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基于阶段式时序注意力网络的PM2.5鲁棒预测

陆瑶 杨洁 邵智娟 朱聪聪

陆瑶, 杨洁, 邵智娟, 朱聪聪. 基于阶段式时序注意力网络的PM2.5鲁棒预测[J]. 环境工程, 2021, 39(10): 93-100. doi: 10.13205/j.hjgc.202110013
引用本文: 陆瑶, 杨洁, 邵智娟, 朱聪聪. 基于阶段式时序注意力网络的PM2.5鲁棒预测[J]. 环境工程, 2021, 39(10): 93-100. doi: 10.13205/j.hjgc.202110013
LU Yao, YANG Jie, SHAO Zhi-juan, ZHU Cong-cong. PM2.5 ROBUST PREDICTION BASED ON STAGED TEMPORAL ATTENTION NETWORK[J]. ENVIRONMENTAL ENGINEERING , 2021, 39(10): 93-100. doi: 10.13205/j.hjgc.202110013
Citation: LU Yao, YANG Jie, SHAO Zhi-juan, ZHU Cong-cong. PM2.5 ROBUST PREDICTION BASED ON STAGED TEMPORAL ATTENTION NETWORK[J]. ENVIRONMENTAL ENGINEERING , 2021, 39(10): 93-100. doi: 10.13205/j.hjgc.202110013

基于阶段式时序注意力网络的PM2.5鲁棒预测

doi: 10.13205/j.hjgc.202110013
基金项目: 

国家自然科学基金面上项目(41571475)。

详细信息
    作者简介:

    陆瑶(1993-),女,硕士,主要研究方向为大气污染及其防治。Luyao0418@163.com

    通讯作者:

    杨洁(1972-),女,博士,教授,主要研究方向为环境管理与规划、大气污染及其防治。yjagnes@163.com

PM2.5 ROBUST PREDICTION BASED ON STAGED TEMPORAL ATTENTION NETWORK

  • 摘要: PM2.5浓度的预测对于大气污染治理、改善环境质量等起到重要作用。受气象条件变化与大气污染物排放等多种因素的交叉影响,PM2.5预测通常易受突变事件及噪声数据干扰。因此,基于对气象条件以及大气污染物与PM2.5的相关性分析,提出阶段式时序注意力网络模型(staged temporal-attention network,STAN),该方法融合多段注意力学习模块与循环神经网络,建模气象因素与大气污染物对PM2.5浓度的交叉影响。统计分析北京市、上海市、广州市预测结果的绝对误差值,可知:1)对比广泛使用的单一类模型支持向量机(support vector machine,SVM)、长短期时序记忆方法(long short-term memory,LSTM)和多层感知机(multilayer perceptron,MLP),STAN可达到10%以上的性能领先;对比最新的融合类模型U型网络(U-net),STAN领先了7%的优势。2)以北京市冬季预测结果为例进行统计分析,STAN的预测值与实测值之间的拟合系数可有95.2%的性能领先。此外,在鲁棒性分析中发现,STAN在含有10%噪声的数据上进行预测,误差上升幅度仅为9.3%。结果表明:注意力机制与时序学习模块相结合能够深度挖掘PM2.5变化规律并抑制噪声数据,且STAN模型可以进行PM2.5浓度的鲁棒预测。
  • [1] 张西雅,扈海波.基于多源数据的北京地区PM2.5暴露风险评估[J].北京大学学报(自然科学版),2018,54(5):1103-1113.
    [2] CHAK K C, YAO X H. Air pollution in mega cities in China[J]. Atmospheric Environment,2008,42(1):1-12.
    [3] 顾芳婷,胡敏,王渝,等.北京2009-2010年冬、春季PM2.5污染特征[J].中国环境科学, 2016,36(9):2578-2584.
    [4] 陈熙勐,张皓旻,顾万清,等.我国PM2.5主要成分及对人体健康危害研究进展[J].中华保健医学杂志,2019,21(1):83-85.
    [5] 于淼,郭立群,李秋爽,等.PM2.5暴露下皮肤损伤评价方法研究进展[J].环境与职业医学,2019,36(9):869-873

