一种基于跨部门历史信息的区域多部门需水量预测方法及系统

本发明涉及水资源管理，具体涉及一种基于跨部门历史信息的区域多部门需水量预测方法及系统。

背景技术：

1、区域水资源配置、供需平衡分析、旱情预案制定和水网调度方案编制通常需要可靠的需水量预测结果作为基础。随着气候变化、城镇化推进、产业结构调整、粮食安全要求和生态修复目标的共同作用，区域需水量不再仅表现为单一总量变化，而是呈现出生活、农业、工业、能源相关用水和生态环境用水等多部门共同演化的结构性特征。现有需水量预测方法多以总需水量或单一用水部门为预测对象，常采用趋势外推、季节分解、统计回归、机器学习或深度学习等方法进行预测。上述方法能够在一定程度上表征目标需水序列自身的变化规律，但在服务区域水资源配置和水网调度时仍存在不足，不同部门通常被独立建模后再汇总，忽略了多部门需水在历史上受共同经济活动、农业生产、产业结构、土地利用、生态治理和用水政策影响所形成的联动关系。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于跨部门历史信息的区域多部门需水量预测方法，通过引入其他部门滞后需水特征、区域滞后总需水特征和部门滞后需水占比特征，刻画多部门需水之间的历史联动关系，提高区域多部门需水量预测精度。

2、技术方案：本发明所述一种基于跨部门历史信息的区域多部门需水量预测方法，包括以下步骤：

3、根据目标区域的水资源管理目标确定目标部门、预测尺度和预测时段；获取与预测尺度一致的目标区域的历史需水量，以及外部驱动数据；按照所述预测尺度，根据目标区域、目标部门和预测时段确定基本预测单元；

4、针对基本预测单元，根据预测时段之前的目标区域的历史需水量，以及外部驱动数据，构建目标部门自身历史需水特征、外部驱动特征和跨部门历史信息特征；

5、针对每一种预测尺度，将所述目标部门自身历史需水特征、外部驱动特征和跨部门历史信息特征与基本预测单元对应的历史需水量进行组合，形成历史样本；将所述历史样本划分为训练样本集和验证样本集；采用所述训练样本集分别建立跨部门需水预测模型和独立需水预测模型；

6、采用所述验证样本集，分别计算跨部门需水预测模型和独立需水预测模型对同一目标区域内的目标部门的验证误差，并根据所述验证误差进行验证门控选择，确定各目标区域内的目标部门对应的目标需水预测模型；采用所述目标需水预测模型生成相应基本预测单元的最终需水预测值。

7、进一步的，所述目标部门自身历史需水特征包括时间趋势特征、目标部门滞后需水量、滞后滚动均值、滞后滚动最大值、滞后滚动最小值和滞后滚动标准差中的至少一种；所述外部驱动特征包括人口规模类特征、经济发展类特征、产业结构类特征、农业生产类特征和生态治理类特征中的至少一种。

8、进一步的，所述时间趋势特征为预测时段减去历史需水量对应的起始时段加一；所述目标部门滞后需水量为目标部门在预测时段之前、与当前预测尺度一致的一个或多个历史时段的需水量；所述滞后滚动均值为目标部门在预测时段之前连续多个目标区域历史需水量的平均值；所述滞后滚动最大值为目标部门在滚动时间窗口内历史需水量的最大值；所述滞后滚动最小值为目标部门在滚动时间窗口内历史需水量的最小值；所述滞后滚动标准差为目标部门在滚动时间窗口内历史需水量相对于滞后滚动均值的离散程度；

9、所述人口规模类特征包括人口规模，所述经济发展类特征包括地区生产总值和工业增加值，所述产业结构类特征包括产业结构，所述农业生产类特征包括农业产值、粮食播种面积、耕地面积和农业生产水平，所述生态治理类特征包括生态治理强度。

10、进一步的，所述跨部门历史信息特征包括其他部门滞后需水特征、区域滞后总需水特征和各需水部门滞后需水占比特征中的至少一种；所述其他部门滞后需水特征由同一区域内除目标部门以外的其他需水部门在预测时段之前一个或多个历史时段的需水量构成；区域滞后总需水特征为同一区域内全部需水部门在相应历史时段的需水量之和；所述各需水部门滞后需水占比特征为各需水部门在相应历史时段的需水量与该历史时段区域总需水量的比值。

