大气与环境光学学报 ›› 2021, Vol. 16 ›› Issue (2): 117-126.
张怡文, 袁宏武∗, 孙 鑫, 吴海龙, 董云春
收稿日期:
2019-12-16
修回日期:
2020-11-29
出版日期:
2021-03-28
发布日期:
2021-03-28
通讯作者:
E-mail: yuanhongwu@axhu.edu.cn
E-mail:yuanhongwu@axhu.edu.cn
作者简介:
张怡文 (1980 - ), 女, 安徽阜阳人, 硕士, 教授, 主要从事污染物预测模型的研究。 E-mail: yiwenzh@ustc.edu.cn
基金资助:
ZHANG Yiwen, YUAN Hongwu∗, SUN Xin, WU Hailong, DONG Yunchun
Received:
2019-12-16
Revised:
2020-11-29
Published:
2021-03-28
Online:
2021-03-28
Contact:
wu hongyuan
E-mail:yuanhongwu@axhu.edu.cn
摘要: 大气 PM2:5 浓度是一种具有较强时序特征的数据, 故目前关于 PM2:5 浓度的预测多选择 RNN、 LSTM 等 序列模型进行。但由于 RNN、 LSTM 等模型对不同时刻输入的数据都采用相同的权重进行计算, 不符合类脑设 计, 造成 PM2:5 浓度预报准确率较低。针对以上问题, 提出一种基于 Adam 注意力机制的 PM2:5 预测方法 (AT-RNN 和AT-LSTM), 该方法首先通过 Adam 算法寻找 RNN 或 LSTM 的最优参数并在 Encoder 阶段引入注意力机制, 将 注意力权重分配给具有时间序列特征的输入, 再进行 Decoder 解析和预测。通过实验, 对比了 BP、 RNN、 LSTM 和AT-RNN、 AT-LSTM 预测合肥市 PM2:5 浓度的效果。结果表明, 基于 Adam 注意力模型的预测方法准确率优于其它 方法, 证明该方法在污染物预测中的有效性。
中图分类号:
张怡文, 袁宏武∗, 孙 鑫, 吴海龙, 董云春. 基于Adam 注意力机制的PM2:5浓度预测方法[J]. 大气与环境光学学报, 2021, 16(2): 117-126.
ZHANG Yiwen, YUAN Hongwu∗, SUN Xin, WU Hailong, DONG Yunchun. PM2:5 Concentration Prediction Method Based on Adam′s Attention Model[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2021, 16(2): 117-126.
[1] | Yang Mian, Wang Yin. Spatial-temporal characteristics of PM2:5 and its influencing factors in the Yangtze River Economic |
Belt [J]. China Population·Resources and Environment, 2017, 27(1): 91-100. | |
杨 冕, 王 银. 长江经济带 PM2:5 时空特征及影响因素研究 [J]. 中国人口·资源与环境, 2017, 27(1): 91-100. | |
[2] | Jiang Yuncong, Yang Yuanjian, Wang Hong, et al. Urban-rural differences in PM2:5 concentrations in the representative cities |
of China during 2015∼2018 [J]. China Environmental Science, 2019, 39(11): 4552-4560. | |
姜蕴聪, 杨元建, 王 泓, 等. 2015∼2018 年中国代表性城市 PM2:5 浓度的城乡差异 [J]. 中国环境科学, 2019, 39(11): | |
45 | 52-4560. |
[3] | Liu Shengdong, Shi junnan, Cheng Yong, et al. Review of pollution characteristics of PM2:5 in Chinese representative megacities [J]. Environmental Science Research, 2020, 33(2): 243-251. |
刘晟东, 史君楠, 程 勇, 等. 中国典型城市群 PM2:5 污染特征研究进展 [J]. 环境科学研究, 2020, 33(2): 243-251. | |
[4] | Yao Xuefeng, Ge Baozhu, Zheng Haitao, et al. Spatiotemporal distribution characteristics of PM2:5 concentration and its main |
control factors in China based on multivariate data analysis [J]. Climatic and Environmental Research, 2018, 23(5): 596-606. | |
姚雪峰, 葛宝珠, 郑海涛, 等. 基于多元数据分析的我国 PM2:5 浓度及其主控因子的时空分布特征研究 [J]. 气候与环境 | |
研究, 2018, 23(5): 596-606. | |
[5] | Wei Chunxuan, Huang He, Zhai Zhenfang, et al. Analysis of meteorological elements and forecast method of haze day in |
Hefei, China [J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2019, 14(6): 419-430. | |
魏春璇, 黄 鹤, 翟振芳, 等. 合肥市霾日气象要素特征分析及预报方法研究 [J]. 大气与环境光学学报, 2019, 14(6): | |
41 | 9-430. |
[6] | Luo Hongyuan, Wang Deyun, Liu Yanling, et al. PM2:5 concentration prediction based on two-layer decomposition technique |
