改進(jìn)蟻群算法與BP網(wǎng)絡(luò)融合預(yù)測鉛酸蓄電池SOC

薛萍　宋巖亮

摘要：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式記憶、處理信息，具有很高的智能性，近些年來，被廣泛應(yīng)用在太陽能用鉛酸蓄電池剩余電量預(yù)測的研究中，但是，收斂速度慢、對初值敏感以及較易陷于局部極小值等是單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法難以解決的缺點(diǎn)，針對該問題，將蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相融合，先采用改進(jìn)的蟻群算法將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值參數(shù)進(jìn)行全局訓(xùn)練，然后，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)一步進(jìn)行局部學(xué)習(xí)，從而獲得最優(yōu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值.最后，通過MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本課題所采用的改進(jìn)蟻群與BP網(wǎng)絡(luò)融合算法能明顯改善BP網(wǎng)絡(luò)的收斂速度以及預(yù)測精度，能準(zhǔn)確地預(yù)測出太陽能蓄電池SOC。

關(guān)鍵詞：太陽能鉛酸蓄電池sOc；改進(jìn)蟻群算法；蟻群與BP網(wǎng)絡(luò)融合

DoI：10.15938/j.jhust.2016.05.018

中圖分類號：TK02

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）05-0095-05

0.引言

太陽能路燈系統(tǒng)中，光伏電池利用光生伏打效應(yīng)原理產(chǎn)生電能.白天，光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能存人蓄電池；晚上，蓄電池為太陽能路燈提供電能，太陽能道路照明系統(tǒng)由光伏電池、太陽能用鉛酸蓄電池、控制器和LED路燈等組成.鉛酸蓄電池是太陽能照明系統(tǒng)非常重要的組成部分，但是，相對其他組成部分來說，鉛酸蓄電池成本高昂、壽命偏短，因此，對蓄電池進(jìn)行科學(xué)管理是必不可少的一部分，要提高蓄電池壽命，準(zhǔn)確預(yù)測蓄電池剩余電量是基本前提之一，蓄電池剩余電量（state of charge，SOC），代表電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量比值，常用百分?jǐn)?shù)表示，目前，安時積分法廣泛應(yīng)用在蓄電池剩余電量在線預(yù)測中，但是，安時法存在需要精確計算充放電效率以及測量工具的不精確容易產(chǎn)生累積誤差等問題，因此，人們在不斷探索采用新的方法來精確預(yù)測蓄電池SOC，近十年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其高智能性得到人們廣泛青睞并將該技術(shù)應(yīng)用在鉛酸蓄電池SOC的預(yù)測中，雖然該方法與傳統(tǒng)預(yù)測方法相比，它具有非線性、聯(lián)想記憶、學(xué)習(xí)和自適應(yīng)性等重要特征和性質(zhì)，但是，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有收斂速度慢，對初值設(shè)置敏感，容易陷入局部極小值等缺陷和不足，為了克服BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的上述不足，本文對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測蓄電池SOC進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將改進(jìn)的蟻群算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，先采用改進(jìn)蟻群算法將權(quán)值范圍縮小至最優(yōu)值周圍，然后再采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，獲得最優(yōu)權(quán)值，最后，建立蓄電池SOC預(yù)測仿真模型，驗(yàn)證改進(jìn)的蟻群算法與BP網(wǎng)絡(luò)融合來預(yù)測蓄電池SOC的有效性。

1.太陽能用蓄電池SOC常用在線預(yù)測方法概述

1.2內(nèi)阻法

研究表明，蓄電池的內(nèi)阻與SOC有直接的對應(yīng)關(guān)系，但是電池剩余容量大于50%時，蓄電池的內(nèi)阻變化不太明顯，僅在低于50%時，蓄電池內(nèi)阻才會出現(xiàn)明顯的變化.蓄電池內(nèi)阻一般在毫歐級，一般的測量難于滿足精度要求，且通用性差。

1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為一門較新的技術(shù)受到人們高度重視，與傳統(tǒng)控制技術(shù)相比，具有無法比擬的優(yōu)勢，該算法具有聯(lián)想記憶、自學(xué)習(xí)、非線性、以及一定的泛化和容錯能力，有極高的智能性，但是，不容忽視的是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法有容易陷入極小值和收斂速度慢等難以解決的問題。

