基于隨機(jī)森林算法的負(fù)載預(yù)警研究及并行化

王 誠，唐振坤

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引 言

在如今大數(shù)據(jù)的環(huán)境和背景下，如何從海量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中提取出精準(zhǔn)有效的負(fù)載預(yù)測相關(guān)數(shù)據(jù)，使得負(fù)載預(yù)測工作更為準(zhǔn)確、實(shí)時，從而保障通信系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定性是當(dāng)前的研究重點(diǎn)[1-2]。

在設(shè)備故障預(yù)測領(lǐng)域，國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，成果顯著。例如：通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+電力系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)測和安全評估；利用專家經(jīng)驗(yàn)參考系統(tǒng)對變電站的故障進(jìn)行診斷；對智能輸變電站中故障發(fā)生的動態(tài)過程，通過Petri網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述分析等；以及諸多基于數(shù)理統(tǒng)計概率的方法來建立模型，從而預(yù)測故障(如蒙特卡洛仿真法)。

現(xiàn)有的負(fù)載預(yù)測方法主要分為傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法和人工智能預(yù)測方法兩大類。傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)方法包括回歸分析法[3]、時間序列法[4]、灰色模型法[5]等，統(tǒng)計學(xué)預(yù)測方法形式簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但是只能處理含有少量屬性的樣本，對樣本數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性要求較高，且預(yù)測精度較低。而隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，以機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的人工智能預(yù)測方法也隨之興起。典型方法如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)[6]和支持向量機(jī)(SVM)[7]。

憑借神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)強(qiáng)大的映射能力，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已有很多類型(如BP網(wǎng)絡(luò)、RBF網(wǎng)絡(luò)等)被廣泛應(yīng)用于負(fù)載預(yù)測工作中。在負(fù)荷預(yù)測中，它能很好地反映歷史數(shù)據(jù)的輸入與輸出之間的關(guān)系，但是也具有預(yù)測模型泛化誤差較大，且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層選取難以確定等缺點(diǎn)。作為新興的智能算法，SVM有很多優(yōu)越的性能，也克服了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢、局部極小點(diǎn)等問題，但它也存在核參數(shù)和懲罰系數(shù)難以確定的缺陷。且這些模型和理論在面對準(zhǔn)確性較高的小數(shù)據(jù)集時，能較好地在單機(jī)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，可是在面對高維度的大數(shù)據(jù)集時，就難以滿足負(fù)載預(yù)測高精度、實(shí)時性的要求。

該文提出一種基于隨機(jī)森林算法的負(fù)載預(yù)警[8]方法，并在具體實(shí)現(xiàn)上引入Spark平臺以達(dá)到并行化的改進(jìn)。通過引入公開的分布式數(shù)據(jù)集，在實(shí)驗(yàn)室搭建的分布式集群上進(jìn)行訓(xùn)練和測試，將集群預(yù)測的結(jié)果和單機(jī)模型預(yù)測結(jié)果加以比較，并逐步擴(kuò)大數(shù)據(jù)集，以驗(yàn)證模型的預(yù)測能力。

1 理論背景

1.1 隨機(jī)森林算法

美國科學(xué)院院士Leo Breiman綜合了Bagging集成、CART決策樹以及貝爾實(shí)驗(yàn)室的Tin Kam Ho等人提出的特征隨機(jī)選取思想，于2001年提出了隨機(jī)森林算法[9]。Breiman給出了與隨機(jī)森林相關(guān)的一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)與證明，該文可以被看作是隨機(jī)森林方法的經(jīng)典闡述。隨機(jī)森林作為一種集成算法，改變了以往分類器過擬合的問題，參數(shù)很少也使其非常容易操作，同時隨機(jī)森林也具有計算變量重要性的能力和分析所有數(shù)據(jù)之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系的能力。隨機(jī)森林算法的基本原理為：

(1)對于一個大小為N的數(shù)據(jù)集，假設(shè)隨機(jī)森林算法有k個數(shù)目，隨機(jī)森林中的每棵樹都需要從上述數(shù)據(jù)集N中通過隨機(jī)有放回的方式抽樣k個數(shù)據(jù)以作為訓(xùn)練集N0的樣本。這種方式就是Bootstrap Sample抽樣法。

(2)記每一個輸入的數(shù)據(jù)特征維度為M，設(shè)一個常數(shù)m(要求m

(3)重復(fù)執(zhí)行第2步，直到生成K棵決策樹，從而組合成隨機(jī)森林。

需要注意的是，第1步中的抽樣過程必須滿足隨機(jī)且有放回的條件,從而保證每棵樹的訓(xùn)練集是隨機(jī)且有交集的，在這個前提條件下，每棵樹的訓(xùn)練結(jié)果對最終結(jié)果才是有效的。而第3步中做不剪枝操作,是為了增加決策樹構(gòu)建的隨機(jī)性，加快決策樹的生成。

