TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4624 ~ 4 6 3 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.544 4          4624     Re cei v ed  De cem ber 2 8 , 2013; Re vi sed  F ebruary 28,  2014; Accept ed March 1 6 , 2014   Forecast Model of Water Quantity Based on Back  Propagation Artificial Neural Network       Shihua Li  Schoo l of Busi ness, Jinl i ng In stitute of  T e chnol og No. 99, Hon g ji ng Aven ue, Jia ngn ing D i strict, Nanji ng 2 1 1 1 6 9   email: lis hi hua 88@ 163.com       A b st r a ct   Back Prop ag ation  (BP)  neur a l  netw o rk, W i d e ly a dopt ed a n d  util i z e d   in  au tomatic c ontro l ,  ima g e   recog n itio n, hydrol ogic a l fore casting a nd w a ter qua lity  ev alu a tion, etc., as one of the  Artificial Neur a l   Netw orks, has stronger fu ncti on a nd pr op erty of ma ppi ng,  classificati on, f unctio nal fittin g .  T h is article ta kes   the w a ter flow  of Lan z h ou s e ction  of Yell o w  river  in Chi n a as an  exa m ple by th e w a y of BP mo del  to   pred ict the w a ter qua ntity. It is  w e ll proved th at BP netw o rk  mo de l can  rea c h the purp o se s of early w a rnin g   and forec a stin g.     Ke y w ords : the  forecast mo de l, w a ter quantity,  BP, artificial neur al netw o rk , ANN      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  With  the so cial  and econ omic develo p m ent,  La nzhou se ction of  Yellow Ri ver  was  grad ually poll u ted alon g the river.  The  stru ctural ch a r acte ri stic of  indu strial poll u tion is expli c it;  the p r opo rtio n of d o me sti c  p o llution  is increa si n g  consta ntly;  area-sou r ce po llution  i s  seri ous.  These  conditi ons  give ri se  to a neg ative impact  o n  survival and dev elopme n t of Gan s u Provin ce   and the wh ol e of the Yellow River in ma sses. In orde r to decrea s e l o sse s  cau s e d  by the sudden   water poll u tion a c cide nt in lo wer reaches of  L a n z hou  se ction   of Hu ang he  River, it i s  v e ry  necessa ry to establi s h p r e d iction m odel  of "wat er am ount" and "water qu ality" of Lanzh ou re ach   of Hua ngh e River  so a s  to  respon d to e m erg e n c ie s,  ensure ecolo g ical se cu rity,  water se cu rit y It   is sig n ifica n t to built warni ng and fo re casting  sy ste m  of Lan zho u  se ction of  Yellow  River,  to   provide te chn i cal supp ort for eme r ge nt investi gatio n and ha ndling  of water poll u tion incid ents.    At prese n t, the wate r re so urces  and th e qua lity of the wate r envi r onm ent ha become  one of the pri m ary goal s of  the sustai na ble devel o p m ent of soci ety and econo m y . Therefore, in   the re se arch  proje c t of "Unified man a g e ment a nd  sche duling,  all o catio n  of th e Yellow Riv e r", it  is not only ab solutely ne ce ssary, but also very  timing to cond uct th e re sea r ch o n  "early wa rni ng  and fo re ca st  based  on th e  wate r q uantit y and  wate r q uality". Espe cially, there i s   theoreti c al  an d   pra c tical  si gni fican c e in  the  integrated  water m anag e m ent an d all o catio n , sche duling  of Yell ow  River. T o  e s t ablish  su ch  a  syste m  m o d e l, deb ug  an d succe s sfull y  ope rate  will  get  huge   so cial  benefits,  ca n  greatly stren g then th e u n i f ied man age ment  a nd pro t ection of  water re sou r ces in  the Yello Ri ver b a si n, an d avoid  di re ct and  indi r e c t  e c o n o mic los s  or   r e du c e   w a te r po llu tion .   