مدلسازی و پیش‌بینی مصرف انرژی الکتریکی با استفاده از مدل یادگیری ماشین تجمیعی استکینگ بهینه‌شده مبتنی بر الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی سیستم‌های انرژی، دانشکده مهندسی انرژی و فیزیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)، تهران، ایران

2 گروه مدیریت و حسابداری، دانشگاه علامه طباطبائی، تهران، ایران

3 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

4 دانشکده مهندسی انرژی و فیزیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

5 گروه انرژی های تجدیدپذیر، دانشکده مهندسی انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

10.22059/ses.2026.412276.1222

چکیده

پیش‌بینی دقیق مصرف انرژی الکتریکی یکی از الزامات اصلی برنامه‌ریزی بلندمدت انرژی و توسعه زیرساخت‌های برق است. با توجه به اثر هم‌زمان عوامل اقتصادی، جمعیتی، تجاری و اقلیمی بر تقاضای برق، در این پژوهش یک چارچوب داده‌محور مبتنی بر مدل یادگیری ماشین تجمیعی استکینگ بهینه‌شده با الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات ارائه شده است. برای این منظور، داده‌های سالانه ۱۹۹۱ تا ۲۰۲۰ برای شش کشور ایران، ایالات متحده، چین، آلمان، استرالیا و ترکیه استفاده شد و پنج متغیر جمعیت، تولید ناخالص داخلی، واردات انرژی، صادرات انرژی و میانگین سالانه دمای هوا به‌عنوان ورودی مدل در نظر گرفته شدند. عملکرد مدل‌های ANN، Ridge، Stack و Stack-PSO با شاخص‌های MSE، MAE، R² و MAPE ارزیابی شد. نتایج نشان داد که مدل Stack-PSO در مجموع و در بیشتر موارد عملکرد برتری نسبت به سایر مدل‌ها داشته است. مقدار R² این مدل در کشورهای مورد بررسی در بازه 0/974 تا 0/997 قرار گرفت. کمترین مقدار MSE مربوط به چین و برابر با 0/00015 بود و در ایران نیز MSE مدل Stack-PSO به 0/00042 و R² به 0/996 رسید. همچنین کمترین MAPE در ایالات متحده برابر با 2/5 درصد به دست آمد که نشان‌دهنده دقت بالای مدل پیشنهادی در کاهش خطای پیش‌بینی است. سپس با استفاده از مدل برتر، مصرف انرژی الکتریکی تا افق ۲۰۳۵ پیش‌بینی شد و نتایج نشان داد که روند کلی مصرف در اغلب کشورها افزایشی است، هرچند شدت رشد بین کشورها متفاوت بوده و در برخی موارد الگوی رشد ملایمی مشاهده شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling and forecasting of electricity energy consumption using an optimized Stacking ensemble machine learning model based on particle swarm optimization

نویسندگان [English]

  • Amir Bahrami Yajloo 1
  • Amir Mohammad Haddadi 2
  • Erfan Abbasian Hamedani 1
  • Mohammad Hossein Nozari 3
  • Mohammad Hadi Eslamian 4
  • Kianoosh Choubineh 5
1 Department of Energy Engineering and Physics, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran.
2 Department of Management and Accounting, Allameh Tabataba’i University, Tehran, Iran
3 School of Mechanical Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran,
4 Department of Energy Engineering and Physics, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
5 Department of Renewable Energy Engineering, Faculty of Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, a data-driven framework is developed to model and forecast electricity energy consumption (EEC) in countries with diverse economic, social, and climate characteristics. Five input variables including population (POP), gross domestic product (GDP), energy imports (IMP), energy exports (EXP), and annual average air temperature (TEMP) are used to model EEC. Annual data from 1991 to 2020 are employed for training and evaluation. Four machine learning algorithms, namely ANN, Ridge, Stack, and Stack-PSO, are implemented and assessed using MSE, MAE, R2, and MAPE. The results show that while the standalone ANN and Ridge models achieve acceptable accuracy, they exhibit lower stability and weaker generalization compared with ensemble-based approaches. The Stack model, constructed by combining the outputs of ANN and Ridge, yields noticeable improvements across the error metrics. The results demonstrated that the Stack-PSO model consistently outperformed the other models across the majority of cases. The R2 values for this model ranged from 0.974 to 0.997 across the surveyed countries. The lowest MSE was recorded for China at 0.00015, while for Iran, the Stack-PSO model achieved an MSE of 0.00042 and an R2 of 0.996. Furthermore, the lowest MAPE was observed in the United States at 2.5%, underscoring the high precision of the proposed model in minimizing forecasting errors. Subsequently, the superior model was employed to forecast electrical energy consumption up to the 2035 horizon. The findings indicate a generally increasing consumption trend in most countries; however, growth intensity varied significantly, with some cases exhibiting a moderate growth pattern.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electricity energy consumption
  • Forecasting
  • Machine learning
  • Ensemble model
  • Particle swarm optimization