基于卷积神经网络-长短期记忆神经网络模型利用光学体积描记术重建动脉血压波信号

目的直接动脉血压(arterial blood pressure,ABP)连续监测是侵入式的,传统袖带式的间接血压测量法无法实现连续监测。既往利用光学体积描记术(photoplethysmography,PPG)实现了连续无创血压监测,但其为收缩压和舒张压的离散值,而非ABP波的连续值,本研究期望基于卷积神经网络-长短期记忆神经网络(CNN-LSTM)利用PPG信号波重建ABP波信号,实现连续无创血压监测。方法构建CNN-LSTM混合神经网络模型,利用重症监护医学信息集(medical information mart for intensive care,MIMIC)中的PPG与ABP波同步记录信号数据,将PPG信号波经预处理降噪、归一化、滑窗分割后输入该模型,重建与之同步对应的ABP波信号。结果使用窗口长度312的CNN-LSTM神经网络时,重建ABP值与实际ABP值间误差最小,平均绝对误差(mean absolute error,MAE)和均方根误差(root mean square error,RMSE)分别为2.79 mmHg和4.24 mmHg,余弦相似度最大,重建ABP值与实际ABP值一致性和相关性情况良好,符合美国医疗器械促进协会(Association for the Advancement of Medical Instrumentation,AAMI)标准。结论CNN-LSTM混合神经网络可利用PPG信号波重建ABP波信号,实现连续无创血压监测。

基于集群辨识和卷积神经网络-双向长短期记忆-时序模式注意力机制的区域级短期负荷预测

为了解决区域级短期电力负荷预测时输入特征过多和负荷时序性较强的问题,提出一种基于集群辨识和卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)-双向长短期记忆网络(bi-directional long short-term memory,BiLSTM)-时序模式注意力机制(temporal pattern attention,TPA)的预测方法。首先,将用电模式和天气作为影响因素,基于二阶聚类算法对区域内的负荷节点进行集群辨识,再从每个集群中挑选代表特征作为深度学习模型的输入,这样既能减少输入特征维度,降低计算复杂度,又能综合考虑预测区域的整体特征,提升预测精度。然后,针对区域电力负荷时序性的特点,用CNN-BiLSTM-TPA模型完成训练和预测,该模型能提取输入数据的双向信息生成隐状态矩阵,并对隐状态矩阵的重要特征加权,从多时间步上捕获双向时序信息用于预测。最后,在美国加利福尼亚州实例上分析验证了所提方法的有效性。

基于足底压力和卷积长短期记忆神经网络的前交叉韧带断裂智能辅助诊断

提出一种基于卷积长短期记忆神经网络的深度学习模型PressureConvLSTM,用来提取行走过程中足底压力的空间特征和时序特征,并进行步态分类。通过对前交叉韧带断裂患者的足底压力数据分析,实现智能辅助诊断。结合临床数据的实验结果表明,PressureConvLSTM模型对前交叉韧带断裂的辅助诊断,能够达到95%的预测准确度;与卷积神经网络等其他模型相比,准确度得到大幅度提升。

基于密度聚类模态分解的卷积神经网络和长短期记忆网络短期风电功率预测

近年来,随着碳达峰和碳中和“双碳”战略目标的提出,风力发电已成为可再生能源发电的关键部分。为提高风电功率短期预测的准确度,提出基于密度聚类与自适应噪声完备集成经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,CEEMDAN)和卷积神经网络与长短期记忆网络结合的短期风电功率预测方法。首先,利用密度聚类将风电功率与天气特征分成不同类别的数据集,通过自适应噪声完备集成经验模态分解算法将不同类别的数据进行频域分解得到子序列分量。以此为基础,将不同的子序列分量与天气特征进行特征选择,输入到卷积神经网络与长短期记忆网络的预测模型。最后,将不同的预测结果进行叠加得到最终的预测结果。整个预测过程通过聚类、分解和特征选择,有效提高了短期风电功率预测的准确度。