Mean while it  will play an i nestima ble ro le in  the soci al se cu rity, the peopl e' s life and p r o perty  se curity an the rapi d de velopment of  eco nomi c  constructio n . This p a rt onl y introdu ce the  water q uantit y predictio n.      2. The Forec ast Mod e l of Wa ter Qu antit y  on the Ba sis of BP Ar tificial Neural  Net w o r k   2.1. Brief intr oduction o f   Artifici al Ne ural Ne t w o r k ANN  Artificial Neu r al Network-ANN  is  an  emer ging  int e rdi sci plina r y scien c e  rel a ted to   mathemati cs,  physi cs, brai n scie nce, p sycholo g y,  co gnitive scie nce, com pute r   sci en ce, a r tificial  intelligen ce, etc.. Study o n  predi ction  model ha s g r adu ally beco m e a very importa nt con t ent  based  on  Ne ural  Net w o r [1]. BP network-BP, a s   a  feed-fo rward  netwo rk,   po sse s ses  st ron ger  function of m appin g , cla ssi fication an d functio n  fitting, which h a ve been  widely  applie d in ma ny  fields,  su ch  a s  a u tomatic control, im age  re cog n ition, hydrolo g ical  f o re ca sting an water qualit Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fore ca st Mod e l of Water Q uantity Based  on Back  Pro pagatio n Artificial Neural…  (Shihu a Li)  4625 evaluation[2 - 6]. BP neural network, through  which  multiple varia b les  can be  effective anal yed  without cre a ting a mathem atical mo del, is a kin d  of sup e rvised m u ltilayer feed -forwa rd n e u r al  netwo rk  com posed  of inp u t layer,  hid den l a yer an d outp u t lay e r i n   whi c each laye h a a   plurality of ne uron s, a s   sho w n in  Figu re  1 [7-9 ]. It is a  topology  stru cture  of the t h ree l a yer fe ed- forwa r neu ral network, where  the first  layer i s  the in put nod es, th e se co nd i s  t he hid den l a yer  node s, and th e third layer i s  the output n ode.                     Figure 1. BP  Neu r al Netwo r k Stru ctural Dra w in g       For the i nput  sign al, it will first p r op agat forward to the hid den n o des, the n  through th action fun c tio n  transport th e output information  of the hidden no de  to the output node. Finally,  the output re sults  co uld b e  obtaine d. Action fun c tion  of node s u s ually sele ct sigmoid fun c ti on,  calle d the S functio n  (see  Figure 2):     1 () 1 x fx e , 2 () (1 ) x x e fx e                                    ( 1       Figure 2. S Type Functio n  Curve       2.2. BP Lear ning Algorithm  Assu me that  the neu ron n ode of the in put la yer, hid den laye r an d output laye r as  N1,   N2,  N3,  so th e relation ship  between  inp u t and  out p u t of BP ne ural  netwo rk is a   highly n on-li n ear  mappin g   relat i onship  and  the n e two r k is a m appin g  from N1 di men s ion a l Eu clid ean  sp ace to  the   N3 dim e n s io nal Eucli dean  spa c e. Tran sfer fun c tion  of the hidde n  layer and  ou tput layer ne uron   is S function (2):     x e x f 1 1 ) (                         ( 2 )     Suppo se  that  there i s   pa ir of  sa mple n I n T , n=1, 2…   N. Among  that,  In R N1  i s  in put  of Nth trainin g  sampl e ; T n 3 N R  is output  of Nth trainin g  samp l e . Th us the course that input  sign al wa s transporte d fro m  input laye r to output  lay e r can b e  ind i cated  by equ ation from  (3 ) to   (7):   0 0. 5 1 1. 5 -6 -5 - 4 - 3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 x f( x) ……   ……   ……   P P P O 1 O 2 O u 11 u 12 u 1 N   u 21 u 22 u 2 N   u N u N u NN   v 11  v 12  v 1 M v 21  v 22  v 2 M v N v N 21 v NM First lay e r   Second lay e r   Third la yer   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4624 – 4 630   4626 pi i I net                                          ( 3 )     pi i ni I net O                                      ( 4 )     1 1 N i j ni ji j O W net                            (5)     ) ( j nj net f O                                                                              (6)    2 1 N i k ni kj k O W net                                                          (7)    ) ( k nk net f O                                                               (8)    Among abov eq uation:   1 , 2 , 3 , ..., 1 iN 1 , 2 , 3 , ..., 2 j N 1 , 2 , 3 , ..., 3 kN . The   i ne t , j ne t , k ne t  rep r e s ent resp ectively a node  i in the input layer, the node  j  in hidden laye and node   k  in the o u tput lay e r;  j i W  and  kj W  indi cates  re spe c ti vely  con n e c tion  weight  bet wee n   two no de s (n ode  i , j  , and  k  );  j  and  k  indica tes threshold  value of no de   j  and n ode  k The  ni O , nj O , nk O  represent the outpu t produ ce d by node  i , j  , and  k  when i nput  Nth traini ng  sampl e .   