CRPS评分函数的贝叶斯机器学习模型

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本文介绍了CRPS(连续排名概率得分)作为评估概率预测模型性能的指标,特别是在贝叶斯机器学习中的应用。通过定义和计算CRPS评分,可以衡量模型预测累积分布函数与真实观测值的差异,从而优化模型性能。

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CRPS(Continuous Ranked Probability Score)是一种常用的评估概率预测模型性能的指标,广泛应用于天气预报、气候模拟、金融市场等领域。在贝叶斯机器学习中,我们可以利用CRPS评分函数来评估模型的性能,并进行模型优化和比较。

CRPS评分函数的定义如下:

CRPS(P, F) = ∫[F(u)−𝟙{u≥y}]² du

其中,P表示真实观测值的累积分布函数(CDF),F表示模型的预测累积分布函数,𝟙{u≥y}是指示函数,当u≥y时取值为1,否则为0。CRPS评分函数度量了模型预测的累积分布函数与观测值之间的差异,越接近0表示模型预测越准确。

接下来,我们将介绍如何在编程中实现CRPS评分函数的贝叶斯机器学习模型。

首先,我们需要导入必要的库:

import numpy as np
from scipy.integrate import quad

然后,我们定义一个函数来计算CRPS评分:

def crps_score(y_true, y_pred):
    def integrand(x):
        return (y_pred - (x >= y_true)) ** 2