    ,878.
    [6] 段肖肖,刘思秀.PM2.5致病机制的研究进展[J].复旦学报(医学版),2020,47(4):605-614.
    [7] 吴少伟, 邓芙蓉.大气PM2.5与健康:从暴露、危害到干预的系统研究进展[J].中国药理学与毒理学杂志, 2016, 30(8):797-801.
    [8] 王庚辰, 王普才.中国PM污染现状及其对人体健康的危害[J]. 科技导报, 2014,32(26):72-78.
    [9] KIM Y, MANLEY J, RADOIAS V. Medium-and long-term consequences of pollution on labor supply:evidence from Indonesia[J]. IZA Journal of Labor Economics, 2017,6(1):5.
    [10] BRAITHWAITE I, ZHANG S, KIRKBRIDE J B,et al.Air pollution (particulate matter) exposure and associations with depression, anxiety, bipolar, psychosis and suicide risk:a systematic review and meta-analysis[J]. Environmental Health Perspectives,2019, 127(12):126002.
    [11] KAN H D, CHEN R J, TONG S L. Ambient air pollution, climate change, and population health in China[J].Environment International,2012, 42:10-19.
    [12] 陈波,鲁绍伟,李少宁.北京城市森林不同天气状况下PM2.5浓度变化[J]. 生态学报, 2016,36(5):1391-1399.
    [13] 王晓飞,王波,陆玉玉,等.基于Prophet-LSTM模型的PM2.5浓度预测研究[J].软件导刊,2020,19(3):133-136.
    [14] 王黎明,吴香华,赵天良,等.基于距离相关系数和支持向量机回归的PM2.5浓度滚动统计预报方案[J].环境科学学报,2017, 37(4):1268-1276.
    [15] 李建新,刘小生,刘静,等.基于MRMR-HK-SVM模型的PM2.5浓度预测[J].中国环境科学,2019,39(6):2304-2310.
    [16] 陈菊芬,李勇.基于多模态支持向量回归的PM2.5浓度预测[J].环境工程,2019,37(1):122-126

    ,34.
    [17] 宋国君,国潇丹,杨啸,等.沈阳市PM2.5浓度ARIMA-SVM组合预测研究[J].中国环境科学,2018,38(11):4031-4039.
    [18] 赵文芳,林润生,唐伟,等.基于深度学习的PM2.5短期预测模型[J].南京师大学报(自然科学版),2019,42(3):32-41.
    [19] 黄婕,张丰,杜震洪,等.基于RNN-CNN集成深度学习模型的PM2.5小时浓度预测[J].浙江大学学报(理学版),2019,46(3):370-379.
    [20] 鲍艳磊,田冰,胡引翠,等.基于混合效应模型的京津冀地区PM2.5数值模拟[J].环境污染与防治,2020,42(3):268-274.
    [21] 黄俊,王超群,周宝琴,等.广州PM2.5污染特征及与气象因子的关系分析[J].环境污染与防治,2020,42(2):176-181

    ,186.
    [22] 李定,张文生.面向群体行为识别的注意力池化机制[J].中国科学:信息科学,2021,51(3):399-412.
    [23] 徐少伟,秦品乐,曾建朝,等.基于注意力机制的两阶段纵膈淋巴结自动分割算法[J].计算机应用,2021,41(2):556-562.
    [24] 郭旭超,唐詹,刁磊,等.基于部首嵌入和注意力机制的病虫害命名实体识别[J].农业机械学报,2020,51(增刊2):335-343.
    [25] SANTOS C, MING T, BING X, et al. Attentive pooling networks[J]. 2016.
    [26] WILLIAMS R J,ZIPSER D.A learning algorithm for continually running fully recurrent neural networks[J]. Neural Computation, 1998,1(2).
    [27] HINTON G E, SRIVASTAVA N, KRIZHEVSKY A, et al. Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors[J]. Computer Science, 2012,3(4):212-223.
    [28] HOCHREITER S, SCHMIDHUBER J. Long short-term memory[J]. Neural Computation, 1997, 9(8):1735-1780.
    [29] RUCK D W,ROGERS S K,KABRISKY M,et al. The multilayer perceptron as an approximation to a Bayes optimal discriminant function[J]. IEEE transactions on neural networks,1990,1(4):296-298.
    [30] 史晓涛,刘建丽,骆玉荣. 一种抗噪音的支持向量机学习方法[C]//全国第19届计算机技术与应用(CACIS)学术会议论文集(下册),2008:5.
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  • 收稿日期:  2020-11-28
  • 网络出版日期:  2022-01-26

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