指数趋势预测的BP-LSTM模型

本文根据股指、股价等数据的时序特征将人工神经网络(ANN)与深度学习中的循环神经网络(RNN)引入股指预测,基于BP神经网络模型与长短期记忆(LSTM)神经网络模型构建了BP-LSTM模型.基于上证指数,本文进行了进行数值实验.结果表明BP-LSTM预测模型的准确率相比传统机器学习模型有明显提升,与普通LSTM模型相比也有较大提升.     

基于数据扩展的短时交通流量预测

多种机器学习和深度学习的模型和算法应用于短时交通流量预测,但是,大多数模型尤其是深度学习模型对训练样本的数量要求较高。为此,提出了一种基于数据扩展的短时交通流量预测方法,该方法基于自编码神经网络分别结合长短时记忆神经网络(LSTM)和支持向量机回归(SVR)构建预测模型,该模型利用自编码神经网络扩展的数据分别训练长短时记忆神经网络和支持向量回归进行交通流量的预测,结果表明,所提出的预测模型具有较高的精度和较好的泛化能力。     

CNLSTM模型预测城市积水

物联网平台能够为积水预测提供海量的传感器时间序列数据基础.为了精准且快速地预测城市内涝点积水趋势,提出一种基于神经网络的组合时序预测模型(CNLSTM),对多变量积水时间序列数据进行建模预测.此模型利用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)提取多变量数据之间的空间特征,得到具有空间相关性的特征量,利用长短时记忆网络(long short-term memory,LSTM)提取特征量之间的时间相关性预测未来积水水位.仿真结果表明,所提预测模型可以很好地捕获积水点水位与各输入量之间的非线性关系,并且比CNN,LSTM以及反向传播(back propagation,BP)神经网络具有能更好拟合实际水位的效果,更高的精度和泛化能力.此模型在城市积水预测中的有效性和适用性得到了验证,能够为积水点的提前预警、准备及汛前、汛中汛后治理方案的制定提供可靠的参考依据.     

机器学习模型在地下水埋深模拟中的适应性分析

基于京津冀气象、社会资料及地下水埋深数据,构建支持向量机(SVM)、循环神经网络(RNN)和长短期记忆神经网络(LSTM)模型对京津冀地区13个城市地下水埋深进行了模拟,并以确定系数、均方根误差、平均绝对百分比误差、纳什系数对3个模型的适应性进行了评价。结果表明:LSTM模型模拟效果最好,其次是RNN,SVM最差;不同城市基于LSTM模型进行地下水埋深模拟时参数调整最少,适应性最好,SVM模型参数调整最多。将3个模型应用于随机选择的6个测站进行验证,在华北地区浅层地下水埋深模拟方面,LSTM模型模拟精度和可信度最好,适应性最强,是该地区地下水埋深模拟的首选机器学习模型。     

基于GIS的城市内涝影响因素及多元回归模型研究——以上海为例

全球气候变化引起了极端气候事件的增多,洪涝已成为最主要的相关灾害和世界各大城市共同面对的敏感问题之一.本文以中国特大型城市上海为例,基于历史数据及GIS空间分析,综合研究了上海市的降雨、城市建设用地扩张、人口集聚分布、城市数字高程(DEM)、基础设施排水能力等因素对中心城区暴雨内涝发生的影响,并基于Python中的scikit-learn机器学习模块构建了多元Logistic回归模型,根据以上因素对内涝是否发生进行判别,模型准确率达到90%以上.研究表明,上海市中心城区DEM、不透水面分布和人口分布显著影响其暴雨时的内涝发生率.     

基于CNN-BiLSTM-Attention的超短期电力负荷预测

在长短期记忆神经网络(LSTM)的基础上,运用双向的长短期记忆神经网络(BiLSTM),结合卷积神经网络(CNN)提出了一个预测模型,对超短期电力负荷预测.运用合肥市2019年全年数据对该模型进行训练及预测,结果显示,CNN-BiLSTM预测精度高于CNN-LSTM预测模型,为进一步提升预测精确度,在BiLSTM神经网...     

