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Research on PM_(2.5) Concentration Prediction Algorithm Based on Temporal and Spatial Features
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作者 Song Yu Chen Wang 《Computers, Materials & Continua》 SCIE EI 2023年第6期5555-5571,共17页
PM2.5 has a non-negligible impact on visibility and air quality as an important component of haze and can affect cloud formation and rainfall and thus change the climate,and it is an evaluation indicator of air pollut... PM2.5 has a non-negligible impact on visibility and air quality as an important component of haze and can affect cloud formation and rainfall and thus change the climate,and it is an evaluation indicator of air pollution level.Achieving PM2.5 concentration prediction based on relevant historical data mining can effectively improve air pollution forecasting ability and guide air pollution prevention and control.The past methods neglected the impact caused by PM2.5 flow between cities when analyzing the impact of inter-city PM2.5 concentrations,making it difficult to further improve the prediction accuracy.However,factors including geographical information such as altitude and distance and meteorological information such as wind speed and wind direction affect the flow of PM2.5 between cities,leading to the change of PM2.5 concentration in cities.So a PM2.5 directed flow graph is constructed in this paper.Geographic and meteorological data is introduced into the graph structure to simulate the spatial PM2.5 flow transmission relationship between cities.The introduction of meteorological factors like wind direction depicts the unequal flow relationship of PM2.5 between cities.Based on this,a PM2.5 concentration prediction method integrating spatial-temporal factors is proposed in this paper.A spatial feature extraction method based on weight aggregation graph attention network(WGAT)is proposed to extract the spatial correlation features of PM2.5 in the flow graph,and a multi-step PM2.5 prediction method based on attention gate control loop unit(AGRU)is proposed.The PM2.5 concentration prediction model WGAT-AGRU with fused spatiotemporal features is constructed by combining the two methods to achieve multi-step PM2.5 concentration prediction.Finally,accuracy and validity experiments are conducted on the KnowAir dataset,and the results show that the WGAT-AGRU model proposed in the paper has good performance in terms of prediction accuracy and validates the effectiveness of the model. 展开更多
关键词 Spatiotemporal fusion pm2.5 concentration prediction graph neural network recurrent neural network attention mechanism
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基于粒子群算法和注意力机制的LSTM的PM_(2.5)预测研究
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作者 冀东 刘祖涵 +1 位作者 王莉莉 涂翔 《西华师范大学学报(自然科学版)》 2024年第3期327-334,共8页
