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。

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。

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。

基于联合注意力机制和一维卷积神经网络-双向长短期记忆网络模型的流量异常检测方法

针对流量数据集中类别不平衡限制了分类模型对少数类攻击流量的检测性能这一问题,该文提出一种基于联合注意力机制和1维卷积神经网络-双向长短期记忆网络(1DCNN-BiLSTM)模型的流量异常检测方法。首先在数据预处理过程中利用BorderlineSMOTE方法对流量数据不平衡训练样本预处理,使得各类流量数据均衡,有助于后续模型对各类数据的充分训练。然后设计联合注意力机制和1DCNN-BiLSTM的模型对流量数据进行训练,提取流量数据的局部和长距离序列特征并进行分类,通过注意力机制将对分类有用的特征按其重要性赋予权值,提高对少数攻击类的检出率。实验结果表明,同几种现有方法相比,该文方法对NSL-KDD和CICIDS2017数据集的检测准确率最高(可达93.17%和98.65%),对NSL-KDD数据集中的提权攻击(U2R)攻击流量的检出率至少提升13.70%,证明了该文方法提升少数类攻击流量检出率的有效性。

基于卷积-长短期记忆神经网络的抽水蓄能机组健康性能趋势预测

为准确掌握抽水蓄能机组的健康性能水平,提出基于卷积-长短期记忆神经网络(CNN-LSTM)的机组健康性能趋势预测方法。首先,为有效地刻画机组的运行特性,构建基于高斯过程回归的机组健康状态模型;然后,设计可量化机组健康性能的指标因子;进一步融合CNN良好的局部特征提取能力和LSTM在时间序列预测方面的优势,提出基于CNN-LSTM的预测模型。对国内某抽水蓄能电站机组监测数据进行的试验结果表明,所提方法可较好地预测机组健康性能的发展趋势。

联合卷积神经网络与长短期记忆深度网络的桥梁损伤识别

为准确评估桥梁结构状态,提升损伤识别效率,提出基于联合卷积神经网络(CNN)与长短期记忆(LSTM)深度网络的桥梁损伤识别方法,并用振动台试验数据进行验证。结合CNN空间特征和LSTM时间特征提取能力,构建桥梁结构损伤识别架构;提取5类时频域损伤特征,经对比分析后,采用结合平均频率和平均能量的组合特征进行损伤识别;基于振动台试验数据及其有限元模型数据识别了斜拉桥模型的损伤,并将识别结果分别与CNN、LSTM的识别结果对比。结果表明:采用联合CNN与LSTM深度网络建立的损伤识别方法可有效识别出桥梁的损伤位置和损伤程度,且偏差小,识别结果优于CNN、LSTM;未布置传感器的位置损伤识别精度较低;轻微损伤识别准确率相对较低。

基于卷积和长短期记忆网络的地浸开采铀浓度预测研究

文章通过集成经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)、卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)、长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)、傅里叶变换,提出了一种新型地浸单元浸出液铀浓度预测方法。该方法将浸出液铀浓度监测值时间序列使用EMD进行分解,分解为趋势项、周期项和随机项。通过构建CNN+LSTM网络,并结合傅里叶变换和多项式拟合对铀浓度趋势项、周期项和随机项进行预测,3者预测之和作为铀浓度预测结果。实证结果表明:EMD能够有效分解铀浓度时间序列,模型拟合度比未进行EMD分解的模型提升超50%;基于EMD、CNN+LSTM和傅里叶变换的集成方法预测精度良好,预测的平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)为0.348,与LSTM、反向传播(Back Propagation,BP)和门控循环网络(Gate Recurrent Unit,GRU)等模型相比最高提升超80%。文章提出的集成方法能够准确预测浸采单元铀浓度变化,解决了原有方法和模型无法对非线性、非平稳铀浓度序列进行准确预测的问题,从而为地浸矿山生产规划提供技术支持,并有助于提升中国铀矿山的数字化、信息化程度。