11、进一步的，所述跨部门需水预测模型和独立需水预测模型采用相同类型的回归预测模型建立，所述回归预测模型包括线性回归模型、支持向量回归模型、随机森林回归模型、梯度提升回归模型、极端梯度提升模型、神经网络回归模型和时间序列回归模型中的一种；所述跨部门需水预测模型以目标部门自身历史需水特征、外部驱动特征和跨部门历史信息特征为输入，所述独立需水预测模型以目标部门自身历史需水特征和外部驱动特征为输入，跨部门需水预测模型和独立需水预测模型均以基本预测单元对应的历史需水量作为训练目标值，输出所述基本预测单元的需水预测值。

12、进一步的，所述根据所述验证误差进行验证门控选择包括：当所述跨部门需水预测模型的验证误差小于所述独立需水预测模型的验证误差时，选择所述跨部门需水预测模型作为目标部门对应的目标需水预测模型；当所述跨部门需水预测模型的验证误差大于或者等于所述独立需水预测模型的验证误差时，选择所述独立需水预测模型作为目标部门对应的目标需水预测模型。

13、基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于跨部门历史信息的区域多部门需水量预测系统，包括：

14、数据获取单元，用于根据目标区域的水资源管理目标确定目标部门、预测尺度和预测时段；获取与预测尺度一致的目标区域的历史需水量，以及外部驱动数据；按照所述预测尺度，根据目标区域、目标部门和预测时段确定基本预测单元；

15、特征构建单元，用于针对基本预测单元，根据预测时段之前的目标区域的历史需水量，以及外部驱动数据，构建目标部门自身历史需水特征、外部驱动特征和跨部门历史信息特征；

16、模型构建单元，用于针对每一种预测尺度，将所述目标部门自身历史需水特征、外部驱动特征和跨部门历史信息特征与基本预测单元对应的历史需水量进行组合，形成历史样本；将所述历史样本划分为训练样本集和验证样本集；采用所述训练样本集分别建立跨部门需水预测模型和独立需水预测模型；

17、模型选择及预测单元，用于采用所述验证样本集，分别计算跨部门需水预测模型和独立需水预测模型对同一目标区域内的目标部门的验证误差，并根据所述验证误差进行验证门控选择，确定各目标区域内的目标部门对应的目标需水预测模型；采用所述目标需水预测模型生成相应基本预测单元的最终需水预测值。

18、基于相同的发明构思，本发明还提供一种电子设备，包括：

19、存储器，用于存储计算机程序；

20、处理器，用于执行所述计算机程序，以实现所述的基于跨部门历史信息的区域多部门需水量预测方法。

21、基于相同的发明构思，本发明还提供一种非易失性存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于跨部门历史信息的区域多部门需水量预测方法。

22、基于相同的发明构思，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的基于跨部门历史信息的区域多部门需水量预测方法。

23、有益效果：与现有技术相比，本发明的显著技术效果为：（1）本发明将多部门需水之间的历史联动关系转化为其他部门滞后需水特征、区域滞后总需水特征和滞后部门需水占比特征等可计算特征，改善了各需水部门独立预测时跨部门历史信息利用不足的问题；（2）本发明以目标区域、目标部门和预测时段共同确定基本预测单元，为区域多部门需水分析及后续水资源管理提供结构化预测结果；（3）本发明采用以回归预测模型为基础的跨部门需水预测模型，能够利用结构化特征中的非线性关系和交互关系，提高区域多部门需水量预测的准确性和适用性；（4）本发明通过验证门控机制，采用相同的误差评价指标比较跨部门需水预测模型和独立需水预测模型针对同一区域内的目标部门组合的验证误差，并据此选择相应的预测模型；当跨部门历史信息不能降低验证误差时，选择独立需水预测模型，从而避免无效跨部门历史信息对预测结果造成干扰，提高区域多部门需水量预测的准确性和稳定性。