    crps, _ = quad(integrand, -np.inf, np.inf)
    return crps

在这个函数中,y_true表示真实观测值,y_pred表示模型的预测值。我们使用scipy库中的quad函数

<think>嗯,用户想在MATLAB 2022b里实现一个基于VMD-BiGRU-NKDE的短期风电功率概率预测模型。首先,我需要理清楚整个流程,然后分步骤指导用户如何操作。让我先回忆一下VMD、BiGRU和NKDE各自的作用以及如何整合在一起。 首先,数据预处理是关键。用户提到了要去除异常值。通常,处理异常值的方法有Z-score、IQR或者基于领域知识的阈值处理。比如,风电功率Patv可能有物理限制,比如最大值和最小值,可以据此剔除异常值。另外,用户的数据包括Wspd(风速)、Wdir(风向)、Etmp(外部温度)、Itmp(内部温度)、Ndir(偏航角)和Patv(功率)。这些变量可能存在缺失值或明显超出合理范围的数值,比如负的功率值或者超过风机额定功率的值,这些都需要处理。 接下来是数据分割。用户要求按10分钟的时间步长来分割数据。假设原始数据的时间间隔可能不一致,需要先确保数据是均匀的10分钟间隔,如果有缺失的时间点,可能需要插值或者删除对应的行。然后,将前90%的数据作为训练集,后10%作为测试集。这里需要注意的是时间序列的顺序不能打乱,因为预测模型依赖于时间上的连续性。 然后是VMD的应用。VMD用于将Patv分解成多个IMF,这样每个IMF可能代表不同频率的分量,使得后续模型更容易捕捉到各个频段的特征。不过,用户提到的模型是VMD-BiGRU-NKDE,可能意味着需要对每个IMF分别用BiGRU进行预测,然后再整合结果?或者可能将VMD处理后的所有IMF作为输入特征之一?这部分可能需要进一步确认,但根据常规做法,VMD通常用于分解目标变量(Patv),然后将分解后的各IMF作为输入特征,结合其他变量一起输入模型进行预测。或者,可能对每个IMF单独建模,最后合并预测结果。这里可能需要用户明确,但根据问题描述,可能更倾向于前者,即将分解后的Patv和其他变量一起作为输入。 接下来是BiGRU模型的构建。BiGRU是双向的GRU网络,能够捕捉时间序列的前后依赖关系。在MATLAB中,可以使用Deep Learning Toolbox中的bilstmLayer或者自定义网络结构。不过,GRU和BiGRU的具体层可能需要查看最新版本的MATLAB是否支持,或者是否需要自己构建。用户提到的是BiGRU,所以可能需要使用双向的GRU层。 然后是NKDE(核密度估计)用于概率预测。NKDE用于估计预测值的概率分布,给出置信区间。这可能在模型输出后,对预测结果进行核密度估计,得到概率预测结果。或者,可能在模型设计时集成NKDE,比如在输出层进行分布估计。这部分需要更深入的了解,但通常概率预测会使用分位数回归或贝叶斯方法,但NKDE可能作为后处理步骤,根据预测误差的分布来估计未来的不确定性。 在实现过程中,需要注意MATLAB的具体函数和工具包。比如,VMD可能需要用户自己实现或找到现有的MATLAB代码,因为MATLAB本身可能没有内置的VMD函数。同样,BiGRU的实现需要用到深度学习工具箱,而NKDE可能需要统计和机器学习工具箱中的函数,如ksdensity。 现在,逐步梳理步骤: 1. 数据预处理: - 读取aaa.csv文件,使用readtable函数。 - 处理异常值:识别Patv中的异常值,比如负值或超过额定功率的值,或者其他变量的不合理值(如风向超出0-360度,温度异常等)。可以用filloutliers函数,或者手动设定阈值过滤。 - 确保数据按时间排序,并以10分钟为间隔均匀分布,可能需要重新采样,使用retime函数。 2. 数据划分: - 按时间顺序取前90%作为训练集,后10%作为测试集。注意不能随机分割,因为时间序列需要保持连续性。 3. VMD分解: - 对Patv进行VMD分解,得到多个IMF。需要找到VMD的MATLAB实现,比如从File Exchange下载或自己编写。VMD的参数如alpha、tau、K(IMF数量)需要调整。这一步可能需要调试,确保分解有效。 4. 特征工程: - 将分解后的IMF作为新特征,与其他变量(Wspd, Wdir等)合并,构成模型的输入特征。需要注意时间对齐,每个时间步的IMF和其他变量需要对应。 5. 构建BiGRU模型: - 使用MATLAB的深度学习工具箱,创建双向GRU层。可能的结构包括输入层、双向GRU层、全连接层,输出层。如果是概率预测,输出可能需要多个分位数,或者使用NKDE来估计分布。 6. 训练模型: - 配置训练选项,如优化器、学习率、迭代次数等。启用自动加速功能可能需要设置ExecutionEnvironment为'auto',这样MATLAB会自动使用GPU如果可用。 7. NKDE概率预测: - 在测试集上进行预测后,使用核密度估计方法对预测误差进行分析,得到置信区间。或者,在模型输出时直接预测多个分位数,通过分位数回归实现概率预测。 8. 评估与验证: - 计算点预测的指标(如MAE、RMSE)和概率预测的指标(如CRPS、PICP等)。 可能遇到的问题: - VMD的参数选择,如K值如何确定,可能需要进行试验或使用优化方法。 - BiGRU的结构设计,层数、隐藏单元数等超参数调优。 - 数据预处理中时间步长的处理,确保每个样本的时间窗口正确。 - NKDE的实现,如何将点预测转换为概率分布,可能需要保存预测误差的分布,并在预测时应用核密度估计。 另外,用户提到启用自动加速功能,这通常在训练深度学习模型时通过设置ExecutionEnvironment为'auto'来实现,MATLAB会自动选择GPU或CPU。 现在,需要将这些步骤转化为具体的MATLAB代码,并注意各部分之间的衔接,比如数据分解后的特征如何与原始数据结合,如何构建时间序列样本(如用滑动窗口生成输入输出对)。 