基于卷积神经网络与长短期记忆神经网络的弹丸轨迹预测

针对弹丸非线性轨迹预测问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)与长短期记忆(LSTM)神经网络的混合轨迹预测模型。通过建立6自由度弹丸运动模型,并使用4阶龙格库塔法外弹道仿真,得到大量轨迹数据样本;提出CNN-LSTM神经网络的混合轨迹预测模型,并利用滑动窗口法和差分法构造输入输出的轨迹数据对,将预测问题转化为有监督的学习问题;将所提模型与LSTM神经网络模型、门控循环单元(GRU)神经网络模型和反向传播(BP)神经网络模型在同一数据集下进行仿真实验。研究结果表明,CNN-LSTM神经网络模型预测3 s后的平均累积预测误差在x轴方向约为14.83 m,y轴方向约为20.77 m,z轴方向约为0.75 m,且轨迹预测精度优于单一模型,为弹丸轨迹预测研究提供了一定的参考。

卷积与长短期记忆网络在火灾源强实时预测中的应用

针对火灾场景中火源位置及强度实时、准确识别困难的问题,利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)与长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)网络的算法优势,构建一种火灾源强实时预测模型,该模型通过建筑内温度传感器接收的序列数据,实时、准确地预测火灾场景中的火源位置及强度信息。采用火灾动力学模拟软件(Fire Dynamics Simulator,FDS)模拟火灾场景,获得温度传感器实时接收的序列数据,建立火灾场景数据库,进行火灾场景数据分析并对火灾源强实时预测模型完成训练,通过实例验证该模型的准确性、及时性和鲁棒性。结果表明,该模型能够通过较短长度样本数据实时、准确预测火灾场景中火源位置及强度,预测准确率为99.18%,在温度传感器间隔损坏且损坏率不高于70%时,预测准确率仍可达到95.10%以上。

利用卷积长短期记忆网络预测全球电离层Ne

由于电离层电子密度随时间变化,且空间分布不均匀,对不同频段的无线电波产生延缓和折射,因此电离层电子密度变化是影响短波通信、卫星通信、全球导航卫星系统和其他空间通信质量的一个主要因素,本文对全球电离层电子密度(Number of electron,Ne)的预测工作对短波通信设备三维射线实时追踪定位提供必要条件。本文采用国际电离层参考模型提供的2016年电离层Ne数据,根据数据的三维空间时间序列特征,搭建了自编码器和卷积长短期记忆(Convolutional Long Short-Term Memory Network,Conv LSTM)网络组成的网络结构,在不引入地球自转周期之外任何先验知识的条件下,对Ne数据进行深度学习并实现预测,首先通过实验对比了SGD、Adagrad、Adadelta、Adam、Adamax和Nadam六种优化算法的性能,又对比了三种预测策略的均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE),1h-to-1h预测策略的全球平均RMSE为1.0 NEU(最大值的0.4%),1h-to-24h和24h-to-24h预测策略的全球平均RMSE为6.3 NEU(2.6%)。由实验结果得出以下结论,一是Nadam优化算法更适合电离层Ne的深度学习,二是1h预测策略的性能与之前类似的电离层TEC预测工作(RMSE高于1.5 TECU,最大值的1%)相比有竞争力,但预测时间太短且对数据的实时性要求较高,三是两种24h预测策略虽能实现长期预测但性能不理想,要实现三维空间时间序列的长期高精度预测需要进一步改善神经网络、模型结构和预测策略。

基于CNN-LSTM混合神经网络的高速铁路地震响应预测

为了更好地挖掘高速铁路在地震时的响应信息,提高光纤光栅监测的效率及预测精度,该文针对地震响应数据的时序性及非线性的特点,提出卷积神经网络(CNN)和长短期记忆(LSTM)网络的混合神经网络模型预测方法.通过在高速铁路简支梁桥上布设准分布式光纤光栅采集地震时轨道板、钢轨、底座板、箱梁的响应数据,在每根光纤上布置7个光栅,利用两边光栅的响应数据预测中间点的光栅响应,将采集位置、历史数据及地震波形等信息作为特征图输入.利用CNN提取特征,再将提前提取出来的特征数据以时序方式作为LSTM网络的输入数据,最后LSTM网络进行地震应变响应预测.实验结果表明,LSTM网络在3层时效果最好,CNN-LSTM方法具有较高的预测精度,根均平方误差(R_(RMSE))、平均绝对误差(R_(MAE))、决定系数(R^(2))分别达到了0.3753、0.2968、0.9371.

