基于长短时记忆网络的山区中小流域降雨径流模拟

洪水预报是流域防洪减灾的重要非工程措施之一。目前我国中小河流暴雨洪水灾害频发,但应对短历时强降雨的洪水预报能力仍不强。以安徽省东部山区中小流域为研究对象,引入长短时记忆网络建立流域降雨径流模型,探讨其在山区中小流域的洪水模拟效果。结果表明,考虑降雨输入的空间差异可提升深度学习模型降雨径流模拟预测性能,且长短时记忆网络能够取得优于传统人工神经网络的精度;长短时记忆网络模型有效建立了流域降雨与径流间的复杂非线性关系,模型在所选流域内场次洪水的峰值模拟效果较好,训练、测试集场次洪水峰值合格率均在90%以上;长短时记忆网络内部结构特征与流域水文过程具有较好的相似性,对山区中小流域暴雨洪水非线性关系拟合效果突出。

基于长短时记忆网络和生成对抗网络的VRB储能系统虚假数据注入攻击检测

随着信息技术的不断发展,直流微电网储能系统已成为深度融合的信息物理系统,而精确的荷电状态估计对储能系统的实时监测和安全稳定运行至关重要。针对全钒液流电池(vanadium redox flow battery,VRB)储能系统荷电状态估计中,由虚假数据注入攻击导致的异常数据检测问题,提出一种基于长短时记忆网络和生成对抗网络的检测方法。首先,建立了VRB等效电路模型和虚假数据注入攻击模型;然后,通过训练长短时记忆网络和生成对抗网络组成的循环网络,将长短时记忆神经网络嵌入生成对抗网络框架作为生成器和鉴别器来分析电池时序数据,通过判别网络中的判别损失误差和生成网络中的重构残差得到异常损失进行综合判断;最后,以CEC-VRB-5kW型号电池为对象,并构造不同强度的虚假数据攻击进行实验,验证检测方法的准确性与可行性。结果表明,与经典循环神经网络、随机森林、自编码器、长短时记忆网络检测方法进行对比,所提方法具有较高的检测精度,在VRB储能系统荷电状态估计中能够有效辨识虚假数据攻击。

基于长短期记忆网络的授时欺骗检测方法

时空信息安全是国家关键基础设施安全的基础,时间系统被阻断或受到干扰会对国家经济带来巨大损失,甚至对国防安全造成重大威胁.现有授时欺骗检测方法主要对接收机时钟模型变化特点建立模型,对欺骗进行检测.由于攻击方式的不确定性和建立的接收机时钟模型计算拟合过程中自身存在的系统误差,时钟模型参数准确拟合难度较大.环境适应能力较低.基于此,本文提出一种基于长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)的授时欺骗检测方法.该方法无需考虑授时欺骗的攻击方式,泛化能力强.根据授时欺骗前后接收机钟差变化的特点,利用LSTM优异的时间序列预测能力对接收机钟差变化趋势进行准确跟踪,实现对授时欺骗干扰的有效检测.最后使用TEXBAT(texas spoofing test battery)授时欺骗场景数据进行实验与分析,将LSTM与多层感知机(multilayer perceptron,MLP)进行实验对比.结果表明:LSTM授时欺骗检测的性能优于MLP.

基于双重分解和双向长短时记忆网络的中长期负荷预测模型

针对中长期电力负荷序列噪声含量高、难以直接提取序列周期规律从而影响预测精度的问题,提出了一种基于完全自适应噪声集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,CEEMDAN)和奇异谱分析(singular spectrum analysis,SSA)双重分解的双向长短时记忆网络(bidirectional long and short time memory,BiLSTM)预测模型。首先,采用CEEMDAN对历史负荷进行分解,以得到若干个周期规律更为清晰的子序列;再利用多尺度熵(multiscale entropy,MSE)计算所有子序列的复杂程度,根据不同时间尺度上的样本熵值将相似的子序列重构聚合;然后,利用SSA去噪的功能,对高度复杂的新序列进行二次分解,去除序列中的噪声并提取更为主要的规律,从而进一步提高中长序列预测精度;再将得到的最终一组子序列输入BiLSTM进行预测;最后,考虑到天气、节假日等外部因素对电力负荷的影响,提出了一种误差修正技术。选取了巴拿马某地区的用电负荷进行实验,实验结果表明,经过双重分解可以将均方根误差降低87.4%;预测未来一年的负荷序列时,采用的BiLSTM模型将拟合系数最高提高2.5%;所提出的误差修正技术可将均方根误差降低9.7%。