PM_(2.5)是空气质量的重要影响因素之一,更加准确地预测PM_(2.5)的含量,对于预报空气质量变化、空气治理和促进科学绿色发展都有着重要的作用。本文提出一种基于粒子群算法和注意力机制的长短期记忆网络(LSTM)模型,该模型既具备了LSTM... PM_(2.5)是空气质量的重要影响因素之一,更加准确地预测PM_(2.5)的含量,对于预报空气质量变化、空气治理和促进科学绿色发展都有着重要的作用。本文提出一种基于粒子群算法和注意力机制的长短期记忆网络(LSTM)模型,该模型既具备了LSTM可以轻松提取数据的时间维度信息的能力,又具备了注意力机制可以完美解决特征权重分配的能力,可以较为准确地对空气中PM_(2.5)含量进行预测。通过与K近邻回归、支持向量回归、循环神经网络和未进行寻优处理的基于注意力机制的LSTM等模型进行对比试验,证明了基于粒子群算法和注意力机制的LSTM在预测空气中PM_(2.5)含量时具有更佳的性能,且模型的均方误差(MSE)、平均绝对误差(MAE)在保证相同相关系数(R^(2))的情况下,降低了50%以上。 展开更多
关键词 pm_(2.5) 长短期记忆网络 注意力机制 粒子群算法 预测
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基于注意力机制的CNN-ILSTM地铁站PM_(2.5)预测建模
3
作者 朱菊香 谷卫 +2 位作者 罗丹悦 潘斐 张赵良 《中国测试》 CAS 北大核心 2024年第7期53-62,共10页
为提高PM_(2.5)的预测精度,提出一种基于卷积神经网络(CNN)、改进长短期记忆网络(ILSTM)和注意力机制(attention)组合的预测模型。ILSTM删除LSTM中的输出门,改进其输入门和遗忘门,并引入转换信息模块(CIM),以防止学习过程中的过饱和。... 为提高PM_(2.5)的预测精度,提出一种基于卷积神经网络(CNN)、改进长短期记忆网络(ILSTM)和注意力机制(attention)组合的预测模型。ILSTM删除LSTM中的输出门,改进其输入门和遗忘门,并引入转换信息模块(CIM),以防止学习过程中的过饱和。该模型将一维卷积神经网络的特征提取和改进长短期记忆网络学习序列依赖性的能力相结合,得到过去不同时间特征状态对未来PM_(2.5)浓度的影响,可以有效模拟PM_(2.5)在时间和空间上的依赖性,并通过注意力机制自动权衡过去的特征状态,进一步提升PM_(2.5)预测的准确度。实验结果表明:CNN-ILSTM-attention模型的拟合度达到98.5%,与LSTM模型、CNN-LSTM模型和CNN-ILSTM模型相比,分别提高26%、9.2%和6.2%,具有较高的预测精度和应用价值。 展开更多
关键词 卷积神经网络 改进长短期记忆网络 pm_(2.5)浓度预测 注意力机制
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联合Transformer注意力机制的PM_(2.5)浓度预测网络研究 被引量:1
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作者 刘恩海 付英健 +3 位作者 张智 李妍 赵娜 张军 《安全与环境学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第10期3760-3768,共9页
应用深度学习技术进行PM_(2.5)浓度预测方法的研究,提出联合Transformer注意力机制的循环预测网络。模型的核心是多头注意力-长短期记忆网络(MH-LSTM),通过构建统一记忆单元捕捉时空特征关联。MH-LSTM单元使用LSTM联合Transformer注意... 应用深度学习技术进行PM_(2.5)浓度预测方法的研究,提出联合Transformer注意力机制的循环预测网络。模型的核心是多头注意力-长短期记忆网络(MH-LSTM),通过构建统一记忆单元捕捉时空特征关联。MH-LSTM单元使用LSTM联合Transformer注意力机制对时间变化和全局空间特征统一建模形成记忆信息。记忆信息“之”字流向跨越堆叠的MH-LSTM模块,高层记忆信息辅助下一时刻低层记忆信息的获取。应用该模型结合河北省生态环境监测中心提供的PM_(2.5)浓度数据开展预报试验,结果表明,相对于卷积LSTM网络(ConvLSTM)、预测循环神经网络(PredRNN)、双重记忆网络(MIM),该模型预测的平均绝对误差分别减小了18.13%、10.23%、9.62%,实现了同时捕捉PM_(2.5)浓度的时空相关性,具有更优预测性能。 展开更多
关键词 环境学 pm_(2.5)浓度预测 transformer注意力机制 时空建模
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基于多分辨率弹性门控注意力和高斯混合模型的地铁站PM_(2.5)浓度区间预测
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作者 方亚民 刘辉 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第8期2818-2832,共15页
地铁是城市中短途通勤的主流交通工具。然而,由于地铁站内空气流动性差,所以监测地铁空气质量并提供高污染预警具有重大意义。为解决地铁站内空气质量预警问题,本文提出了一个概率预测框架。首先,采用基于概率损失的自动编码器对PM_(2.5... 地铁是城市中短途通勤的主流交通工具。然而,由于地铁站内空气流动性差,所以监测地铁空气质量并提供高污染预警具有重大意义。为解决地铁站内空气质量预警问题,本文提出了一个概率预测框架。首先,采用基于概率损失的自动编码器对PM_(2.5)数据进行检测并纠正异常值。其次,采用多分辨率弹性门控注意力机制改进序列到序列(Seq2Seq)中编码器的结构,以减弱预测过程中的误差累积和历史信息丢失。此外,将多输出策略和弹性门控注意力机制相结合,来改进Seq2Seq中解码器的结构,以减少预测时的误差累积。最后,在Seq2Seq的输出端嵌入高斯混合模型(Gaussian mixture model,GMM),使其能够适应浓度分布的变化并生成浓度的概率分布。所提出的模型在第1步、3步和5步预测中的平均MAPE分别为0.94%、1.16%和1.26%。模型对地铁站PM_(2.5)数据的测试结果表明,与其他模型相比,所提出的模型的Pinball loss和Winkler score更小。 展开更多