本課題對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測蓄電池剩余電量進(jìn)行深入研究，采用蟻群算法容易與其他智能算法相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，將改進(jìn)的蟻群算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相融合，有效地解決了收斂速度慢，容易陷入極小值等問題。

2.改進(jìn)蟻群-BP網(wǎng)絡(luò)算法

蟻群算法（ant colony algorithm）是Marco Dorigo博士1992年提出，是一種在圖中尋找最優(yōu)路徑的概率算法。

2.1蟻群算法基本原理

螞蟻在尋找食物的過程中，會揮發(fā)出一種叫做信息素的物質(zhì)，螞蟻通過感知信息素的強(qiáng)弱進(jìn)行交流，他們就是通過這種方式達(dá)到搜尋食物的目的，螞蟻趨向于信息素強(qiáng)的路徑，若某一路徑信息素越強(qiáng)，則該路徑能吸引越多的螞蟻通過，這種現(xiàn)象稱為蟻群的正反饋現(xiàn)象。

蟻群算法對初始路徑要求不高，具有全局搜索功能，而且還較易與其他智能算法結(jié)合，但是，該算法也有一些缺陷：①解決大規(guī)模問題時，較難在可接受的循環(huán)周期內(nèi)找到最優(yōu)值；②螞蟻趨向于信息素強(qiáng)的路徑，但是，往往出現(xiàn)信息素最強(qiáng)的路徑不是最優(yōu)路徑等問題，針對以上情況我們將對蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，最大程度避免搜索時間過長，搜索進(jìn)度停滯等現(xiàn)象。

2.2蟻群算法的改進(jìn)

一般來說，一個解決方案越優(yōu)秀，越有可能在他周邊搜尋到最優(yōu)解；反之，方案越差，在他的周圍基本沒有找到最優(yōu)解可能，因此，本改進(jìn)算法的思想是增強(qiáng)較優(yōu)解，削弱較差解，使得路徑越短的邊信息素強(qiáng)度越大，越長的邊信息素強(qiáng)度越弱，從而增大較優(yōu)解與較差解之間的信息素差異，從而使螞蟻搜索路徑集中于較優(yōu)解附近。

2.3改進(jìn)蟻群算法與BP網(wǎng)絡(luò)的融合

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有m個待優(yōu)化的參數(shù)，對于每個參數(shù)Ai（1≤i≤m），將其分割為n份，從而形成一個m×n大小的集合B，設(shè)釋放螞蟻數(shù)為K，每只螞蟻按照偽隨機(jī)比例規(guī)則在集合B中分別選擇相應(yīng)的值并記錄下來，從而形成禁忌表.當(dāng)螞蟻對各個參數(shù)選擇相應(yīng)的值后，形成一次循環(huán)，然后計算各螞蟻所經(jīng)過的路徑，并評選出最優(yōu)和最差螞蟻，進(jìn)而對信息素進(jìn)行更新調(diào)節(jié)，這一過程反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到最大循環(huán)次數(shù)或者達(dá)到預(yù)期的精度要求，此時，所求結(jié)果為較優(yōu)解.將改進(jìn)蟻群算法求得的較優(yōu)解作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的初始值，然后經(jīng)過BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練找出最優(yōu)解。

改進(jìn)蟻群與BP網(wǎng)絡(luò)融合算法具體步驟如下：

步驟1）：信息初始化，包括定義信息素的定義域，初始值，設(shè)置螞蟻個數(shù)，最大迭代次數(shù)以及BP算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練誤差等等。

步驟4）：重復(fù)步驟2）、3）直到每只螞蟻生成一條路徑；

步驟5）：以BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出值和期望值的均方誤差大小進(jìn)行排序，并評出最優(yōu)和最差螞蟻。