长短期记忆压缩激励全卷积神经网络建筑物变化检测

针对当前遥感影像建筑物变化检测未考虑时序信息,导致变化特征提取效果欠佳,本文提出了一种长短期记忆压缩激励全卷积神经网络。在全卷积神经网络框架下,搭建了结合长短期记忆网络与压缩激励网络原理的长短期记忆压缩激励单元,使算法能够充分结合纹理特征及时序特征优势,提高遥感影像建筑物变化检测精度。以遥感影像建筑物变化检测公开数据集LEVIR-CD作为实验数据对该方法进行验证,结果显示,F1-score达86.35%,相较于FC-EF、FC-CONC、FC-DIFF算法,F1-score分别高出2.35%、3.47%、4.52%。

基于非负绞杀与长短期记忆神经网络的动态软测量算法

现代工业过程建模中,生产过程的多变量、非线性及动态性会导致模型复杂度增高且建模精度降低.针对这一问题,将非负绞杀算法(NNG)嵌入长短期记忆(LSTM)神经网络,提出一种基于LSTM神经网络及其输入变量选择的动态软测量算法.首先,通过参数优化生成训练好的LSTM神经网络,利用其出色的历史信息记忆能力处理工业过程中的动态、时滞等问题;其次,采用NNG算法对LSTM网络输入权重进行压缩,剔除冗余变量,提高模型精度,并采用网格搜索法与分块交叉验证对其超参数寻优;最后,将算法应用于某火电厂脱硫过程排放烟气SO_(2)浓度软测量建模,并与其它先进算法进行性能比较.实验结果表明所提算法能有效剔除冗余变量,降低模型复杂度并提高其预测性能.

基于EEMD-NGO-LSTM神经网络耦合的月径流预测模型及应用

为了提高径流序列的稳定度和精度,减小参数优化不当导致的非线性误差,研究将长短期记忆神经网络(LSTM)、集成经验模态分解(EEMD)和北方苍鹰优化算法(NGO)相结合,构建了EEMD-NGO-LSTM耦合预测模型。将此预测模型应用于模拟东辽河中下游的控制总站——王奔水文站2012年~2021年逐月径流过程,并与鲸鱼算法(WOA)以及灰狼算法(GWO)优化的长短期记忆神经网络进行模型比较。结果表明,EEMD-NGO-LSTM耦合预测模型的超参数迭代速度最快,精度最高,预测结果最接近实测值,其决定系数R^(2)为0.8643。而后采用CMIP6气候模式(SSP126情景)下的2030年的降水、气温数据输入模型进行预测,在气温上升1℃,降水不变的情景下,年径流量将增加6.61%;在降水升高5%,气温不变的情景下,年径流量将增加6.95%;在气温上升1℃、降水升高5%的情境下,年径流量将增加22.16%。

基于CNN-LSTM混合神经网络的卷烟滤棒质量预测

为了在卷烟生产数据中挖掘出滤棒生产过程的有效信息,解决各批次产品质量检测困难的问题,结合卷积神经网络的特征提取能力与长短期记忆网络处理时序数据的有效性,提出了基于CNN-LSTM混合神经网络的卷烟滤棒质量预测模型。该模型通过卷积层提取输入数据的局部特征,然后在LSTM层中捕捉特征之间的时序关系,分层结构使其具有同时处理不同时间维度信息的能力,从而提升了预测精度。将滤棒的质量定义为圆周值与吸阻值两个物理量,利用卷烟厂6万余条实时生产数据进行模型训练和预测,结果表明:以平均绝对百分误差(MAPE)作为评价标准,圆周指标预测误差为0.078%,吸阻指标预测误差为1.42%,对比各类传统机器学习方法,CNN-LSTM混合神经网络表现出了更高的精确性。该方法可为快速准确地预测卷烟滤棒质量提供技术支持,提升烟草工业的自动化水平。