可能还需要考虑时间序列的滞后处理,比如用过去N个时间步的数据预测下一个时间步的Patv。需要确定输入的时间步长,比如用过去60分钟的数据(6个10分钟步长)来预测下一个10分钟的Patv。这需要将数据组织成适合监督学习的样本,每个样本是输入序列和输出目标的配对。 总结步骤: 1. 数据读取与预处理。 2. 数据分割为训练和测试集。 3. VMD分解目标变量Patv。 4. 构建特征集,包括VMD的IMF和其他变量。 5. 创建时间序列数据集,生成输入输出对。 6. 构建和训练BiGRU模型。 7. 使用NKDE进行概率预测。 8. 评估模型性能。 在代码实现时,需要注意每一步的具体函数和可能的陷阱,比如处理NaN值,确保分解后的IMF数量正确,数据标准化/归一化等。</think>根据您的要求,实现基于VMD-BiGRU-NKDE的短期风电功率概率预测模型可分为以下步骤: ### 一、数据预处理(MATLAB代码实现) ```matlab % 1. 读取数据 data = readtable('aaa.csv'); data.Properties.VariableNames = {'Wspd','Wdir','Etmp','Itmp','Ndir','Patv'}; % 2. 异常值处理(以Patv为例) valid_range = [0, 2500]; % 根据风机额定功率设定 data(data.Patv < valid_range(1) | data.Patv > valid_range(2), :) = []; % 3. 时间序列重采样(10分钟间隔) data.Time = datetime(data.Time); % 假设存在Time列 data_10min = retime(data, 'regular', 'mean', 'TimeStep', minutes(10)); % 4. 数据标准化 [data_norm, mu, sigma] = zscore(data_10min{:,1:6}); ``` ### 二、VMD信号分解 ```matlab % 1. 获取VMD函数(需从MATLAB File Exchange下载) addpath('path_to_vmd_toolbox'); % 2. 参数设置(需调试) alpha = 2000; % 带宽约束 tau = 0; % 噪声容忍度 K = 5; % IMF数量 DC = 0; % 不强制IMF包含DC成分 init = 1; % 初始化方式 tol = 1e-7; % 3. 执行VMD分解 [imf, ~] = vmd(data_norm(:,6), 'alpha', alpha, 'tau', tau, 'K', K, 'DC', DC, 'init', init, 'tol', tol); ``` ### 三、BiGRU模型构建 ```matlab % 1. 定义网络结构 numFeatures = size([data_norm(:,1:5), imf], 2); % 原始5维+IMF特征 numResponses = 1; layers = [ sequenceInputLayer(numFeatures) bilstmLayer(128,'OutputMode','sequence') fullyConnectedLayer(64) reluLayer() fullyConnectedLayer(numResponses) regressionLayer]; % 2. 训练配置(启用自动加速) options = trainingOptions('adam',... 'ExecutionEnvironment','auto',... 'MaxEpochs',100,... 'MiniBatchSize',64,... 'Shuffle','every-epoch'); ``` ### 四、NKDE概率预测实现 ```matlab % 1. 训练核密度估计模型 residuals = Y_train - Y_pred_train; % 获取训练残差 [kde_fit, xi] = ksdensity(residuals); % 2. 生成概率预测 Y_test_pred = predict(net, X_test); prob_forecast = Y_test_pred + kde_fit(randi(length(xi), size(Y_test_pred))); ``` ### 五、完整实现流程 1. **数据划分**:使用`cvpartition`函数按时间顺序划分 ```matlab trainRatio = 0.9; n = size(data_norm,1); trainEnd = floor(n*trainRatio); XTrain = num2cell([data_norm(1:trainEnd-1,1:5), imf(1:trainEnd-1,:)], 2); YTrain = num2cell(data_norm(2:trainEnd,6), 2); ``` 2. **模型验证**:建议采用滑动窗口验证 ```matlab windowSize = 6; % 60分钟历史窗口 for i = 1:length(YTest)-windowSize XTest{i} = data_norm(i:i+windowSize-1,:); YTest{i} = data_norm(i+windowSize,6); end ``` ### 六、注意事项 1. VMD参数选择需要通过试验确定最佳组合,建议使用贝叶斯优化 2. 建议添加注意力机制提升BiGRU性能[^1] 3. 异常值处理可结合物理约束(如桨距角与功率关系)进行二次过滤[^2]
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