基于长短时记忆网络的恒温水浴锅温度模型预测

【目的】由于恒温水浴锅温度系统存在强非线性及大滞后性,本研究提出一种基于长短时记忆网络的恒温水浴锅温度模型预测方法。【方法】首先,对采集到的数据进行标准化处理,寻找长短时记忆网络的最优结构及超参数,用来拟合出最佳的数据映射特征,并构建恒温水浴锅温度的动态数学模型。其次,通过模型对未来一段时间内的温度趋势进行预测。最后,使用本研究提出的方法与最小二乘法所预测的结果进行对比分析。【结果】本研究所提方法构建的模型的拟合度达到了98.2%,预测结果的MSE及MAE比最小二乘法模型分别降低了4.616、0.823。【结论】本研究所提方法具有更高的预测精度,对提高恒温水浴锅的生产效率及控制精度具有重要意义。

融合BERT和双向长短时记忆网络的中文反讽识别研究

用户对微博热点话题进行评论时会使用反语、讽刺的修辞手法,其本身带有一定的情感倾向会对情感分析结果造成一定影响。因此该文主要针对中文微博评论进行反讽识别,构建了一个包含反语、讽刺和非反讽的三分类数据集,提出一个基于BERT和双向长短时记忆网络(BiLSTM)的模型BERT_BiLSTM。该模型通过BERT生成含有上下文信息的动态字向量,输入BiLSTM提取文本的深层反讽特征,在全连接层传入softmax对文本进行反讽识别。实验结果表示,在二分类和三分类数据集上,提出的BERT_BiLSTM模型与现有主流模型相比准确率和F1值均有明显提高。

基于卷积长短时记忆网络的短时公交客流量预测

针对传统的短时客流预测方法没有考虑到时序特征中跨时段客流之间的相似性问题,提出一种改进k-means聚类算法与卷积神经网络和长短时记忆网络相结合的短时客流量预测模型k-CNN-LSTM。通过k-means算法对跨时段时序数据进行聚类,使用间隔统计确定k值,构建交通流矩阵模型,采用CNN-LSTM网络处理具有时空特征的短时客流。该模型能够对具有空间相关性的数据进行较为准确的预测。使用真实数据集对模型进行检验和参数调优,实验结果表明:k-CNN-LSTM模型较其他模型有相对较高的预测精度。

GPU异构计算环境中长短时记忆网络模型的应用及优化

随着深度学习的广泛应用及算力资源的异构化,在GPU异构计算环境下的深度学习加速成为又一研究热点。文章探讨了在GPU异构计算环境中如何应用长短时记忆网络模型,并通过优化策略提高其性能。首先,介绍了长短时记忆网络模型的基本结构(包括门控循环单元、丢弃法、Adam与双向长短时记忆网络等);其次,提出了在GPU上执行的一系列优化方法,如CuDNN库的应用及并行计算的设计等。最终,通过实验分析了以上优化方法在训练时间、验证集性能、测试集性能、超参数和硬件资源使用等方面的差异。

基于长短时记忆网络的顶托影响下干支流洪水模拟研究

干支流交汇河段易发生洪水相互顶托现象,造成河段持续处于高水位,极大地增加了洪水模拟的难度。以三岔河口上游受顶托影响显著的嫩江大赉站为研究对象,首先分析识别大赉站历史洪水的顶托关系,并根据洪水顶托关系划分洪水类型;在此基础上采用长短时记忆(LSTM)网络建立洪水模拟模型,评估模型的模拟效果。结果表明,采用流量、水位变化率可以较为有效地识别洪水顶托关系,历史上嫩江受到洪水顶托影响的年份较多;LSTM模型输入中仅考虑上游来水对大赉站流量模拟精度影响相对较小,而对水位模拟精度影响显著;考虑顶托影响的LSTM模型对大赉站的流量、水位模拟精度均较高。可见,所构建的LSTM模型能较准确地模拟出顶托影响下的大赉站洪水过程,为类似流域或站点的洪水模拟提供参考。

基于卷积长短时记忆网络的国际平整度指标预测

公路的快速发展带来了对路面各项指标快速检测和分析的需求,针对路面国际平整度指标的特点,提出使用卷积神经网络与长短期记忆神经网络的结合(CNN-LSTM)对国际平整度指标进行预测,卷积神经网络和长短期记忆神经网络分别学习激光雷达距离数据的空间维度特征和时间维度特征,完成对平整度指标的预测。实验结果表明,相比较与LSTM网络,CNN-LSTM模型的MAPE值仅有2.3488,准确度和召回率分别达到90.61%和87.89%。通过真实值和预测值的对比可以发现CNN-LSTM更加适用于国际平整度指标的预测。