Input vecto r   n I   of inp u sa mples tra n sf erred  by thre e laye rs of f eed-fo rward  netwo rk  gene rate s o u t put vector nk O T he sum of  sq uare s  0f  the error betwee n   nk O  and d e si re d outp u nk T (k =1 2 N 3)  can b e  e x presse d by:      N n N n N k nk nk n O T E E 11 3 1 2 ) ( 2 1 2 1                  (9)     As for  situati on that the  whole n e two r has  only on e output n o d e , the N3 =1,  equatio (9) cha nge to:    N n nk nk N n n O T E E 1 2 1 ) ( 2 1 2 1                                      (10)    The obj ectiv e  of netwo rk learni ng is  to achieve t he minimu m  E through  adju s ting  con n e c tion  weights i n  the  netwo rk.  O p timization  o f  the error f unctio n  is  a n  un con s trai ned   nonlin ear opt imization  pro b lem by the   way of p u tting Equatio n (3) (7) i n to (8). By usi ng  the  gradi ent meth od of optimization, as to  the hidde n laye r and outp u t layer exists:     k nk n j nn kj k k j ne t EE O Wn e t W                      ( 1 1 )     In the above formul a:       1 nk nk kn k k nk nk k pk pk nk nk O EE ne t O ne t TO f n e t TO O O                             (12 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fore ca st Mod e l of Water Q uantity Based  on Back  Pro pagatio n Artificial Neural…  (Shihu a Li)  4627 Between the i nput layer an d hidde n laye r exists:        nj j nk k ji n k k n j j ji p kp k k k j j n j nk nj nj n On e t On e t EE W O net O net W TO f n e t W f n e t O O                  ( 1 3 )     In the above formul a:        1 n nj nk nk k k j j k j nk k j j nj nj nk k j E TO f n e t W f n e t net Wf n e t OO W            ( 1 4 )     As for the de rivation of the threshold val ue exists:     nk n k E , nj n j E                        ( 1 5 )     The weight and  th re sho l ds can be obtaine d by  the gradient  des ce nt met hod, the  formula i s   ) ( ) ( ) 1 ( t W E t W t W                     (16 )     ) ( ) ( ) 1 ( t E t t                      (17 )                Among  up  e quation,  th   W and    indicates th weig ht vecto r  th reshold ve ctor;    is  calle d le arni n g  effect  (o called  Lea rnin g efficie n cy ). The  put  eq u a tion to  (1 0),  (1 2),  (14 ) (15)  into (16 ) , (17 ) , the formula of the weight  vector an d a thre shol d vect or ca n be gott en:    n ny nx xy xy O t W t W ) ( ) 1 (                                        (18)    n nx x x t t ) ( ) 1 (                           ( 1 9 )     Type  () xy Wt rep r e s e n ts the iterati on value of  the con nectio n  weig hts between  x  and  y   of any adja c e n t two layer  o f  feed-forwa r d network. Th () x t  indi cate s the t-th iteration value  of  x node' s th re sh old value in  hi dden l a yer o r   the output lay e r. Fo r a n o d e   x  of output la yer, there   is:    ) 1 ( ) ( ) ( ) ( nx nx nx nx x px nx nx O O O T net f O T                    ( 2 0 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4624 – 4 630   4628 For a no de  x  of hidden layer, we coul d ab ain:    () (1 ) nx x n x x x x nx nx px x x x fn e t W OO W                                 (21)    What i s   discussed  ab ove  is  erro r b a ck p r op agatio n alg o rithm  o f  error of a   multilayer  feed-fo rward  netwo rk. The  learnin g  function of  BP network is mat e riali z ed thro ugh the iterat ive   pro c e ss,  so the above iterat ive algorith m  is calle d the BP learning  algorithm.        3.  