卷积-长短期记忆神经网络超宽带定位方法

针对室内视距环境下超宽带(UWB)观测值中的测距误差影响定位精度的问题,提出一种基于卷积神经网络与长短期记忆网络(CNN-LSTM)相结合的UWB测距误差改正模型:将基站与标签之间的测距值和Chan算法解算的标签初始坐标作为卷积神经网络(CNN)的输入,借助CNN良好的数据特征提取能力,充分挖掘UWB测距值的特征;然后利用长短期记忆网络(LSTM)进行进一步的特征学习,并进行训练和预测UWB测距值,以减少测距误差对UWB测距值精度的影响;最后,利用高斯-牛顿迭代算法求解出最终的UWB定位结果,同时,建立多项式和指数函数UWB测距误差改正模型,并与本文方法进行对比分析。实验结果表明,在静态和动态实验下,基于CNN-LSTM网络模型结果的精度均优于其他2种模型,证明该算法可有效降低测距误差,提高UWB的定位精度。

使用CNN(卷积神经网络)-LSTM(长短期记忆)联合神经网络预测盾构隧道施工引起的地面沉降

[目的]地铁盾构隧道施工会引起周围地面沉降,影响周围环境。传统地面沉降预测方法难以综合考虑沉降影响因素,对此,为提高地面沉降的预测精度,使用CNN(卷积神经网络)-LSTM(长短期记忆)联合神经网络,对盾构隧道施工引起的地面沉降进行预测。[方法]以某地铁施工区间地面沉降监测数据为研究对象,使用CNN对影响参数(压缩模量、黏聚力、内摩擦角、泊松比、土层厚度、隧道埋深和施工参数)与地面沉降监测值进行连接,使用LSTM神经网络对地面沉降进行分析,建立了基于CNN-LSTM联合神经网络的地面沉降预测模型,探讨了同时考虑多个因素对地面沉降预测值的影响。[结果及结论]使用CNN对地面沉降相关的影响参数特征提取效果较好;所建CNN-LSTM模型的准确率比单独使用LSTM模型的准确率提高了3%、比传统BP(反向传播)神经网络模型准确率提高了9%;所建CNN-LSTM模型,对单测点短时间地面沉降预测准确率达到93%,预测值与监测值吻合较好。

基于贝叶斯优化-卷积神经网络-双向长短期记忆神经网络的锂电池健康状态评估

准确估计电池健康状态是设备稳定运行的关键。针对当前健康状态研究中容量难以直接测量、估计模型调参费时等问题,提出基于多健康特征的贝叶斯优化(BO)算法优化卷积神经网络(CNN)与双向长短期记忆(BiLSTM)神经网络预测模型。基于NASA公开锂电池数据,提取3种健康特征。将CNN与BiLSTM结合,提高时间序列数据处理能力,加入BO算法自动搜寻最优参数集,避免组合网络模型陷入局部最优,从而减少评估时间。对比分析相关神经网络模型,结果表明所提方法预测准确度最高,可有效估计锂电池的健康状态,平均绝对误差和方均根误差均在1%以内。

