ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ МОДЕЛЕЙ КОРОТКОСТРОКОВОГО ПРОГНОЗУВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ЗЕРНА У ЗЕРНОСХОВИЩАХ
DOI:
https://doi.org/10.31649/1997-9266-2026-186-3-117-134Ключові слова:
прогнозування температури зерна, зерносховище, короткострокове прогнозування, множинна лінійна регресія, LSTM, ANFIS, гібридна модель, часові рядиАнотація
Короткострокове прогнозування температури зерна є важливою складовою інтелектуального моніторингу зерносховищ, оскільки дає змогу своєчасно виявляти небезпечні температурні тенденції, оцінювати ризик локального самозігрівання зернової маси та підвищувати ефективність прийняття рішень щодо подальшого зберігання продукції. Температурний стан зерна формується під впливом власної теплової інерції зернової маси, зовнішніх метеорологічних умов, вологості, типу культури, глибини розташування датчиків та просторової неоднорідності температурного поля. У зв’язку з цим актуальним є дослідження моделей, здатних враховувати як часову динаміку процесу, так і нелінійні взаємозв’язки між технологічними, метеорологічними та просторовими параметрами.
У статті досліджено моделі множинної лінійної регресії, LSTM, Compact ANFIS та гібридні архітектури LSTM-ANFIS для короткострокового прогнозування температури зерна на горизонтах 1, 3 і 6 годин уперед. Дослідження виконано на багатосерійному часовому датасеті, що охоплює дві зернові культури, чотири засіки, 24 підвіски та 72 температурні датчики. Вхідні дані містили погодинні вимірювання температури зерна, зовнішні метеорологічні параметри, характеристики розташування датчиків та додаткові інженерні ознаки. У процесі попередньої обробки даних сформовано лагові, статистичні, циклічні, просторові та режимні ознаки, а також цільові змінні для кожного горизонту прогнозування. Для уникнення витоку інформації розділення даних на навчальну, валідаційну та тестову вибірки виконувалося за часовим принципом.
У результаті кореляційного аналізу встановлено, що найінформативнішими для прогнозування температури зерна є поточне значення температури зерна, її лагові значення, ковзні статистики, різниця між температурою повітря та температурою зерна, оцінка вологості зерна, тип культури, глибина розташування датчика та просторово-режимні характеристики. Показано, що ефективність моделей істотно залежить від горизонту прогнозування. Для горизонту 1 година найкращою виявилася модель множинної лінійної регресії, яка забезпечила MAE = 0,10266, RMSE = 0,16233 та R2 = 0,99228. Для горизонту 3 години найвищу точність продемонструвала гібридна модель LSTMEncoder + Compact ANFIS з результатами MAE = 0,29073, RMSE = 0,39682 та R2 = 0,95375. Для горизонту 6 годин найкращою стала модель LSTMEncoder + Compact ANFIS Residual + Regime Features, яка досягла MAE = 0,53045, RMSE = 0,73544 та R2 = 0,84081.
Отримані результати підтверджують, що для короткострокового прогнозування температури зерна достатньо ефективними можуть бути табличні моделі з якісно сформованими лаговими, статистичними та інженерними ознаками. Водночас зі збільшенням горизонту прогнозування зростає доцільність використання гібридних архітектур, які поєднують здатність LSTM враховувати часову динаміку з можливістю Compact ANFIS виконувати нелінійне уточнення прогнозу на основі фізично змістовних і просторово-режимних характеристик. Практичне значення отриманих результатів полягає у можливості використання запропонованого підходу в системах моніторингу зерносховищ, раннього попередження про небезпечні температурні зміни та підтримки прийняття рішень щодо керування мікрокліматом зернової маси.
Посилання
Q. Wang, J. Feng, F. Han, W. Wu, and S. Gao, “Analysis and prediction of grain temperature from air temperature to ensure the safety of grain storage,” International Journal of Food Properties, vol. 23, no. 1, pp. 1200-1213, 2020. https://doi.org/10.1080/10942912.2020.1792922 .