Forecas t Model's Calc ulation  and Prediction  Results   Becau s e  the r e are n o t en o ugh  outlet flo w  d a ta a bout  the oil  pipe,  East big - dit c h ,  We st  big-dit c bet wee n  L a n z ho u rea c and   An-nin g fordi ng. And  flow i s  little, so  ne glect th e influ ence   of water quantity, utilize the properties of infi nite approxim ation of BP algori thm to seek  the   relation shi p   betwe en flo w  of Lan zho u  se ction  a n d  An-nin g fording. The  di stan ce b e tween   Lan zho u  se ct ions of the Ye llow Rive r to down- stre am' s  An-ni ng fording is a bout  170 kms.    The ave r ag annu al rate o f  flow is 1.63 m/s, wate r flo w  pa ssing  fro m  Lan zh ou  section to   the An-ning  fordin will ta ke  abo ut 29   hours. So  we  ca n a pply th e flow of th pre s ent  pe rio d  of  time for predi cting  usi n g  th e traffic flow  predi ct ion  of  Lan zho u   se ction of  the Y e llow  Rive r d o w n- strea m ' s  An-n ing se ction' corre s p ondin g  flow abo ut 29 hou rs late r.  Assu me that the numbe of neuro n s i s  10; l earnin g  rate (L R) is  0.05; the momentum  con s tant  (MC) is 0.9; TE (target e r ror) i s  0.00 1; ME  (maximum  n u mbe r  of ite r ations) i s  50 00.  The  sampl e s are traine by Levenb erg-ma rqu a rdt method a nd  predi cted t w o  times; the t w simulatio n  re sults  sh ould  be optimi z ed  so a s  to g e t the final p r edi ction. Acco rdi ng to the "n orms"   of hydrol ogi cal fore ca sting ,  relative e r ro r of  <20%  is  qualified, th predi ction  results a r sh own in  Table 1 an d Table 2.       Table 1. The  Predi ction Re sult of An-nin g Fordi ng fro m  Aug.24 to Sept.2.18  Time13  An-ning   Fi rs output   Relative  e r r o r1  (% Second  output   Relative  e r r o r2  (% predict  Relative  e r r o r1  (% Aug.23   975  965.17  -1.00821  976.11   0.113846   956.65   1.9886   Aug.24   994  845.81  -14.9085  851.46   -14.34   841.41   -14.229   Aug.25   863  857.03  -0.69177  855.83  -0.83082   857.96   2.3824   Aug.26   938  930.88  -0.75906  934.43   -0.3806   928.12   10.754   Aug.27   844  986.28  16.85782  998.14  18.26303   977.05   15.764   Aug.28   907  746.01   -17.7497  673.2  -25.7773   802.69   -12.656   Aug.29   1060   1060.3  0.028302  1056.3   -0.34906   1063.4   3.2441   Aug.30   832  869.34  4.487981  886.19  6.513221   856.22   0.73198   Aug.31   653  742.56  13.71516  677.09  3.689127   793.53   19.508   Sept.1  1360   1184.4  -12.9118  1049.7  -22.8162   1289.3   0.72402   Qualified rate   100%   90%   100%       Table 2. The  predi ction  re sult of An-n ing  fording from  Aug.24 to Sept.2.23  Time18  An-ning   Fi rs output   Relative  e r r o r1  (% Second  output   Relative  e r r o r2  (% predict  Relative  e r r o r1  (% Aug.23  1260   1161   -7.85714   1193.2   -5.30159   1043   -17.224   Aug.24   1050   1117.3  6.409524  1127.3   7.361905   1080.6   2.9189   Aug.25  981  831.3   -15.2599   825.56   -15.8451   852.34   -13.115   Aug.26   969  997.83  2.975232  991.46   2.317853   1021.2   5.3847   Aug.27   988  1123.5  13.71457  1137.4   15.12146   1072.6   8.5581   Aug.28   900  1123.5  24.83333  1137.4   26.37778   1072.6   19.173   Aug.29   1070   997.83  -6.74486  991.46   -7.34019   1021.2   -4.5629   Aug.30   950  1112.8  17.13684  1123.2   18.23158   1074.7   13.124   Aug.31   719  1192.4  65.84145  1233.7   71.58554   1041   44.788   Sept.1 1370   1173.2   -14.365   1210   -11.6788   1038.3   -24.21   Qualified rate   100%   90%   100%     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Fore ca st Mod e l of Water Q uantity Based  on Back  Pro pagatio n Artificial Neural…  (Shihu a Li)  4629 The  real  me a s ured  value  is  com pared  with the  p r edi cted  re sult s a s  i s   sho w n  in   Figure 3   to Figure 4.       