基于参数优化神经网络的海底油气管道腐蚀泄漏预测

为有效预测海底管道因腐蚀导致的泄漏风险,提出了一种海底管道腐蚀泄漏预测模型,首先采用斯皮尔曼相关系数分析各影响因素间的相关性,随后基于随机森林袋外数据进行各因素的重要性排序,剔除掉相关性较高且重要性较小的因素,利用筛选出的数据建立前馈神经网络和随机森林回归预测模型,并利用粒子群算法对神经网络预测模型的权值、阈值进行了优化,构建粒子群优化下的神经网络预测模型。经分析结果表明：神经网络预测模型在5组随机模型训练中平均绝对误差(MAE)、均方误差(MSE)的平均值分别为1.59、 3.37,均高于随机森林回归预测模型,说明该模型误差较大,但决定系数(R2)较随机森林回归预测模型高0.13,因决定系数越接近于1,模型拟合越好,故随机森林回归预测模型较神经网络预测模型拟合度较差,长期预测误差较高,因此可采用粒子群算法对神经网络进行优化,优化后的模型MAE为0.79,MSE为0.7293,R2为0.9151,可见优化后的神经网络预测模型在保证精度的基础上提高了稳定性,预测效果更优。最后编制了集随机森林回归、神经网络及粒子群优化下的神经网络为一体的多模型管道腐蚀预测软件。为海底管道泄漏风险的精准预测以及高效控制提供了依据,在海洋油气运输安全方面具有重要意义。     

基于经验模式分解与LSTM神经网络的短期电价预测模型

在开放的电力市场中,日前电价预测是个重要的研究方向。本文提出了一种基于经验模式分解(EMD)与长短期记忆神经网络(LSTM)的序列电价预测模型,使用EMD提取电价序列中的周期分量与趋势分量,利用LSTM分别对周期分量与趋势分量进行序列预测,输出各分量的预测结果,通过支持向量机回归(SVR)叠加各分量的预测序列生成预测价格序列。最后,以美国PJM电力市场的电价数据为算例,与ARIMA模型、单一LSTM神经网络模型的预测结果进行比较,验证了EMD-LSTM-SVR模型能够提高短期电价预测精度。     

空战飞行对敌目标逼近航迹预测仿真

针对传统航迹预测方法考虑因素少、预测时间长的问题,提出基于实时反馈长短期记忆神经网络(FF-LSTM)的航迹预测模型。该模型在长短期记忆(LSTM)神经网络的基础上,引入实时反馈,并采用随机梯度下降法和批处理方法训练网络权值和阈值,构建FF-LSTM神经网络。根据目标航迹特点,选取敌机位置、姿态信息和两机之间互信息特征作为输入数据,将航迹预测视为序列到序列的映射问题。实验结果表明,与BP神经网络和递归神经网络相比,FF-LSTM模型有更好的预测能力,可以快速准确地完成航迹预测。     

基于鲸鱼算法优化长短时记忆神经网络的锂电池剩余寿命预测

为确保锂电池在军用无人机以及新能源汽车使用期间的安全性,需要对其进行全生命周期的健康监测和寿命预测。针对长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory, LSTM)模型参数较难选取导致所建立的锂电池剩余使用寿命预测方法精度不足问题,文中提出一种基于鲸鱼优化算法(Whale Optimization Algorithm, WOA)对LSTM的剩余寿命预测模型(WOA-LSTM)进行优化。首先使用WOA算法对LSTM的隐含层神经元数量、学习率进行寻优,避免经验选取参数的盲目性;其次将寻优后的超参数重新赋值给LSTM网络,构建与锂电池数据特征更为匹配的预测模型;最后采用NASA PCoE实验室锂电池的失效数据集验证算法的有效性。仿真结果表明,文中所提出的预测模型相较于LSTM模型、Elman模型、PSO-LSTM模型精度平均分别提升了7%、4%、3%,具有较好的预测效果。     

