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。

基于互信息粒子群优化-长短期记忆神经网络医疗设备运行质量预测模型的慢性呼吸系统疾病诊疗设备智能管理研究

目的:基于互信息粒子群优化(PSO)-长短期记忆(LSTM)神经网络构建医疗设备运行质量预测模型,辅助慢性呼吸系统疾病诊疗设备智能管理。方法:采集设备基本数据、使用数据、维修数据和性能数据进行去噪和标准化处理,构建基于PSO-LSTM神经网络医疗设备运行质量预测模型(简称PSO-LSTM模型),制定设备使用、维护、维修及报废的智能管理方案。选取2019年8月至2023年7月新疆维吾尔自治区人民医院呼吸科临床在用的139台医疗设备,将2019年8月至2021年7月的67台设备采用经验管理模式,2021年8月至2023年7月的72台设备采用智能管理模式。计算传统循环神经网络(RNN)、LSTM神经网络模型训练集和测试集与PSO-LSTM神经网络模型的预测准确性,对比两种管理模式设备管理质量和设备使用操作与技术保障人员以及患者或家属对两种管理模式的管理满意度。结果:PSO-LSTM模型训练集预测准确性的平均绝对百分比误差(MAPE)值和均方根差(RMSE)值分别为0.014和0.008,测试集分别为0.032和0.018,均低于RNN和LSTM模型。采用智能管理模式的设备平均故障频次、平均开机率、管理成本平均增幅、平均维护执行率及平均报废合规率分别为(0.99±0.85)次/年、(95.74±2.16)%、(1.72±1.28)%、(96.49±1.97)%和(97.59±1.49)%,平均故障频次和管理成本平均增幅低于经验管理模式,平均开机率、平均维护执行率和平均报废合规率高于经验管理模式,差异有统计学意义(t=3.297、3.469、2.394、4.187、3.503,P<0.05);设备使用操作与技术保障人员及患者或家属对采用智能管理模式的设备性能、运行质量、管理方式、管理成本以及诊疗效果满意度评分分别为(94.73±1.85)分、(93.38±3.15)分、(93.48±2.02)分、(94.35±2.34)分和(95.14±2.07)分,均高于经验管理模式,差异有统计学意义(t=4.131、3.827、5.716、3.430、3.173,P<0.05)。结论:基于PSO-LSTM神经网络医疗设备运行质量预测模型能更准确地评估设备运行状况,提高医疗设备临床运行质量,改善临床服务满意度。

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。

基于卷积神经网络和双向长短期记忆网络的气温预测模型

气温与环境要素之间存在非线性关系,针对传统的预测方法难以捕捉数据的内在特征和时间相关性问题,提出一种基于卷积神经网络与双向长短期记忆网络相结合的气温预测模型。基于宿迁四个国家气象观测站的逐小时观测数据,首先通过一维卷积神经网络提取气象要素数据的空间特征,然后将这些特征引入双向长短期记忆网络中来全面学习并掌握气象要素的上下文信息,进而对气温进行有效预测。实验结果表明,与其他的预测方法相比,所提模型在空间特征提取和时序特征学习方面表现卓越,且其在气温预测的精度上有显著的优势。

基于改进注意力机制的时间卷积网络-长短期记忆网络短期电力负荷预测

为充分挖掘蕴含在电力负荷数据中的有效时序信息,提高短期电力负荷预测准确度,本文提出一种基于改进注意力机制的时间卷积网络(TCN)-长短期记忆(LSTM)网络负荷预测模型。首先,将时序数据输入TCN模型中进行时序特征提取;然后,将所提取的时序特征与非时序数据组合,并输入LSTM模型中进行训练;最后,采用贝叶斯优化方法进行超参数寻优以获得TCN-LSTM模型的最优参数,引入通过多层感知器(MLP)改进的注意力机制以减少历史信息丢失并加强重要信息的影响,完成短期负荷预测。通过对比多种深度学习模型的预测效果表明,本文所提模型的短期电力负荷预测准确度更高。

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。

基于长短期记忆网络的大蒜价格预测模型研究

大蒜是一种重要农产品,其价格波动会给农民、经销商和消费者带来较大影响。因此,准确预测大蒜价格对决策制定、市场规划和风险管理起到至关重要的作用。基于长短期记忆网络算法来分析大蒜价格历史数据,利用核主成分分析法对数据进行特征提取,得到最优参数的预测模型,并对大蒜价格进行短期预测。结果表明,基于KPCA的LSTM模型在对大蒜价格预测时达到预期良好效果,与传统的神经网络和时序模型相比,其具有更高的准确度和稳定性。

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。

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。

基于残差双向长短期记忆效应网络模型的电力企业碳排放预测

针对电力企业碳排放核算时间长、连续排放监测系统误差大及传统模型拟合困难等问题,结合电力企业燃料燃烧的特性及现有污染物在线监测结果,成功构建了电力行业碳排放的残差双向长短期记忆效应网络(ResNet-BiLSTM)模型,并以浙江省113家电力企业的数据为样本进行验证。结果表明:与目前主流数据预测算法逻辑回归(Regression)、循环神经网络(RNN)、反向传播神经网络(BPNN)模型相比,ResNet-BiLSTM模型的平均绝对百分比误差分别低5.7、4.1、2.8百分点,对碳排放量的预测更贴近电力企业核算碳排放波动情况,且预测准确率(96%)最高。ResNet-BiLSTM模型的成功应用不仅为电力企业提供了新的碳排放预测途径,同时为提高相关管理部门的碳排放数据监管效率提供了支持。

基于扩散模型和双向长短期记忆网络的锂电池SOH估计

【目的】锂电池健康状态(state of health, SOH)的精确预测评估可以提高电池设备的安全性,降低故障的发生率。针对数据驱动方法在模型训练过程中需要大量标签样本数据的问题,提出了一种新的基于扩散模型和双向长短期记忆网络的锂电池SOH估计方法。【方法】首先,建立电池充电时间、电压和温度三者间的长期依赖关系云图;其次,设计一个时空信息捕捉模块,将该模块捕获的长期依赖信息作为扩散模型的生成条件,赋予扩散模型电池SOH数据生成能力;最后,利用双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)对部分由原始数据和生成数据混合而成的电池数据集进行训练,并利用剩余的原始数据作为测试集对所提方法进行验证。【结果】验证结果表明,该方法不仅可以减少收集电池数据类型的周期和成本,而且能够有效预测电池SOH。【结论】该方法在电池SOH估计上具备良好的精度,可进一步探索其他电池数据集组合,优化模型结构,提高电池管理系统。

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。

基于变分模态分解的卷积长短时记忆网络短期电力负荷预测方法

电力负荷序列易受多重外部因素影响而呈现复杂性,不利于精准预测。为此,提出一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)的卷积神经网络和长短期记忆网络(convolutional neural network and long short-term memory network,CNN-LSTM)相结合的短期电力负荷并行预测方法。先采用VMD将负荷数据分解为规律性强的各本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)及残差;再将各分量分别输入到各自对应的CNN-LSTM混合预测网络,获得各初始预测值,并将该值与由气候、日期类型等组合得到的相关因素特征集相结合,进一步得出修正预测值;最终,叠加各分量修正预测值即得到完整预测结果。在实际负荷数据上做验证分析,结果表明,考虑相关外部因素特征集后日负荷预测平均相对误差均值可降低2.18%。与几种常规负荷预测方法进行效果对比,验证了该方法的有效性和可行性。