S. Duan, W. Yang, X. Wang, S. Mao, and Y. Zhang, “Grain Pile Temperature Forecasting from Weather Factors: A Support Vector Regression Approach,” in 2019 IEEE/CIC International Conference on Communications in China (ICCC), Changchun, China, 2019, pp. 255-260. https://doi.org/10.1109/ICCChina.2019.8855910 .
L. Ge, C. Chen, Y. Li, T. Mo, and W. Li, “A CNN-based temperature prediction approach for grain storage,” International Journal of Internet Manufacturing and Services, vol. 7, no. 4, pp. 345-357, 2020. https://doi.org/10.1504/IJIMS.2020.110234 .
S. Duan, W. Yang, X. Wang, S. Mao, and Y. Zhang, “Deep Spatio-Temporal Attention Model for Grain Storage Temperature Forecasting,” in 2020 IEEE 26th International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS), 2020, pp. 593-600. https://doi.org/10.1109/ICPADS51040.2020.00082 .
S. Duan, W. Yang, X. Wang, S. Mao, and Y. Zhang, “Temperature Forecasting for Stored Grain: A Deep Spatiotemporal Attention Approach,” IEEE Internet of Things Journal, vol. 8, no. 23, pp. 17147-17160, Dec. 2021. https://doi.org/10.1109/JIOT.2021.3078332 .
Q. Wang, M. Hou, Y. Qin, and F. Lian, “Temperature Forecasting of Grain in Storage: An Improved Approach Based on Broad Learning Network,” IEEE Access, vol. 12, pp. 115112-115123, 2024. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3417533 .
Q. Zhang, W. Zhang, Q. Huang, C. Wan, and Z. Li, “AMSformer: A Transformer for Grain Storage Temperature Prediction Using Adaptive Multi-Scale Feature Fusion,” Agriculture, vol. 15, no. 1, p. 58, 2025. https://doi.org/10.3390/agriculture15010058 .
X. Li, W. Wu, H. Guo, X. Qiao, Y. Lu, Y. Wu, and G. Qiao, “An Interpretable Temperature Prediction Method for Grain in Storage Based on Improved Temporal Fusion Transformers,” SSRN, 2024. https://doi.org/10.2139/ssrn.4937130 .
H. Cui, Q. Zhang, W. Zhang, Z. Wu, and W. Wu, “Modeling and Application of Temporal Correlation of Grain Temperature during Grain Storage,” Agriculture, vol. 12, no. 11, p. 1883, 2022. https://doi.org/10.3390/agriculture12111883 .
H. Cui, Q. Zhang, J. Zhang, Z. Wu, and W. Wu, “Classification of Grain Storage Inventory Modes Based on Temperature Contour Map of Grain Bulk Using Back Propagation Neural Network,” Agriculture, vol. 11, no. 5, p. 451, 2021. https://doi.org/10.3390/agriculture11050451 .
Y. Jin, K. W. Wong, D. Yang, Z. Zhang, W. Wu, and J. Yin, “A neural network model used in continuous grain dryer control system,” Drying Technology, vol. 40, no. 9, pp. 1901-1922, 2022. https://doi.org/10.1080/07373937.2021.1891930 .
K. V. Shihabudheen and G. N. Pillai, “Recent advances in neuro-fuzzy system: A survey,” Knowledge-Based Systems, vol. 152, pp. 136-162, 2018. https://doi.org/10.1016/j.knosys.2018.04.014 .
M. N. M. Salleh, N. Talpur, and K. Hussain, “Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System: Overview, Strengths, Limitations, and Solutions,” in Data Mining and Big Data, Y. Tan, H. Takagi, and Y. Shi, Eds. Cham, Switzerland: Springer, 2017, pp. 527-535. https://doi.org/10.1007/978-3-319-61845-6_52 .
A. R. Sadeghian, “Nonlinear neuro-fuzzy prediction: methodology, design and applications,” in Proc. 10th IEEE Int. Conf. Fuzzy Systems, Melbourne, VIC, Australia, 2001, vol. 3, pp. 1022-1026. https://doi.org/10.1109/FUZZ.2001.1009136 .