基于长短期记忆神经网络模型的空气质量预测

随着城市化和工业化的快速发展,空气污染问题日益突出,空气质量预测显得尤为重要。当前一些有代表性的研究对空气质量进行实时监测和预报,例如周广强等采用数值预报的方法对中国东部地区的空气质量进行分析,但其实验结果表明该方法难以预测非常重的污染;SANKAR等使用多元线性回归对空气质量进行预测,但其实验结果表明线性模型预测精度低、效率慢;PéREZ等使用统计方法对空气质量进行预测,实验结果证明统计方法的预测精度比较低;WANG等采用改进的BP神经网络建立了空气质量指数的预测模型,其实验验证了BP神经网络收敛速度慢、容易陷入局部最优解的问题;YANG等利用相邻网格的空气质量浓度效应,建立了基于随机森林的PM_(2.5)浓度预测模型,通过实验过程证明网格划分程序削弱了后续空气质量分析的质量和效率。这些方法都难以从时间角度建模,其中预测精度低是比较重要的问题。因为预测精度低可能会导致空气质量预测结果出现较大的误差。针对空气质量研究中预测精度低的问题,提出了基于长短期记忆单元(long short-term memory,LSTM)的神经网络模型。该模型使用MAPE,RMSE,R,IA和MAE等指标来检测LSTM神经网络与对比模型的预测性能。由于Delhi和Houston是空气污染程度比较严重的城市,所以使用的实验数据集来自Delhi的Punjabi Bagh监测站2014—2016年的空气质量数据和Houston的Harris County监测站2010—2016年的空气质量数据。LSTM神经网络与多元线性回归和回归模型(SVR)的比较结果表明,LSTM神经网络适应多个变量或多输入的时间序列预测问题,LSTM神经网络具有预测精度高、速度快和较强的鲁棒性等优点。     

融合注意力机制的煤层气产量动态预测

为了提升煤层气产量的预测精度,提出融合注意力(Attention)机制并结合卷积神经网络（convolutional neural networks,CNN）和长短期记忆神经网络（long short term memory,LSTM)的煤层气产量动态预测模型。利用随机森林变量筛选方法,确定井底流压、动液面高度、套压、冲次为排采过程中影响煤层气产量的主控因素;利用CNN信息提取优势,提取煤层气排采数据的特征向量,并将特征向量作为LSTM网络的输入;再将LSTM隐含层融合注意力机制提取重要信息权重,有效解决信息长期依赖性和信息丢失。实验结果表明：融合注意力机制的CNN-LSTM煤层气产量动态预测模型各方面均表现较优。具体表现为：1. 模型预测性能较好,利用不同模型对比预测,改进后的煤层气产量预测模型精度最高,比标准的LSTM预测精度提升了3%~4%;2. 泛化性能较优,预测同一区块不同生产天数的6口煤层气井产量时,预测60天日产气量的平均相对误差均小于5%,预测200天日产气量的平均相对误差均小于8%。     

基于HY-SWMM的居住小区暴雨内涝模拟及小区防洪涝研究

选取郑州市高新区盛和苑小区为研究对象,创建HY-SWMM(鸿业海绵城市/暴雨模拟软件),通过重现郑州“7·20”暴雨的雨量,模拟居住小区的内涝时空演变,得到相应的径流与积水数据。经过对居住小区在暴雨事件下的HY-SWMM内涝模拟计算结果分析,结合城市内涝成因,提出居住小区在暴雨内涝下的应对策略,以提高居民在城市暴雨内涝时的防灾能力与承灾韧性,对城市暴雨内涝防灾策略进行一定的补充。     

航空器爬升与下降阶段4D航迹预测

准确的4D航迹预测可以在冲突探测与解脱、航迹优化和空中交通流量管理等多个领域发挥重要作用。为提高预测的准确性,提出了基于机器学习的航空器4D航迹预测方法。首先,利用爬升阶段提取研究指标,构建循环神经网络(recurrent neural network, RNN)和长短期记忆网络(long short-term memory, LSTM);其次,在下降阶段进行数据维度拓展,构建RNN、LSTM模型进行航迹预测;最后,对各个维度上的预测航迹点和实际航迹点的误差进行分析。仿真结果表明,爬升阶段模型和下降阶段模型对于航空器位置预测准确性高,展现了航迹预测模型的良好鲁棒性。     

基于随机森林与时空聚类的共享单车站点需求量预测

为方便准确地预测出城市共享单车站点的需求量,根据站点需求量的随机性和时变性,提出了一种基于随机森林和时空聚类的共享单车站点需求量预测模型;该模型研究了时间因子、气象因子以及关联站点对需求量的影响;应用分层聚类对站点进行了时空分析;结合对数优化后的随机森林作为预测器。面向湾区共享单车出行数据进行需求量预测。结果表明:该模型相比极限学习机、支持向量机与随机森林等经典机器学习算法在需求量预测方面有较好的预测结果,可为实际车辆调度提供参考依据。     