基于张量空谱卷积长短时记忆网络的遥感图像分类模型

基于遥感图像的地物要素分类与提取是实现数字化战场建设、智能化战场感知的关键支撑技术之一。实际应用平台运算资源有限、样本匮乏导致训练不充分等制约深度神经网络的遥感图像地物分类效果。基于张量链式分解和权重共享,设计空谱卷积长短时记忆单元的两种张量扩展结构,提出轻量级张量空谱卷积长短时记忆网络用于遥感图像分类。在两个公开高光谱遥感图像数据集进行实验,该算法仅需0.34MB存储空间,较同类方法实现更优分类性能。

基于长短时记忆神经网络的励磁涌流与故障电流识别方法

变压器空载合闸时产生励磁涌流导致差动保护误动作的问题至今仍未能被完全解决.针对该问题,提出一种利用长短时记忆(LSTM)神经网络识别励磁涌流与故障电流的方法.首先,在PSCAD软件平台上搭建变压器空载合闸及内部故障仿真模型,通过仿真产生大量三相电流瞬时采样数据作为训练神经网络的样本集;然后,利用Keras平台搭建LSTM神经网络模型并完成训练;最后,利用新的仿真数据和现场故障录波数据对训练好的LSTM神经网络进行测试.结果表明LSTM神经网络可以快速准确地区分各种情况下的励磁涌流和故障电流,从而证实该方法的有效性.

基于时空长短时记忆神经网络的地基云图预测算法

针对传统云运动轨迹预测方法存在的预测精度差、空间结构细节信息丢失等问题,提出一种基于时空长短时记忆(ST-LSTM)神经网络的地基云图预测模型。首先使用卷积编码网络提取输入视频流的高维图像特征;然后在特征提取模型中对图像潜在信息进行多分支获取,一部分使用ST-LSTM神经网络提取不同帧之间的时空特征,另一部分将图像序列进行分解,并通过基于门控机制的记忆融合网络来获取分解后图像中的结构细节信息;最后将得到的分支特征进行组合后经过解码网络输出最终的预测视频流。在地基云图、Moving MNIST和Human 3.6M数据集上的实验结果表明,在图像预测准确率、结构细节信息保留效果以及人眼主观感受上,该预测模型均优于对比模型。与基准模型TaylorNet相比,所提模型在Moving MNIST数据集上均方误差指标和平均绝对误差指标分别降低15.7%和11.8%,在地基云图数据集上,其结构相似性指标与峰值信噪比指标分别提升1%和3.2%,且生成的视频流数据更为清晰,能够更准确地描述云层未来的运动状况,从而更可靠地预测光伏电站未来的输出功率。

基于长短时记忆神经网络的Multi-GNSS卫星钟差建模预报

针对卫星钟差预报中二次多项式模型存在易受噪声干扰、预报精度不高的问题,构建一种基于长短时记忆神经网络的multi-GNSS卫星钟差预报模型,并分析不同卫星系统、不同钟类型基于不同建模方案的模型精度。为验证该模型的有效性和可行性,利用LSTM模型、QP模型、QP-LSTM模型分别基于12 h和24 h钟差序列进行建模,预报1 h、3 h、6 h、12 h钟差。结果表明,LSTM模型建模24 h、预报1 h精度最高。multi-GNSS卫星钟差LSTM预报模型中Galileo系统精度最高,其次为BDS-2系统和GPS系统,GLONASS系统精度最低,精度分别为0.018 ns、0.069 ns、0.133 ns、0.242 ns。不同原子钟预报精度不同,氢原子钟预报精度优于铷原子钟、铯原子钟。LSTM神经网络模型预报精度相较于QP-LSTM模型提升27%,相较于QP模型提升36%。

基于优化长短时记忆网络的海面微弱目标检测

针对强混沌背景噪声下传统方法难以检测微弱目标信号的问题,研究了混沌相空间重构理论和麻雀寻优算法,提出一种基于优化长短时记忆网络(LSTM)的混沌背景下微弱信号检测方法。利用麻雀搜索算法优化LSTM模型参数,提高模型预测精度,降低目标检测门限,结合LSTM模型进行单步预测,利用预测误差从强海杂波背景下检测出微弱目标信号。以Lorenz混沌系统作为混沌背景进行仿真实验,对叠加的小信号进行检测,结果表明,该方法能够有效地检测微弱信号,其预测的均方根误差0.00171(信噪比为-137.707 dB),相较于传统神经网络预测模型、LSTM预测模型、GA-LSTM预测模型、PSO-LSTM预测模型均有显著提升。利用IPIX雷达信号进行预测实验,进一步验证了该方法的有效性。