基于多源数据融合与卷积长短期记忆神经网络的聚合物挤出过程熔体密度监测方法

聚合物挤出过程中熔体密度是影响产品质量的关键因素。由于挤出加工过程的高温、高压复杂工况,寻求能准确、在线监测聚合物挤出过程中熔体密度的方法是一个具有挑战性的问题。尽管基于机器学习的质量监测方法提供了一种解决方案,但在聚合物挤出加工过程中,由于数据类型、工艺参数、操作环境等多变性因素的影响,传统的机器学习方法可能难以捕捉聚合物加工中不同输入参数和输出质量参数之间的复杂关系,使得监测任务难以获得理想的准确性。本文提出了一种基于多源数据融合与卷积长短期记忆神经网络(CNN–LSTM)的熔体密度监测方法,用于在线监测聚碳酸酯–丙烯腈–丁二烯–苯乙烯共聚物(PC/ABS)共混体系的熔体密度。首先,通过实时采集安装在挤出机模头处的近红外、拉曼及超声3种传感器数据,对3种传感数据进行预处理并融合后作为输入;然后,通过合理设计的网络结构,构建CNN–LSTM监测模型,利用CNN的特征提取能力与LSTM的预测能力,最终实现对聚合物共混过程中的熔体密度的实时监测。基于独立开发的多源传感数据实时采集装置获取的数据,利用所提方法对PC/ABS共混挤出过程的熔体密度进行实时监测,结果表明:本文方法能够准确监测聚合物熔体密度,其在测试集上的均方根误差和决定系数分别为0.975 5、0.006 3 g/cm3,比传统的卷积神经网络方法、长短期记忆网络方法、岭回归方法、偏最小二乘回归方法、多层感知机方法和支持向量机回归方法具有更高的预测精度;本文方法的10次输入平均预测时间为1.523 5 s,能够满足实际生产过程的实时监测。综上所述,所提出的基于多源数据融合与CNN–LSTM的熔体密度监测方法显著提高了聚合物挤出过程中熔体密度的实时监测精度,为挤出过程中聚合物的质量提供了可靠的技术支持。

基于卷积神经网络和长短期记忆网络的坝上水位精细化建模方法

坝上水位是水电站调度运行的重要依据,然而受调峰非恒定流的影响,传统插值计算的水电站坝上水位与实际值存在较大的误差,不利于水库水位的精细控制和实际调度。本研究采用最大互信息系数探索水电站坝上水位变化的关联因素,并提出一种基于深度学习的CNN-LSTM模型计算方法,实现了准确计算受调峰非恒定流影响的水电站坝上水位。为验证本文所提模型的有效性,将其与传统法在三种评价准则进行对比,结果表明,所提的CNN-LSTM模型在汛期和枯水期的各种评价准则下均优于传统法,模型计算结果更接近实际坝上水位。本文所提模型在水电运行时可有效避免计算水位不准确带来的控制风险,降低水电站运行风险。

基于长短期记忆神经网络的在线学习眼动认知层次智能识别模型

学习者对于所学知识的认知水平与其在线学习的体验和效果密切相关,衡量在线学习者的认知水平具有重要意义。本研究基于布鲁姆的认知理论将学习者的认知水平划分为低、中、高三个层次,追踪学生在线学习过程中产生的眼动数据,采用主成分分析法聚合相关性高的特征指标,达到保留有效信息且维度下降的效果,接着运用长短期记忆神经网络构建在线学习认知层次智能识别模型,并与其他6种机器学习方法进行了比较。研究结果表明,学习者的眼动指标和认知层次显著相关。同时,在模型性能方面,长短期记忆神经网络模型的性能显著高于其他模型,具有较高的测试准确率和F1分数,证明其在在线学习认知水平评估领域的有效性。本研究不仅丰富了在线学习认知领域的理论和实践,而且为在线课程设计、在线学习评价、学习资源优化等提供了强有力的支持。

基于残差神经网络、双向长短期记忆网络和注意力机制的肠鸣音检测方法研究

肠鸣音可以反映胃肠道的运动和健康状况,然而,传统的人工听诊方式存在主观性偏差且耗时耗力。为了更好地辅助医生对肠鸣音的诊断,提高肠鸣音检测的可靠性和高效性,该研究提出了一种结合残差神经网络(ResNet)、双向长短期记忆网络(BiLSTM)和注意力机制的深度神经网络模型。首先使用自主研发的多通道肠鸣音采集系统采集了大量带标签的临床数据,采用多尺度小波分解和重构方法对肠鸣音信号进行预处理,然后提取对数梅尔谱图特征送入网络进行训练,最后通过10折交叉验证和消融实验来评估模型的性能和验证其有效性。实验结果表明,该模型在精确率、召回率和F1分数方面分别达到了83%、76%和79%,能够有效地检测出肠鸣音片段并定位其起止时间,表现优于以往的算法。该算法不仅可以为医生在临床实践中提供辅助信息,还为肠鸣音的进一步分析和研究提供了技术支撑。