D. Kukolj, “Design of adaptive Takagi–Sugeno–Kang fuzzy models,” Applied Soft Computing, vol. 2, no. 2, pp. 89-103, 2002. https://doi.org/10.1016/S1568-4946(02)00032-7 .
X. Gu, F.-L. Chung, and S. Wang, “Bayesian Takagi–Sugeno–Kang fuzzy classifier,” IEEE Transactions on Fuzzy Systems, vol. 25, no. 6, pp. 1655-1671, Dec. 2017. https://doi.org/10.1109/TFUZZ.2016.2617377 .
О. В. Бондарчук, О. В. Мазурук, і В. Б. Мокін, «Системний аналіз та прогнозування температури зерна у силосі зернового елеватора за даними ІоТ-системи з використанням технологій штучного інтелекту,» у Матеріалах Всеукраїнської науково-практичної інтернет-конференції «Молодь в науці: дослідження, проблеми, перспективи (МН-2025)», 15–16 червня 2025 р. https://conferences.vntu.edu.ua/index.php/mn/mn2025/paper/view/25196
А. В. Святобатько, і І. О. Фурман, «Нейромережевий метод прогнозування параметрів зернової маси, що зберігається у бункерах елеваторів,» Енергетика та комп’ютерно-інтегровані технології в АПК, no. 1, pp. 68-70, 2014. [Електронний ресурс]. Режим доступу:
http://www.irbis-nbuv.gov.ua/cgi-bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe?Z21ID=&I21DBN=UJRN&P21DBN=UJRN&S21STN =1&S21REF=10&S21FMT=fullwebr&C21COM=S&S21CNR=20&S21P01=0&S21P02=0&S21P03=A=&S21COLORTERMS=1&S21STR=%D0%A4%D1%83%D1%80%D0%BC%D0%B0%D0%BD%20%D0%86$ .
А. В. Святобатько, А. Хоховські, П. Обставські, and І. О. Фурман, «Розробка архітектури програмно-апаратного комплексу засобів контролю та прогнозування параметрів зернової маси, що зберігається у бункерах на елеваторі,»Вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка. Технічні науки, no. 165, pp. 42-43, 2015.[Електронний ресурс]. Режим доступу: https://www.irbis-nbuv.gov.ua
A. Iguaz, C. Arroqui, A. Esnoz, and P. Vírseda, “Modelling and Simulation of Heat Transfer in Stored Rough Rice with Aeration,” Biosystems Engineering, vol. 89, no. 1, pp. 69-77, 2004. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2004.05.001
ASABE, “Moisture Relationships of Plant-Based Agricultural Products,” ASAE D245.7 JUN2021, St. Joseph, MI, USA: American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2021.
F. I. Molina-Herrera, L. I. Quemada-Villagómez, M. Calderón-Ramírez, G. M. Martínez-González, and H. Jiménez-Islas, “Modeling Temperature and Moisture Dynamics in Corn Storage Silos: A Comparative 2D and 3D Approach,” Modelling, vol. 6, no. 1, art. 7, 2025. https://doi.org/10.3390/modelling6010007 .
##submission.downloads##
-
pdf
Завантажень: 0
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, згодні з такими умовами:
- Автори зберігають авторське право і надають журналу право першої публікації.
- Автори можуть укладати окремі, додаткові договірні угоди з неексклюзивного поширення опублікованої журналом версії статті (наприклад, розмістити її в інститутському репозиторії або опублікувати її в книзі), з визнанням її первісної публікації в цьому журналі.
- Авторам дозволяється і рекомендується розміщувати їхню роботу в Інтернеті (наприклад, в інституційних сховищах або на їхньому сайті) до і під час процесу подачі, оскільки це сприяє продуктивним обмінам, а також швидшому і ширшому цитуванню опублікованих робіт (див. вплив відкритого доступу).