关键词 pm_(2.5) 地铁站 混合高斯分布 区间预测 注意力机制
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一种前向小波神经网络实现PM_(2.5)浓度的预测
6
作者 滕达 杜景林 胡玉杰 《现代电子技术》 2021年第15期109-114,共6页
PM_(2.5)作为主要的空气污染物,科学有效地预测其浓度能够让人们采取预防措施以减少对人体的伤害。使用传统的方法检测空气中PM_(2.5)的浓度收效甚微且成本高,这是因为PM_(2.5)组成成分复杂,并且其浓度的变化是一种非线性动态过程。因此... PM_(2.5)作为主要的空气污染物,科学有效地预测其浓度能够让人们采取预防措施以减少对人体的伤害。使用传统的方法检测空气中PM_(2.5)的浓度收效甚微且成本高,这是因为PM_(2.5)组成成分复杂,并且其浓度的变化是一种非线性动态过程。因此,进行快速有效的预测PM_(2.5)浓度意义重大。文中采用了具有时域和频域二维信号处理能力且收敛速度较快的前向小波神经网络预测空气中的PM_(2.5)浓度,预处理后的数据输入到网络中进行训练和测试。结果表明,相比于BP和PSO⁃BP神经网络,小波神经网络对PM_(2.5)浓度的预测精度较高,降低了错误率,并且有效地减小了预测偏差,说明该方法用于空气的质量预测是可行的。 展开更多
关键词 pm_(2.5)浓度 前向小波神经网络 小波变换 非线性关系 鲁棒性 目标函数 母小波层 空气质量预测
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基于注意力常微分方程的PM_(2.5)浓度预测及其可解释性分析
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作者 王培晓 张恒才 +1 位作者 张彤 陆锋 《地球信息科学学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第6期1363-1373,共11页
可解释的准确预测PM_(2.5)浓度变化可以有助于人类规避暴露风险,对人类健康风险评估和政策实施具有重要意义。目前已有PM_(2.5)浓度预测模型过多专注于提升模型预测精度,但忽略了模型的可解释性,造成模型可复用性和可信任度较差。鉴于此... 可解释的准确预测PM_(2.5)浓度变化可以有助于人类规避暴露风险,对人类健康风险评估和政策实施具有重要意义。目前已有PM_(2.5)浓度预测模型过多专注于提升模型预测精度,但忽略了模型的可解释性,造成模型可复用性和可信任度较差。鉴于此,本文提出了一种兼顾模型预测精度与模型可解释性的注意力时空常微分方程模型(Attentional SpatioTemporal Ordinary Differential Equation,ASTODE)用于PM_(2.5)浓度预测任务。具体而言,本文将神经常微分方程集成至PM_(2.5)浓度预测任务中,以提升预测模型的可解释性。此外,针对传统神经常微分方程难以挖掘PM_(2.5)浓度数据中空间依赖关系的挑战,本文提出了一种新颖时空导数网络将传统神经常微分方程扩展到了时空常微分方程。针对传统神经常微分方程难以挖掘PM_(2.5)浓度数据中长期依赖关系的挑战,本文设计了一种时空注意力机制去融合多个时间节点的隐藏状态。本文采用真实的PM_(2.5)浓度数据集对提出的ASTODE模型进行了验证。实验结果表明,ASTODE模型不仅在预测精度上优于或逼近于存在的6个基线方法,并且在可视化的视角下具有良好的可解释性。 展开更多
关键词 pm_(2.5)浓度预测 空气污染 节能减排 时空预测 注意力机制 神经常微分方程 时空常微分方程 模型可解释性
原文传递
融合自注意力和时空卷积网络的空气质量预测方法
8
作者 杨国亮 余华声 +1 位作者 夏金龙 黄经纬 《安全与环境学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期4580-4589,共10页
准确预测空气质量对人体健康和社会环境治理具有积极影响。选取北京市35个监测站点自2019年2月1日至2020年1月31日的逐小时空气质量监测数据与气象数据,利用最大信息系数(Maximum Information Coefficient,MIC)对多个监测站点进行空间... 准确预测空气质量对人体健康和社会环境治理具有积极影响。选取北京市35个监测站点自2019年2月1日至2020年1月31日的逐小时空气质量监测数据与气象数据,利用最大信息系数(Maximum Information Coefficient,MIC)对多个监测站点进行空间相关性分析,并通过升降维的卷积方式进行特征提取与信息整合,得到具有时空相关性的输入特征信息;构建融合自注意力(Self-Attention,SA)的时空卷积网络模型(Spatiotemporal Convolutional Network-Self-Attention,STCN-SA),对选定的中心站点进行未来1 h的PM_(2.5)质量浓度预测。结果表明:与常见的循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN)和长短期记忆网络(Long Short-Term Memory Network,LSTM)模型相比,STCN-SA网络模型在平均绝对误差(E_(MAE))、均方根误差(E_(RMSE))和决定系数(R~2)表现出更好的预测性能。此外,该预测模型适用于不同空间位置的监测站点,具有良好的可移植性,可为预测空气污染物质量浓度提供重要参考。 展开更多
关键词 环境工程学 空气质量预测 pm_(2.5)质量浓度 时空相关性 自注意力 时间卷积网络
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基于Informer的PM_(2.5)浓度预测 被引量:7
9
作者 董浩 孙琳 欧阳峰 《环境工程》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期48-54,62,共8页