结合层次图神经网络与长短期记忆的产业链风险评估预警模型

产业链风险评估预警是有效保护产业链上下游公司利益和减轻公司风险的重要措施。然而,现有方法由于忽视了产业链上下游公司之间的传播效应和公司信息的不透明性,无法准确评估公司风险,且忽略了动态财务数据对产业链的影响,无法提前感知风险,进行风险预警。针对以上问题,提出一种结合层次图(HG)神经网络与长短期记忆(LSTM)的产业链风险评估预警模型(HiGNN)。首先,利用产业链上下游关系和投融资关系构建“产业链-投资”HG;其次,利用财务特征提取模块提取公司多季度财务数据的特征;再次,利用投资特征提取模块提取投资关系图特征;最后,利用注意力机制融合财务特征和投资特征,通过图表示学习方法对公司节点进行风险分类。在真实的集成电路制造业数据集上的实验结果表明,与图注意力网络(GAT)模型、循环神经网络(RNN)模型相比,当训练比率为60%时,所提模型的准确率分别提升了14.87%、22.10%,F1值提升了12.63%、16.67%。所提模型能够有效捕捉产业链中的传染效应,提高风险识别能力,优于传统的机器学习方法和图神经网络方法。

煤棚表面风压的多尺度长短期记忆神经网络预测方法

风荷载是影响大跨度空间结构安全性和稳定性的关键因素之一,因此研究结构表面风压对煤棚结构设计具有重要意义。风洞试验是获取煤棚结构表面风压的主要方法,但其存在成本较高和耗时较长的问题。利用风洞试验积累的大量数据发展风压快速预测方法是目前的研究热点之一。该文以长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络为基础,建立了煤棚结构风压时序预测模型,该模型利用高斯平滑将实验数据分为光滑数据和脉动数据,进而分别训练大尺度网络和小尺度网络。结果表明:所提出的多尺度网络预测模型可以实现对煤棚表面风压的快速预测,且相比于传统LSTM神经网络,多尺度LSTM神经网络具有误差小、精度高等优势。因此,基于LSTM的多尺度神经网络可以为煤棚等大跨空间结构表面风压提供依据。

长短期记忆神经网络(LSTM)对风暴潮数值模拟的优化应用

利用长短期记忆神经网络和数值模式相结合的方法,设计了两套针对粤东遮浪海洋站点台风风暴潮增水的预报优化方案。与实测资料对比结果显示,长短期记忆神经网络方法可以显著改善数值模式模拟结果的准确性,最大增水和主振过程中增水后报结果的平均绝对误差、平均相对误差和平均改善幅度分别为7.1 cm、8.2%、74%和16.1 cm、34.7%、33%。进一步分析表明,利用台风信息预测数值模拟结果的订正值可以有效改善神经网络方法的不稳定性,比直接预测风暴潮增水值更加准确、可靠。

基于北方苍鹰优化算法优化长短期记忆神经网络的光伏发电功率短期预测

为提高光伏发电功率短期预测的精度,提出一种结合时变滤波经验模态分解和北方苍鹰优化算法优化长短期记忆神经网络的组合预测方法。首先,利用时变滤波经验模态分解将光伏发电功率分解成多个固有模态函数分量。其次,利用北方苍鹰优化(northern goshawk optimization,NGO)算法优化长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络隐含单元的个数、最大训练次数和初始学习率,构建NGO-LSTM预测模型。最后,把每一个固有模态函数分量都输入到预测模型中进行预测,将所有固有模态函数分量的预测结果进行叠加便可得到光伏发电功率短期预测的结果。仿真结果表明,所提的预测模型可以有效提高光伏发电功率的预测精度。

基于小波变换和长短期记忆神经网络的电力负荷预测

电力系统需要保持发电功率与用电负荷的即时平衡,而电力负荷具有非线性、时变性和不确定性等特点。针对此问题,考虑天气与日期类型的影响,构建小波变换(wavelet transform,WT)和长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络组合预测模型,对电力负荷进行短期电力负荷预测。首先,用小波变换对数据集进行特征提取、信号去噪,消除数据的波动性;其次,将预处理后的数据利用LSTM进行训练,将输出结果进行序列重构;最后,进行负荷预测,WT-LSTM组合预测模型分别与BP神经网络预测模型和LSTM预测模型进行对比数据。结果表明,WT-LSTM神经网络组合预测模型的预测效果最好,有效地提高了预测精度。