长短时记忆网络与新安江模型耦合的降雨径流模拟性能

深度学习技术在降雨径流模拟方面具有广阔应用前景,但受训练样本限制,需与传统水文模型相耦合,由传统水文模型提供训练数据。耦合数据的选择和超参数方案对耦合模型的模拟性能影响显著,但尚未有专门的研究。本文以东湾流域为例,用双向长短时记忆网络耦合新安江模型不同模块数据,并用灰狼优化算法优化超参数,构建降雨径流模型。结果表明:模型耦合不同数据时,对日径流和场次洪水的模拟性能均有提高,尤以耦合产流量和模拟流量数据时最为明显。不同耦合数据需调整超参数方案,灰狼优化算法可满足需求。本研究为提高耦合模型径流模拟能力提供了新思路和新方法。

基于改进灰狼算法优化双向长短时记忆神经网络的水冷壁壁温预测

提出一种基于改进灰狼(MGWO)算法优化双向长短时记忆(BiLSTM)神经网络的水冷壁壁温预测模型,灰狼算法采用非线性因子调整策略、自适应位置更新策略和动态权重修改策略进行改进以提升算法的全局寻优能力,利用改进灰狼算法优化BiLSTM模型的隐藏层数量、学习率和正则化参数以提高模型的预测精度,采用新疆某电厂的数据进行预测仿真,结果表明:改进后的算法预测精度更高,在机组升、降负荷时,均可以预测到壁温的变化趋势,模型的平均均方根误差相比于长短时记忆(LSTM)神经网络、BiLSTM模型分别降低了9.86%和3.69%,且可以提前预测到水冷壁壁温的超温情况,对于预防水冷壁超温有重要意义。

基于双向长短时记忆网络和自注意力机制的药物-药物相互作用预测

提出了一种基于双层双向长短时记忆网络(bi-directional long short term memory,BiLSTM)和自注意力(self-attention)机制的药物-药物相互作用(drug-drug interactions,DDIs)预测方法SA-BiLSTM。首先,利用FP3指纹、MACCS指纹、Pubchem指纹和PaDEL分子描述符对药物特征信息进行提取。其次,使用套索回归(least absolute shrinkage and selection operator,Lasso)方法消除对分类无关的特征,并利用重复编辑最近邻(repeated edited nearest neighbors,RENN)方法对数据进行平衡处理,得到最优特征向量。最后,将最优特征向量输入结合自注意力机制和双向长短时记忆网络的分类器预测DDIs。基于五折交叉验证,同时与其它预测方法进行比较,本工作所提出的方法在两个数据集上获得较高的预测准确率。为了综合评价SA-BiLSTM的性能,对药物-药物相互作用网络进行验证。实验结果表明,SA-BiLSTM表现出优秀的预测能力,可以为DDIs的预测提供一种新的思路。

基于长短时记忆神经网络易损性分析的适用性研究

桥梁的损坏或失效可能导致严重的人员伤亡和巨大的经济损失。因此,对桥梁的破坏损失和地震性能进行准确的定量评估至关重要。为了实现这一目标,通常会采用构建易损性曲线的方法。易损性曲线表征在给定地震动强度下,桥梁部件或结构达到或超过某一破坏程度的条件概率。采用桥墩位移延性比作为损伤指标,利用长短时记忆(long short-term memory,简称LSTM)神经网络成功地建立了桥梁地震易损性曲线。研究结果表明,该模型展现了高计算效率和精度,可快速而准确地预测地震作用下桥梁结构构件的损伤指标。

基于图嵌入长短时记忆神经网络的非线性动态过程监控与诊断

针对复杂工业过程存在的非线性、动态性,以及故障标签难获取等特征,提出一种图嵌入长短时记忆神经网络在线监控与故障诊断方法。首先,对正常工况下采集的多维时序数据进行图嵌入,获得结构信息。其次,采用图注意力神经网络融合结构信息,并将融合后的结构信息输入用于预测的长短时记忆神经网络中。最后,提出一种新的基于预测误差指标的非线性动态过程在线监控方法和基于因果分析图的故障诊断方法。采用田纳西-伊斯曼数据集进行实验验证,结果表明了所提方法的有效性。