and improved extreme learning machine [J]. System Engineering Theory and Practice, 2018, 38(5): 1321-1330. | |
罗宏远, 王德运, 刘艳玲, 等. 基于二层分解技术和改进极限学习机模型的 PM2:5 浓度预测研究 [J]. 系统工程理论与实 | |
践, 2018, 38(5): 1321-1330. | |
[7] | Qiao Junfei, Cai Jie, Han Honggui. Study on prediction of PM2:5 based on T-S fuzzy neural network [J]. English Translation |
of Control Engineering, 2018, 25(3): 391-395. | |
乔俊飞, 蔡 杰, 韩红桂. 基于 T-S 模糊神经网络的 PM2:5 预测研究 [J]. 控制工程, 2018, 25(3): 391-395. | |
[8] | Wu Chunlin, Li Qi, Hou Junxiong, et al. PM2:5 concentration prediction using convolutional neural networks [J]. Mapping |
Science, 2018, 43(8): 72-79. | |
吴春霖, 李 琦, 侯俊雄, 等. 卷积神经网络的 PM2:5 预报模型 [J]. 测绘科学, 2018, 43(8): 72-79. | |
[9] | Li Xiaoli, Mei Jianxiang, Zhang Shan. PM2:5 concentration prediction using BP Adaboost neural network based on modified |
particle swarm optimization [J]. Journal of the Dalian University of Technology, 2018, 58(3): 99-106. | |
李晓理, 梅建想, 张 山. 基于改进粒子群优化 BP Adaboost 神经网络的 PM2:5 浓度预测 [J]. 大连理工大学学报, 2018, | |
58 | (3): 99-106. |
[10] | Zhou Shanshan, Li Wenjing, Qiao Junfei. Prediction of PM2:5 concentration based on self-organizing recurrent fuzzy neural |
network [J]. Journal of Intelligent Systems, 2018, 13(4): 21-28. | |
周杉杉, 李文静, 乔俊飞. 基于自组织递归模糊神经网络的 PM2:5 浓度预测 [J]. 智能系统学报, 2018, 13(4): 21-28. | |
[11] | Cui Xianghui, Xie Jianfeng, Zhang Feng, et al. Establishment of PM2:5 prediction model based on deep learning [J]. Beijing |
Surveying and Mapping, 2017, (6): 22-27. | |
崔相辉, 谢剑锋, 张 丰, 等. 基于深度学习的 PM2:5 预测模型建立 [J]. 北京测绘, 2017, (6): 22-27. | |
[12] | Fan Junxiang, Li Qi, Zhu Yajie, et al. Aspatio-temporal prediction framework for air pollution based on deep RNN [J]. |
Surveying and Mapping Science, 2017, 42(7): 76-83, 120. | |
范竣翔, 李 琦, 朱亚杰, 等. 基于 RNN 的空气污染时空预报模型研究 [J]. 测绘科学, 2017, 42(7): 76-83, 120. | |
[13] | Hu Xinchen. Research on Semantic Relationship Classification Based on LSTM [D]. Harbin: Harbin University of Technology, |
2015. | |
胡新辰. 基于 LSTM 的语义关系分类研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015. | |
[14] | Xie Yi, Rao Wenbi, Duan Pengfei, et al. A Chinese POS tagging approach using CNN and LSTM-based hybrid model [J]. |
Journal of Wuhan University (Science Edition), 2017, 63(3): 246-250. | |
谢 逸, 饶文碧, 段鹏飞, 等. 基于 CNN 和 LSTM 混合模型的中文词性标注 [J]. 武汉大学学报 (理学版), 2017, 63(3): | |
24 | 6-250. |
[15] | Zhao Xiaoqiang, Song Zhaoyang. Adam optimized CNN super-resolution reconstruction [J]. Computer Science and Exploration, 2019, 13(5): 858-865. |
赵小强, 宋昭漾. Adam 优化的 CNN 超分辨率重建 [J]. 计算机科学与探索, 2019, 13(5): 858-865. | |
[16] | Huang Liwei, Jiang Bitao, Lv Shouye, et al. Survey on deep learning based recommender systems [J]. Journal of Computer |
Science, 2018, 41(7): 1619-1647. | |
黄立威, 江碧涛, 吕守业, 等. 基于深度学习的推荐系统研究综述 [J]. 计算机学报, 2018, 41(7): 1619-1647. | |
[17] | Yang Bo, Su Xiaohong, Wang Yadong. A hybrid algorithm based on attention model [J]. Journal of Software, 2005, (6): |