考虑地质分层约束的长短期记忆循环神经网络测井曲线重构

延长油田东部裸眼井区早期测井资料普遍只有自然电位(SP)、自然伽马(GR)及梯度电阻率(R2.5)三条曲线,因缺失声波(AC)、地层电阻率(RT)等测井曲线,难以满足精细油藏地质研究需求。东部裸眼井区开发时间长、单井产量低,重新测井缺乏可行性及经济性。采用长短期记忆循环神经网络(long short-term memory,LSTM)模型进行缺失测井曲线重构是一种经济有效方法,适用于地层测井序列数据。然而延长油田东部浅层油藏上覆黄土层段测井数据信号干扰大,直接应用模型精度较差。针对此问题,采用考虑地质分层约束的LSTM模型进行缺失测井曲线的重构,通过分层数据截取每口井长6层段测井数据作为样本数据,既保留了LSTM模型处理序列数据的优势,同时又避免了上覆黄土层测井数据对模型的干扰。利用裸眼井区完整测井数据进行模型训练优化和验证,讨论了考虑地质分层约束的LSTM测井曲线重构精度,结果表明通过引入地质分层约束,模型重构测井曲线精度更高。应用优化后模型实现裸眼井区50口仅有GR、SP、R2.5三条曲线数据井的AC、RT曲线重构,对50口井的142个射孔段进行二次解释,对比试油解释结论符合率达到89.4%,验证了该方法对测井曲线重构的实用性和有效性。

基于长短期记忆神经网络的反应液葡萄糖含量预测

目的建立皮尔逊相关系数(Pearson correlation coefficient,PCC)和长短期记忆(long short term memory,LSTM)神经网络的反应液葡萄糖含量预测模型用以实时预测葡萄糖酸锌生产过程中反应液葡萄糖含量。方法通过葡萄糖酸锌制备实验,结合PCC理论确定对反应液葡萄糖含量有较大影响的因素,对这些因素进行数据采集并将其作为神经网络的输入变量,采集反应液葡萄糖含量数据并进行处理,将其作为神经网络的输出变量,进而建立反向传播神经网络(backpropagation neural network,BP)和LSTM神经网络的反应液葡萄糖含量预测模型。结果通过100次模型迭代训练,对照BP反应液葡萄糖含量预测模型可以看出LSTM反应液葡萄糖含量预测模型在测试集的误差约为0.45%,误差较小,准确度较高。结论基于LSTM反应液葡萄糖含量预测模型显著提高了预测精度,相比现有检测方法更加智能高效,能够有效辅助生产进行。

基于长短期记忆神经网络的电力用电量预测

为解决现有用电量预测精确度较低等问题,提出了基于长短期记忆神经网络的电力用电量预测方法。分析了电力负荷分类以及典型负荷曲线,说明了支持向量回归以及长短期记忆神经网络的基本原理,提出了基于支持向量回归和长短期记忆神经网络结合的预测方法,说明了预测流程,给出了预测结果统计评价标准。根据所提出的方法进行了案例分析,论证了所提方法的有效性。

应用卷积神经网络VGG16的星载GNSS-R海冰检测

针对全球卫星导航系统反射计(global navigation satellite system-reflection,GNSS-R)海冰检测中延迟-多普勒图(delay-Doppler map,DDM)数据噪声大、消融期精度低等问题,提出将VGG16卷积神经网络模型应用于海冰检测。通过深层的网络结构提取DDM多层次特征进行海冰海水分类,以提高海冰检测的精度和稳定性。实验结果表明,与美国国家海洋和大气管理局地表类型数据对比,所提出的基于VGG16海冰检测方法检测准确率为98.02%,有效提升了海冰检测的准确率和稳定性。