关函数或偏自相关函数的值快速衰减,说明残差接近白噪声,符合ARIMA模型的建模要求;若不符合ARIMA模型的建模要求,则重新采集数据进行预处理,或返回步骤1.1重新对数据进行预处理。
3.根据权利要求2所述基于组合模型与动态协同权重分配的煤矿涌水量预测方法,其特征在于,所述步骤2的具体过程为:根据步骤1.3中计算的自相关函数和偏自相关函数确定ARIMA模型的回归阶数p和平均阶数q,并利用确定好阶数后的ARIMA模型直接对未来涌水量进行预测,预测时,直接将预处理后的矿井涌水量的时间序列历史数据输入ARIMA模型,得到ARIMA模型预测序列 ,其中 为ARIMA模型预测序列中的第 个数据。
4.根据权利要求3所述基于组合模型与动态协同权重分配的煤矿涌水量预测方法,其特征在于,所述步骤3中,GM(1,1)模型的具体工作过程为:步骤3.1、设有原始时间序列数据集合 ,经过一次累加,得到一次累加时间序列数据集合;一次累加的公式为:
(1);
其中, 、 分别为原始时间序列数据集合中的第 个、第 个数据;
、 分别为一次累加时间序列数据集合中的第 个、第 个数据;
步骤3.2、对原始时间序列数据集合中的每个数据进行光滑性检验: (2);
其中, 为第 个数据的光滑比; 为一次累加时间序列数据集合中的第 个数据;
若满足 且 时,认为此序列数据为准光滑序列,满足GM(1,1)模型的建模要求;
步骤3.3、计算紧邻均值,生成紧邻均值序列集合;紧邻均值的计算公式为:
(3);
其中, 、 分别为紧邻均值序列集合中的第 个、第 个数据;
步骤3.4、建立灰微分方程:
(4);
其中, 、 为不同的待定参数;
步骤3.5、相应的白化微分方程为: (5);
其中,为周期序号;
定义参数列:
(6);
(7);
(8);
其中, 为待定参数构建的行列式; 为转置; 为由紧邻均值构建的矩阵; 为由原始数据构成的矩阵;
将 和 代入公式(6)求解得到待定参数 、 的估计值;
步骤3.6、求解灰微分方程和白微分方程,得到累加后时间响应序列集合;
(9);
其中, 、 、 分别为对 、 、的预测值; 为一次累加时间序列数据集合中的第 个数据;
为自然常数;
步骤3.7、进行累减还原得到预测值:(10);
其中, 为GM(1,1)模型预测序列中的第 个预测值;
GM(1,1)模型预测序列为 ; 为GM(1,1)模型预测序列中的第 个预测值。
5.根据权利要求4所述基于组合模型与动态协同权重分配的煤矿涌水量预测方法,其特征在于,所述步骤4的具体过程为:步骤4.1、初始化时间衰减因子、误差敏感系数和调节因子,并定义预测误差计算公式为: (11);
其中, 为模型 第 周期的预测误差; 为模型 第 周期的均方误差根;
步骤4.2、计算权重分子:
(12);
其中, 为模型 的权重分子;为调节因子;为误差敏感系数; 为模型第 周期的预测误差; 为模型 第 周期的预测误差; 为时间衰减因子;
步骤4.3、计算归一化系数:
(13);
其中, 为归一化系数; 为ARIMA模型的权重分子; 为GM(1,1)模型的权重分子;
步骤4.4、为两种模型分配权重: (14);
(15);
其中, 为ARIMA模型第 周期的权重; 为GM(1,1)模型第 周期的权重;
步骤4.5、将两种模型的预测结果加权合并,构建ARIMA‑GM组合模型进行矿井涌水量预测: (16);
其中, 为组合模型对矿井涌水量的预测值;
步骤4.6、进行动态参数优化;具体为根据预测误差动态调整参数:若当前周期ARIMA模型和GM(1,1)模型的预测误差之和高于预先设置的阈值,则增加 ,具体增加数值根据实际情况调整;
若环境稳定性高,则降低 ,具体降低数值根据实际情况调整;环境稳定性高的具体表现为:涌水量数据波动小且无明显趋势变化,同时预测误差长期保持低水平且波动小;
步骤4.7、异常处理;当归一化系数趋近于零时,为异常情况,重置ARIMA模型的权重和GM(1,1)模型的权重 均为默认值0.5。