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基于注意力机制的时间卷积网络河流总磷预测

黎园园 刘海隆

黎园园, 刘海隆. 基于注意力机制的时间卷积网络河流总磷预测[J]. 环境工程, 2023, 41(5): 163-171. doi: 10.13205/j.hjgc.202305022
引用本文: 黎园园, 刘海隆. 基于注意力机制的时间卷积网络河流总磷预测[J]. 环境工程, 2023, 41(5): 163-171. doi: 10.13205/j.hjgc.202305022
LI Yuanyuan, LIU Hailong. PREDICTION OF TOTAL PHOSPHORUS IN RIVERS BASED ON ATTENTION MECHANISM OF TEMPORAL CONVOLUTIONAL NETWORKS[J]. ENVIRONMENTAL ENGINEERING , 2023, 41(5): 163-171. doi: 10.13205/j.hjgc.202305022
Citation: LI Yuanyuan, LIU Hailong. PREDICTION OF TOTAL PHOSPHORUS IN RIVERS BASED ON ATTENTION MECHANISM OF TEMPORAL CONVOLUTIONAL NETWORKS[J]. ENVIRONMENTAL ENGINEERING , 2023, 41(5): 163-171. doi: 10.13205/j.hjgc.202305022

基于注意力机制的时间卷积网络河流总磷预测

doi: 10.13205/j.hjgc.202305022
基金项目: 

四川省国际合作项目(2020YFH0067)

第三次新疆综合科学考察项目(2021xjkk1404)

详细信息
    作者简介:

    黎园园(1996-),女,硕士研究生,主要研究方向为生态环境智能监测与信息处理。yuanyuan_li20@163.com

    通讯作者:

    刘海隆(1974-),男,教授,主要研究方向为生态环境监测。liuhl@uestc.edu.cn

PREDICTION OF TOTAL PHOSPHORUS IN RIVERS BASED ON ATTENTION MECHANISM OF TEMPORAL CONVOLUTIONAL NETWORKS

  • 摘要: 深度学习在水质污染监测中的应用研究成为当前热点。为解决水体污染物浓度在上下游之间的不同关联预测问题,以四川省眉山市彭山区岷江水系的TP预测为研究目标,提出了基于时间模式注意力(TPA)机制的时间卷积网络(TCN)预测模型。首先,利用Pearson相关系数对上下游站点处TP浓度进行时空关系分析;然后,利用TCN网络的扩张因果卷积来提取时序数据之间的依赖关系,利用TPA机制学习不同站点TP浓度之间的复杂关系,从而获取不同时间尺度的站点权重;最后,将该模型应用于河流TP浓度预测。结果表明:多站点输入的TPA-TCN模型的评价指标RMSE、MAE和MAPE较单站点输入的TPA-TCN模型分别降低了36.29%、28.18%和25.26%,相比于融入传统注意力机制的TCN模型,融入TPA机制的TCN模型的这3种评价指标分别降低了10.24%、10.78%和9.94%,说明多站点输入的TPA-TCN模型对河流TP浓度预测具有一定的优势。TPA-TCN模型可有效应用于水质监测中,对水质污染物预测具有重要参考意义。
  • [1] HORN A L, RUEDA F, HORMANN G, et al. Implementing river water quality modelling issues in mesoscale watershed models for water policy demands:an overview on current concepts, deficits, and future tasks[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2004, 29(11/12): 725-737.
    [2] 刘东君, 邹志红. 最优加权组合预测法在水质预测中的应用研究[J]. 环境科学学报, 2012, 32(12): 3128-3132.
    [3] 李娜, 李勇, 冯家成, 等. 太湖水体Chl-a预测模型ARIMA的构建及应用优化[J]. 环境科学, 2021, 42(5): 2223-2231.
    [4] 曾一川, 曾会国, 袁伟皓, 等. 长江口入海通道水质综合分析与模型预测[J]. 环境工程, 2022, 40(5): 95-102