Figure 3. Co mpari s o n  of An-nin g's Fl o w  betw een th e Real Me asured a nd Pre d iction fro m  Aug.  24 to s ept.2 .18      Figure 4. Co mpari s o n  of An-nin g's Fl o w  betw een th e Real Me asured a nd Pre d iction fro m  Aug.  24 to s ept.2 .23      It is seen from Table  1 to Table 2 t hat  the accu racy of the  model  can  meet the   requi rem ents,  of predi ction :  the qualified  rate of  is m o re than  80%. Whe n  usi ng  this mod e l, we  can p r edi ct the flow ba se d former pe ri od of fl ow, and rea c h the  purp o ses of early wa rnin g  and   forecas t ing.      4. Conclusio n   It is seen from Table  1 to Table 2 t hat  the accu racy of the  model  can  meet the   requi rem ents,  of predi ction :  the qualified  rate of  is m o re than  80%. Whe n  usi ng  this mod e l, we  can p r edi ct the flow ba se d former pe ri od of fl ow, and rea c h the  purp o ses of early wa rnin g  and   forecastin g. T he artifici al n eural  network has  so me b a si c c har act e rist ic s t o   sim u lat e  t he h u m an  brain,  su ch a s  self ada ptation, self-orga n izatio n, highl y parallel i n tel ligen ce, ro bu stne ss  and fa ult  informatio n p r ocessin g  fun c tion s, which  has very  im p o rtant p r a c tical si gnifican c e for the  co rrect  descri p tion of  nonlin ear  pro b lems. An d it is go od  at a s so ciation, g e neral i z atio n, and a nalogy  and   rea s oni ng;  ca n refin e   statistical la w from  a la rge   am o unt  of statisti cal data;  a nd has  be en wid e ly  applie d and studied in ma ny fields. Study on predi cti on model (B P-ba ck p r op a gation mod e l) o f   Lan zho u  section of the Y e llow  River can p r ovide t e ch nical sup port fo r wate r qu ality, water  pollution in ci dent eme r ge ncy investig a t ion. Espe ci al ly, it has theoretical and  pra c tical valu e in  the integrate d  water ma nag ement, alloca tion and sch e duling in the f l ow of Yellow  River.           0 500 1000 1500 123 456 789 1 0 the  real  m easured the  p redicte d 0 500 1000 1500 123 456 789 1 0 the  real  m easured the  p redicte d Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4624 – 4 630   4630 Referen ces   [1]  Shui-j in g Z h u,  Xi an-c hen  Z hu.  T he princ i p l and   meth od of pred icting. Sha ngh ai:  S han gh ai  Ji ao   T o n g   Univers i t y  pres s.  1991:5-7.   [2]  ia o-do ng  T ang. Imag e R e c ogn  itio B a   s ed on Ne ura l Net w orks in   Matlab.  Co mp uter a nd  Dig ita l   Engi neer in g.   2007; 35( 8).  [3]  W e i-gu Xi ao,  Chi- bin g  H u . Investig atio n of  meth o d  for i n telli ge nt contro l  base d   on  neu ral n e t w ork .   Electrical Drive Automation . 2 000; 22( 3): 19- 21.   [4]  K En, L  Xu,  H  Chi. Improv ed  lear nin g  a l g o rithms  for mi xtu r e of e x perts i n   multic lass classification.   Neur al Netw or ks . 1999; 12( 9) : 1229~ 12 52.   [5]  I Maqsoo d, MR Khan, A Abr aham. An e n s e mbl e  of neur al net w o rks for   w e ather for e c a sting.  Ne ura l   Co mp uter & Applic atio n . 200 4; 13: 112~ 1 2 2 .   [6]    Z  Ahmad, J Z han g. Ba yes i a n  sel e ctive c o mbin at ion  of m u ltipl e  n eur al n e t w o r ks for im provi ng l o n g - rang e pre ddicti ons in n o n lin ea r process mod e lin g.  Neur al C o mputer & Ap p licatio n . 20 05; 14: 78~ 87.   [7]  Ji-gu ang  Ch en . T he fuzz y  a r tificial  neur al  net w o rk  an al ysis of D a m o b servati on  dat a.  Jour nal o f   Hydra u lic En gi neer ing . 2 000;  (1): 19~ 22.   [8]  Shou-r en HU. Introducti on to  Neur al Net w o r ks. C hangs ha:  Natio nal D e fen s e Univ ersit y  P r ess. 1993.   [9]  Shun-ti an Lo u.  S y stem Anal ysis and Des i g n  Based o n   Matlab. Xi' an: Xi ' an  Univers i t y  of  Electroni c   Scienc e an d T e chn o lo g y  Pre ss. 1998.   [10]  W en Xi ng. ne u r al net w o rk ap plicati on a nd d e si g n  bas ed on  Matlab. Beij in g: Science Pre ss. 2000.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.