针对现有PM_(2.5)浓度时序预测模型预测精度不高的问题,基于Informer建立了1个Seq2Seq的单站点PM_(2.5)浓度多步时序预测模型,以历史污染物数据和气象数据为输入,实现对未来一段时间PM_(2.5)浓度的预测。所构建模型基于ProbSparse(概率... 针对现有PM_(2.5)浓度时序预测模型预测精度不高的问题,基于Informer建立了1个Seq2Seq的单站点PM_(2.5)浓度多步时序预测模型,以历史污染物数据和气象数据为输入,实现对未来一段时间PM_(2.5)浓度的预测。所构建模型基于ProbSparse(概率稀疏)自注意力机制提取所输入的序列信息,能够广泛地捕获输入序列的长期依赖信息,并对影响因子之间复杂的非线性关系进行建模,从而提高预测准确度。采用北京市2015—2019年逐小时空气污染物数据与气象数据进行模型训练、验证和测试,建立与循环神经网络(RNN)、长短期记忆网络(LSTM)的对比实验并与其他现有研究方法进行比较,结果表明:对未来1~6 h的PM_(2.5)浓度时序预测,Informer的平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和可决系数(R2)指标均为最好,实现了较为准确的预测。 展开更多
关键词 pm_(2.5)浓度预测 机器学习 INFORMER 自注意力机制 时间序列
原文传递
Deciphering urban traffic impacts on air quality by deep learning and emission inventory
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作者 Wenjie Du Lianliang Chen +4 位作者 Haoran Wang Ziyang Shan Zhengyang Zhou Wenwei Li Yang Wang 《Journal of Environmental Sciences》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第2期745-757,共13页
Air pollution is a major obstacle to future sustainability,and traffic pollution has become a large drag on the sustainable developments of future metropolises.Here,combined with the large volume of real-time monitori... Air pollution is a major obstacle to future sustainability,and traffic pollution has become a large drag on the sustainable developments of future metropolises.Here,combined with the large volume of real-time monitoring data,we propose a deep learning model,iDeepAir,to predict surface-level PM2.5 concentration in Shanghai megacity and link with MEIC emission inventory creatively to decipher urban traffic impacts on air quality.Our model exhibits high-fidelity in reproducing pollutant concentrations and reduces the MAE from 25.355μg/m^(3) to 12.283μg/m^(3) compared with other models.And identifies the ranking of major factors,local meteorological conditions have become a nonnegligible factor.Layer-wise relevance propagation(LRP)is used here to enhance the interpretability of the model and we visualize and analyze the reasons for the different correlation between traffic density and PM_(2.5) concentration in various regions of Shanghai.Meanwhile,As the strict and effective industrial emission reduction measurements implementing in China,the contribution of urban traffic to PM_(2.5) formation calculated by combining MEIC emission inventory and LRP is gradually increasing from 18.03%in 2011 to 24.37% in 2017 in Shanghai,and the impact of traffic emissions would be ever-prominent in 2030 according to our prediction.We also infer that the promotion of vehicular electrification would achieve further alleviation of PM_(2.5) about 8.45% by 2030 gradually.These insights are of great significance to provide the decision-making basis for accurate and high-efficient traffic management and urban pollution control,and eventually benefit people’s lives and high-quality sustainable developments of cities. 展开更多
关键词 pm_(2.5)concentration forecast Traffic emissions Deep learning attention mechanism New energy vehicles
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