1.2 Spark計算框架

Spark[10-11]是一款基于內(nèi)存的并行分布式計算框架，相較于傳統(tǒng)的MapReduce基于磁盤進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計算框架，Spark將每一輪的輸出結(jié)果都緩存在內(nèi)存中，避免從HDFS中多次讀取數(shù)據(jù)導(dǎo)致的冗余資源開銷，更適合需要多次迭代的算法。

Spark的基本運(yùn)行流程是：

(1)Spark在驅(qū)動節(jié)點(diǎn)Driver端運(yùn)行主函數(shù)并創(chuàng)建SparkContext以構(gòu)建Spark Application的運(yùn)行環(huán)境，創(chuàng)建完成后的SparkContext向資源管理器Cluster Manager申請所需要的CPU、內(nèi)存等資源并申請運(yùn)行多個執(zhí)行節(jié)點(diǎn)Executor，Cluster Manager分配并啟動各個Executor。

(2)SparkContext構(gòu)建有向無環(huán)圖DAG以反映彈性分布式數(shù)據(jù)集RDD之間的依賴關(guān)系，并將其分解成任務(wù)集TaskSet發(fā)送給有向無環(huán)圖調(diào)度器TaskScheduler。

(3)各Executor向SparkContext申請Task，TaskScheduler將Task分發(fā)給各個Executor，同時SparkContext將打好的程序Jar包發(fā)送給各個Executor，各Executor執(zhí)行結(jié)束后將結(jié)果收集給Driver端，最終釋放資源。

2 并行化實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

初始數(shù)據(jù)集的預(yù)處理過程是數(shù)據(jù)挖掘和分析當(dāng)中非常重要的一步。電力系統(tǒng)負(fù)荷對數(shù)據(jù)集主要是設(shè)備運(yùn)行時的一系列模擬量數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)工作頻率，A、B、C三相的相電壓，線電壓，電流，有功功率等。交流電系統(tǒng)中數(shù)據(jù)種類繁多，體量龐大，易產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。除此之外，在系統(tǒng)的工作過程中，由于監(jiān)測設(shè)備自身測量精度不足、通信過程中數(shù)據(jù)丟失以及運(yùn)維人員的誤操作(如拉閘斷電)等主觀或客觀因素的影響，會造成數(shù)據(jù)的缺失或異常。這部分?jǐn)?shù)據(jù)參考價值較低，如果將它們也納入預(yù)測體系會對權(quán)重產(chǎn)生較大影響，從而導(dǎo)致預(yù)測精度的下降。

(1)異常值平滑。

如上文描述，由于環(huán)境或采集系統(tǒng)自身原因的影響，會有一部分?jǐn)?shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)有明顯的差異，這些異常數(shù)據(jù)會對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集產(chǎn)生負(fù)面影響，使數(shù)據(jù)集的噪聲增大，從而使預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此，需要對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。一種最簡單的處理方法就是直接舍棄異常值，但這樣會使數(shù)據(jù)產(chǎn)生不連貫性，因此考慮利用相近時間的正常數(shù)據(jù)作為權(quán)重進(jìn)行平滑處理，見公式(1)：

x(n,t)=w1x(n1,t)+w2x(n2,t)

(1)

其中，x(n,t)表示第n天t時刻相應(yīng)的特征指標(biāo)，w1x(n1,t)表示第n-1天t時刻對應(yīng)的特征指標(biāo)，w2x(n2,t)表示第n+1天t時刻對應(yīng)的特征指標(biāo),這種方式綜合考慮了異常值附近數(shù)據(jù)的特征指標(biāo)，對異常值進(jìn)行了合理的平滑。

(2)特征歸一化。

不同的特征參數(shù)的取值范圍、單位等差異較大，取值范圍較大的參數(shù)可能對取值范圍較小的參數(shù)產(chǎn)生特征覆蓋。因此，有必要對各特征參數(shù)做歸一化處理，如公式(2)所示：

(2)

2.2 模型構(gòu)建

(1)生成RDD數(shù)據(jù)集。

利用Context中的parallelize()函數(shù)，將預(yù)處理后的相關(guān)數(shù)據(jù)生成RDD數(shù)據(jù)集。

(2)生成決策樹。

生成決策樹[12]是整個并行隨機(jī)森林算法的關(guān)鍵,該文采用經(jīng)典Bagging算法對RDD數(shù)據(jù)集有放回地進(jìn)行抽樣，形成k個大小一致的樣本集yi(i=1,2，…，k)。有放回地抽取說明這k個樣本集是等價的，對原始數(shù)據(jù)的特征做了均等的保留，這是并行化計算的前提。