10 | 73-1080. |
杨 博, 苏小红, 王亚东. 基于注意力模型的混合学习算法 [J]. 软件学报, 2005, (6): 1073-1080. | |
[18] | Yang Guanci, Yang Jing, Li Shaobo, et al. Modified CNN algorithm based on Dropout and ADAM optimizer [J]. Journal of |
Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2018, 46(7): 122-127. | |
杨观赐, 杨 静, 李少波, 等. 基于 Dopout 与 ADAM 优化器的改进 CNN 算法 [J]. 华中科技大学学报 (自然科学版), 2018, | |
46 | (7): 122-127. |
[19] | Chang Zihan. Electricity Price Prediction Based on Hybrid Model of Adam optimized LSTM Neural Network and Wavelet |
Transform [D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2019. | |
常子汉. 基于小波变换与 Adam 优化的 LSTM 电价预测研究 [D]. 兰州: 兰州大学, 2019. | |
[20] | Breathe freely[EB/OL]. (2008-05-16) [2018-12-31]. http:// www.pm25.com. |
绿色呼吸[EB/OL]. (2008-05-16) [2018-12-31]. http:// www.pm25.com/. | |
[21] | Wu yunyun, Zhu Jianjun, Zuo Tingying. Investigation on the square root of the linear combination of the squre of RMSE and |
smoothness for the Vondrak filter′s evaluation [J]. Journal of Wuhan University (Information Science Edition), 2012, 37(10): | |
12 | 12-1214. |
吴芸芸, 朱建军, 左廷英. RMSE 的平方与平滑度的线性组合的平方根作为 Vondrak 滤波评价标准的探讨 [J]. 武汉大学 | |
学报 (信息科学版), 2012, 37(10): 1212-1214. |
[1] | 戴刘新, 张莹∗, 李正强, 漏嗣佳. 中国近地面PM2.5 质量浓度卫星遥感数据集比较及历史趋势分析[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(6): 613-629. |
[2] | 张琦锦, 郭映映, 李素文, ∗, 牟福生, ∗. 基于主成分分析的 RBF 神经网络预测 SO2 浓度[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(5): 550-557. |
[3] | 张乐乐, 孙慧兰∗, 杨余辉, 卢宝宝, 刘天弋, 兰小丽, 曹丽君. 伊宁市冬季PM2.5 输送特征及污染源地分析[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(3): 294-303. |
[4] | 杜 娟, 刘春琼, 吴 波, 张 娇, 黄 毅, 史 凯∗. 长株潭城市群PM2.5 多尺度演化的EEMD 和多重分形分析[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(3): 304-316. |
[5] | 许镇义, 王瑞宾, 康 宇, ∗, 曹 洋, 张 聪, 王仁军, . 移动源排放遥测主要影响因素分析及预测[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(2): 220-229. |
[6] | 郭映映, 齐贺香, 李素文∗, 牟福生∗. 基于粒子群算法的BP 神经网络在大气 NO2 浓度预测中的应用研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(2): 230-240. |
[7] | 罗 琼, 冯 淼, 宋丹林, 周 力∗, 陆成伟, 杨复沫, . 成都春季复合污染下PM2:5 的化学消光贡献[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(1): 148-159. |
[8] | 金 钊, 邱康俊∗, 张苗苗. 基于BP 神经网络的能见度估测研究[J]. 大气与环境光学学报, 2021, 16(5): 415-423. |
[9] | 黄 毅, 郑凯莉, 彭立平, 刘春琼, 杨艺池. 基于MF-DCCA 的呼吸道疾病与大气污染物相关性分析[J]. 大气与环境光学学报, 2021, 16(1): 35-43. |
[10] | 李佳欣, 赵 鹏, 方 薇∗, 宋尚香, . 基于深度学习的多角度遥感影像云检测方法[J]. 大气与环境光学学报, 2020, 15(5): 380-392. |
[11] | 张恺 张玉钧 何莹 尤坤 刘国华 陈晨 高彦伟 贺春贵 鲁一冰 刘文清. 基于Fast ICA及神经网络的机动车尾气NO和NO2定量分析研究[J]. 大气与环境光学学报, 2016, 11(6): 435-441. |
[12] | 梁云仙 陈兴龙 王琦 王静鸽 杨阳 倪志波 董凤忠. 神经网络在测定炉渣中Ca和Mg含量的应用[J]. 大气与环境光学学报, 2012, (2): 124-130. |
[13] | 李锡祥 麻金继 梁晓芳. 基于BP神经网络进行云相态识别方法的研究[J]. 大气与环境光学学报, 2010, 5(4): 299-304. |
[14] | 李健 麻金继 吉玮. 基于广义回归神经网络反演悬浮泥沙含量的定量遥感方法[J]. 大气与环境光学学报, 2010, 5(4): 305-310. |
阅读次数 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
全文 449
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要 663
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||