    ,108.
    [5] GUO T, HE W, JIANG Z L, et al. An improved LSSVM model for intelligent prediction of the daily water level[J]. Energies, 2019, 12(1): 112.
    [6] 刘世存, 杨薇, 田凯, 等. 基于多层全连接神经网络的白洋淀水质预测[J]. 农业环境科学学报, 2020, 39(6): 1283-1292.
    [7] 刘攀, 郑雅莲, 谢康, 等. 水文水资源领域深度学习研究进展综述[J]. 人民长江, 2021, 52(10): 76-83.
    [8] HUAN J, CHEN B, XU X G, et al. River dissolved oxygen prediction based on Random Forest and LSTM[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2021, 37(5): 901-910.
    [9] 董泉汐. 基于深度学习的水环境时间序列预测方法研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2020.
    [10] 张贻婷, 李天宏. 基于长短时记忆神经网络的河流水质预测研究[J]. 环境科学与技术, 2021, 44(8): 163-169.
    [11] BARZEGAR R, AALAMI M T, ADAMOWSKI J. Short-term water quality variable prediction using a hybrid CNN-LSTM deep learning model[J]. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2020, 34(2): 415-433.
    [12] YANG Y R, XIONG Q Y, WU C, et al. A study on water quality prediction by a hybrid CNN-LSTM model with attention mechanism[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2021, 28(39): 55129-55139.
    [13] BAI S, KOLTER J Z, KOLTUN V. An empirical evaluation of generic convolutional and recurrent networks for sequence modeling[C]. arXiv:1803.01271, 2018.
    [14] 李荆, 刘钰, 邹磊. 基于时空建模的动态图卷积神经网络[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2021, 57(4): 605-613.
    [15] ZHANG Y F, THORBURN P J, FITCH P. Multi-task temporal convolutional network for predicting water quality sensor data[C]//International Conference on Neural Information Processing, Springer, 2019: 122-130.
    [16] FU Y X, HU Z H, ZHAO Y C, et al. A long-term water quality prediction method based on the temporal convolutional network in smart mariculture[J]. Water, 2021, 13(20): 2907.
    [17] LI W S, WEI Y G, AN D, et al. LSTM-TCN: dissolved oxygen prediction in aquaculture, based on combined model of long short-term memory network and temporal convolutional network[J].Environmental Science and Pollution Research, 2022, 29(26): 39545-39556.
    [18] SHIH S Y, SUN F K, LEE H Y. Temporal pattern attention for multivariate time series forecasting[J]. Machine Learning, 2019, 108(8/9): 1421-1441.
    [19] 崔鸿雁, 徐帅, 张利锋, 等. 机器学习中的特征选择方法研究及展望[J]. 北京邮电大学学报, 2018, 41(1): 1-12.
    [20] 张阳, 冼慧婷, 赵志杰. 基于空间相关性和神经网络模型的实时河流水质预测模型[J].北京大学学报(自然科学版), 2022, 58(2): 337-344.
    [21] SCHOBER P, BOER C, SCHWARTE L A. Correlation coefficients: appropriate use and interpretation[J]. Anesthesia and Analgesia, 2018, 126(5): 1763-1768.
    [22] PANTISKAS L, VERSTOEP K, BAL H. Interpretable multivariate time series forecasting with temporal attention convolutional neural networks[C]//IEEE Symposium Series on Computational Intelligence, 2020: 1687-1694.
    [23] ZHAI N J, ZHOU X F. Temperature prediction of heating furnace based on deep transfer learning[J]. Sensors, 2020, 20(17): 4676-4702.
    [24] WAN R Z, MEI S P, WANG J, et al. Multivariate temporal convolutional network: a deep neural networks approach for multivariate time series forecasting[J]. Electronics, 2019, 8(8): 876-893.
    [25] ZHOU X H, WANG J P, CAO X K, et al. Simulation of future dissolved oxygen distribution in pond culture based on sliding window-temporal convolutional network and trend surface analysis[J]. Aquacultural Engineering, 2021, 95: 102200.
    [26] 王渝红, 史云翔, 周旭, 等. 基于时间模式注意力机制的BiLSTM多风电机组超短期功率预测[J]. 高电压技术, 2022, 48(5): 1884-1892.
    [27] SONG C G, YAO L H, HUA C Y, et al. A novel hybrid model for water quality prediction based on synchrosqueezed wavelet transform technique and improved long short-term memory[J]. Journal of Hydrology, 2021, 603(A): 126879.
    [28] 李光, 吴祈宗. 基于结论一致的综合评价数据标准化研究[J]. 数学的实践与认识, 2011, 41(3): 72-77.
    [29] LIU Y Q, ZHANG Q, SONG L H, et al. Attention-based recurrent neural networks for accurate short-term and long-term dissolved oxygen prediction[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2019, 165: 104964.
    [30] ZHOU J, WANG Y Y, XIAO F, et al. Water quality prediction method based on IGRA and LSTM[J]. Water, 2018, 10(9): 1148.
    [31] 许佳辉, 王敬昌, 陈岭, 等. 基于图神经网络的地表水水质预测模型[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(4): 601-607.
    [32] 陈海涵, 吴国栋, 李景霞, 等. 基于注意力机制的深度学习推荐研究进展[J]. 计算机工程与科学, 2021, 43(2): 370-380.
    [33] 王竹荣, 薛伟, 牛亚邦, 等. 基于注意力机制的泊位占有率预测模型研究[J]. 通信学报, 2020, 41(12): 182-192.
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  • 收稿日期:  2022-07-26

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