從M個輸入特征中隨機(jī)選擇m個特征[13](m≤M)作為決策樹當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的分裂屬性集，對m個屬性測評，如比較屬性的Gini指數(shù)(如公式(3)計算)，從中選擇最優(yōu)分裂特征和切分點(diǎn)，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集分配到兩個子節(jié)點(diǎn)中去。如此遞歸地形成決策樹，k個決策樹的形成將調(diào)用Spark進(jìn)行并行往復(fù)的迭代計算，為隨機(jī)森林模型做準(zhǔn)備。

Gini指數(shù)計算：

(3)

(3)生成隨機(jī)森林模型。

將所有決策樹[12]的結(jié)果整合起來，得出整個森林的結(jié)果。該文將隨機(jī)森林用作回歸，即將每個決策樹的預(yù)測結(jié)果求和取均值，這個過程由最后一個RDD來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集選取某機(jī)房UPS部分歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)圖，監(jiān)測主要指標(biāo)作為樣本屬性，如表1所示。選取多組容量不同的樣本(由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，將原始數(shù)據(jù)人為擴(kuò)大)，如表2所示。檢驗(yàn)隨著數(shù)據(jù)量的增大，各方法的預(yù)測精度是否會受影響。

表1 數(shù)據(jù)集樣本屬性

表2 數(shù)據(jù)集樣本容量

3.2 集群搭建

實(shí)驗(yàn)環(huán)境是基于Spark平臺的分布式計算集群，采用一臺服務(wù)器作為driver，四臺服務(wù)器作為worker。每個節(jié)點(diǎn)的driver核數(shù)為雙核，內(nèi)存為16 G，硬盤為500 G;worker核數(shù)為單核，內(nèi)存為8 G，硬盤為200 G，Java版本為1.8.0，Scala版本為2.11.0，

3.3 集群搭建

使用表2中的數(shù)據(jù)集，選取典型單機(jī)負(fù)載預(yù)測算法支持向量機(jī)回歸(support vector machine，SVR)算法、分類回歸決策樹(classification and regression tree，CART)算法進(jìn)行對比。使用基尼指數(shù)最小化準(zhǔn)則進(jìn)行特征選擇，最小基尼指數(shù)值設(shè)為0.01，決策樹在生長過程中不進(jìn)行剪枝。在構(gòu)建原始隨機(jī)森林時，設(shè)定樹的個數(shù)為50,采用簡單多數(shù)投票法預(yù)測結(jié)果[14-15]。采用ROC曲線下的面積AUC指標(biāo)來評價算法預(yù)測精確度,AUC值的范圍為[0,1]，其值越接近1則說明算法的預(yù)測效果越好。同時，對單機(jī)環(huán)境和并行化環(huán)境下的運(yùn)行時間進(jìn)行對比，從而判斷并行化計算是否有利于加快預(yù)測速度。

從表3可知，提出的并行隨機(jī)森林算法比CART和SVR具有更高的預(yù)測精度。這是由于算法通過 Bagging將若干個決策樹組合在一起，具備決策樹的優(yōu)點(diǎn)，同時弱化其缺點(diǎn)，并且對于數(shù)據(jù)做了預(yù)處理工作，降低了離群數(shù)據(jù)對于群體的干擾，保障了算法的魯棒性。此外，從表中可以看出，在數(shù)據(jù)集較小時，基于分布式集群的負(fù)荷預(yù)測方法運(yùn)行時間沒有優(yōu)勢，甚至要耗費(fèi)比單機(jī)預(yù)測算法更長的時間。這是因?yàn)榉植际郊旱娜蝿?wù)分配與調(diào)度需要消耗一定時間。為檢測并行化在大規(guī)模數(shù)據(jù)量下對算法性能的提升，將數(shù)據(jù)集進(jìn)一步擴(kuò)大，以數(shù)據(jù)集容量為變量，測試運(yùn)行時間，并在單機(jī)環(huán)境和并行集群環(huán)境下進(jìn)行對比。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對比可以看出，隨著數(shù)據(jù)規(guī)模達(dá)到一定程度，單機(jī)環(huán)境下的運(yùn)行時間明顯增加，而并行化環(huán)境下運(yùn)行時間增長基本保持穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

在總結(jié)傳統(tǒng)單機(jī)電力負(fù)荷預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合對Spark分布式計算框架的研究，實(shí)現(xiàn)了對Spark平臺下的隨機(jī)森林回歸算法的并行化，進(jìn)而借助它對電力負(fù)載做出預(yù)測，從而為負(fù)載預(yù)警提供依據(jù)和支撐，對當(dāng)前電力大數(shù)據(jù)背景下對高精度、高準(zhǔn)確的負(fù)載預(yù)測的需求提供了一定的幫助。下一步計劃將該方法在實(shí)際的數(shù)據(jù)機(jī)房中進(jìn)行驗(yàn)證，探索其實(shí)際應(yīng)用價值。