步驟6）：對所有螞蟻按照公式（1）執(zhí)行全局信息素更新；

步驟7）：重復(fù)以上步驟，直到滿足迭代終止條件。

步驟8）：將改進(jìn)蟻群算法求出的最優(yōu)解作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值，然后，訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的期望輸出與實(shí)際輸出的誤差進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，進(jìn)一步調(diào)整權(quán)值到最優(yōu)。

步驟9）：利用測試樣本數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的精度和泛化能力經(jīng)行檢驗(yàn)，若能達(dá)到設(shè)計要求，則算法結(jié)束，否則，重新從第一步開始。

3.改進(jìn)蟻群與BP網(wǎng)絡(luò)融合算法在鉛酸蓄電池SOC預(yù)測中應(yīng)用

鉛酸蓄電池的化學(xué)特性復(fù)雜，不能經(jīng)過直接測量獲得蓄電池SOC，而蓄電池的外特性：在線電壓，放電電流和環(huán)境溫度等與剩余電量之間存在某種非線性關(guān)系，本課題，我們利用蓄電池放電過程中容易測量的數(shù)據(jù)：端電壓、放電電流、環(huán)境溫度作為改進(jìn)蟻群BP網(wǎng)絡(luò)的輸入，蓄電池SOC作為輸出，建立仿真模型，驗(yàn)證試驗(yàn)效果。

3.1改進(jìn)蟻群與BP網(wǎng)絡(luò)融合算法參數(shù)設(shè)置

蟻群算法參數(shù)設(shè)置如下：待優(yōu)化的權(quán)值變量數(shù)m=20，螞蟻數(shù)K=40，最大迭代次數(shù)100。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇一個隱含層，其節(jié)點(diǎn)數(shù)選為5，隱層以及輸出層傳遞函數(shù)皆選擇Sigmoid函數(shù)，trainlm作為訓(xùn)練函數(shù)，訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為5000，誤差0.005，其他參數(shù)默認(rèn)。

3.2樣本數(shù)據(jù)的采集

環(huán)境溫度越低，蓄電池的總?cè)萘縿t越小，從而在放電情況相同時，因溫度不同，蓄電池SOC會有所不同；放電電流的大小和在線電壓對蓄電池SOC也有特定的關(guān)系.采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)點(diǎn)是不需知道蓄電池內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)特性，僅僅通過采集蓄電池外特性和剩余電量的特定關(guān)系數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，即可達(dá)到預(yù)測蓄電池SOC的目的.本文采樣對象為：輸出電壓12V，容量54 AH鉛酸免維護(hù)蓄電池，所采集90組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，17組作為預(yù)測樣本，部分樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

3.3仿真結(jié)果及分析

3.3.1蟻群算法的改進(jìn)仿真

圖1為改進(jìn)前后蟻群算法進(jìn)化曲線.從圖中可以看出改進(jìn)后的蟻群算法收斂速度要優(yōu)于改進(jìn)前的蟻群算法，改進(jìn)后的算法誤差精度可達(dá)0.15，改進(jìn)前精度則為0.18。

3.3.2改進(jìn)蟻群與BP網(wǎng)絡(luò)融合仿真

圖2為蟻群BP網(wǎng)絡(luò)融合算法訓(xùn)練曲線，圖3為單-BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練曲線.從圖中可看出，改進(jìn)的蟻群-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法收斂速度明顯快于單-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，前者均方誤差精度可達(dá)0.0045，后者誤差精度在0.005。

3.3.3預(yù)測結(jié)果分析

表2為訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值與樣本值對比結(jié)果，圖4為網(wǎng)絡(luò)輸出值與樣本值對比數(shù)據(jù)曲線，

由網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與實(shí)際樣本值對比可知，蓄電池sOc預(yù)測值與實(shí)際值誤差不超過2.5%，該網(wǎng)絡(luò)能比較準(zhǔn)確預(yù)測太陽能用鉛酸蓄電池的剩余電量。

4.結(jié)語

本課題所采用的改進(jìn)蟻群一BP網(wǎng)絡(luò)算法加速了BP網(wǎng)絡(luò)收斂速度和減小了誤差精度，能有效預(yù)測出太陽能鉛酸蓄電池剩余電量，該方法使得均方誤差值達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)預(yù)測，并且通用性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的可操作性。