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基于双向长短期记忆网络和注意力机制的空气质量预测研究.pdf

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摘要

近年来,随着我国科技的发展,人们的生活质量得到显著提高。但是,伴随

着我国能源开采量和使用量的增大以及机动车辆的迅猛增加,空气污染问题愈发

严重,有些地区已经出现了光化学烟雾现象,全国形成了多个酸雨地区,多地出

现了雾霾天气、沙尘暴天气,已经严重威胁到我们的生存环境和生命健康。因此,

许多学者对空气质量预测方法展开研究,以期可以对个体居民出行进行辅助决策,

帮助政府环保部门在制定环保政策的时候提供理论支持。然而,现有的基于深度

学习方法的预测模型,在时序预测上存在数据非线性关系处理不佳和特征提取能

力有限等问题。为进一步提升模型的预测能力,本文展开以下研究工作:

1

()本文搜集了北京市、天津市、太原市、南昌市、西安市和深圳市六个

城市2015年到2022年的空气质量数据集,对数据集进行数据预处理,通过相关

性分析得到的相关系数表和散点矩阵图可以看出,数据集中各个特征变量间存在

多重共线性关系。

(2)针对本文搜集的数据间存在多重共线性问题,现有时序预测模型存在

数据并行处理不佳、无法有效保存数据长期依赖关系、无关特征干扰、数据噪声

等问题,本文基于深度学习方法,结合多尺度卷积神经网络(Multiscale

ConvolutionNeuralNetwork,MConv)提取复杂多尺度时间特征信息的能力、双

向长短期记忆网络(BidirectionalLongShort-TermMemory,BiLSTM)更高的数

AttentionMechanismAM

据特征提取效率、注意力机制(,)对模型精度的提升

能力以及全连接层对数据非线性问题的处理能力,提出了基于

MConv-BiLSTM-AM的空气质量预测模型,在六个城市的数据集上,对比分析

ConvolutionNeuralNetworkCNNLong

卷积神经网络(,)、长短期记忆网络(

Short-TermMemory,LSTM)、BiLSTM、CNN-LSTM、CNN-BiLSTM、

CNN-LSTM-AM和CNN-BiLSTM-AM众多模型,证明该模型在数据特征的有效

提取方面具有较大优势。

3

()为进一步降低训练计算量,避免在梯度下降优化算法中出现局部最小

情况,更好地捕捉数据间的长期依赖关系,引入多尺度回声状态网络(Multiscale

EchoStateNetworksMESN)MESN-BiLSTM-AM

,,提出基于的空气质量预测模

型,该模型通过将储备池来代替MConv的隐藏层,调节网络内部的权值来实现

短期记忆,保证网络权值达到全局最优,在六个城市的数据集上,对比分析包括

MConv-BiLSTM-AM在内的众多深度学习模型,证明了该模型的有效性。

关键词:空气污染;多尺度卷积神经网络;多尺度回声状态网络;空气质量预测

I

Abstract

Peoplesqualityoflifehasbeensignificantlyimprovedinrecentyearswiththe

developmentofscienceandtechnologyinourcountry.However,alongwiththe

increaseofenergyminingandusageandtherapidincreaseofmotorvehicles,theair

pollutionproblemisbecomingmoreandmoreserious.Someareashavealreadyseen

photochemicalsmogphenomenon,manyacid

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