暴雨内涝灾害模拟研究

 城市暴雨内涝灾害的频发,已经给城市居民生命、财产安全等造成了严重威胁。对城市暴雨内涝灾害危险性模拟,可为城市暴雨内涝灾害危险性预报预警提供依据。以长春市南关区为研究区,以城市暴雨内涝灾害为研究对象,从多情景视角出发,提出了城市暴雨内涝灾害危险性多情景模拟框架,并以一、二维非恒定流为控制方程,以不规则网格为骨架综合构建了城市暴雨内涝灾害危险性数值模拟模型,实现研究区暴雨内涝灾害危险性多情景模拟。研究结果可为城市内涝应急管理部门在内涝灾害预报预警上提供参考依据。     

基于深度森林算法的油井产量预测研究

为了克服传统机器学习算法产量预测模型的缺点,以深度森林算法理论为基础,综合油井相关各项数据,建立了油井产量预测新模型。首先应用KNN最邻近方法和Z-Score标准化方法对油井相关数据进行预处理,利用MDI特征选择方法选择对油井产量影响最大的特征向量,然后将选出的特征向量作为深度森林模型的输入变量,建立深度森林产量预测模型,利用网格化搜索优化模型参数,最后在测试集上运行模型,对模型性能进行评估。研究结果表明,相对于BP神经网络等传统机器学习算法模型,深度森林模型的产量预测精度更高,可以准确预测油井产量,同时相对于深度神经网络等复杂学习算法,该算法参数少、调参及应用简单,为油井产量预测提供了一种新的方法和思路。     

一维管网与二维地表双向耦合的城市暴雨内涝模拟

为快速、准确模拟城市暴雨内涝演化过程,提出一种排水管网与上覆地表动态水力交互方法,构建了一维管网模型(SWMM)与二维水动力(LISFLOOD-FP)双向耦合的模型,解决了一维管网和二维地表的双向流量交换和时间同步难题。以上海外高桥地区为例,采用两次短历时降雨过程对耦合模型进行校准和验证,比较分析了单向、双向耦合的淹没范围与水深变化。结果表明:双向耦合模拟精度较高,在研究区具有良好的适用性;对于占比80%以上的轻度(<0.2m)积水区,单向、双向耦合的模拟积水面积比为1.21;对于中等(0.2～0.3 m)和重度(>0.3 m)积水区,单向耦合模拟结果趋于严重,该比值分别增至1.88和2.1。所构建的双向耦合模型能够揭示城区内涝积水、扩散及消退的全过程,可用于城市暴雨内涝推演,为内涝治理和灾害防御提供科学依据。     

极端降雨下地下空间淹水对城市内涝过程的影响研究

极端降雨会引起城市内涝,造成地面严重积水,从而威胁城市地表及地下空间的生命财产安全.当前水动力模型涉及地下空间的模拟较少,地下空间设防高度对城市内涝时空分布特征的影响分析还存在不足.针对以上问题,以郑州市二七区主城区在“7·20”特大暴雨事件中的内涝过程为例,构建了考虑地下空间淹水的城市内涝模型.模拟了在地下空间不同设防高度下,城市内涝时空分布特征.研究结果显示：(1)构建的地下空间淹水模型具有一定物理机制,参数可量化,且计算简便,适用于大范围考虑地下空间淹水的城市内涝模拟;(2)不考虑地下空间淹水会使地表内涝风险被高估,高风险与超高风险面积之和将会增大10.7%;(3)当设防高度增加10cm时,城市地表的积水最大深度提高10.0%,流速增加2.3%,高风险与超高风险面积增加3.4%.这一结果表征了地下空间设防高度对城市内涝过程的影响机制与规律,为科学设置设防高度,有效防控城市地表-地下整体内涝风险提供了参考和依据.     

基于深度学习长短期记忆神经网络的有色金属期货市场预测研究

为提高金融资产预测能力,该文采用深度学习长短期记忆(LSTM)神经网络模型对上海期货交易所(SHFE)和伦敦金属期货交易所(LME)的铝、铜、镍、铅、锡和锌6种有色金属期货价格分别进行长、短期预测,与传统机器学习多层感知器(MLP)模型以及线性自回归移动平均(ARIMA)模型进行对比研究。数据源于Wind数据库和国际货币基金组织(IMF)数据库。使用Python深度学习软件模拟预测有色金属期货价格,结果显示:有色金属期货市场长期预测中,LSTM模型的预测表现略逊于ARIMA模型,MLP模型预测效果不理想;短期预测中,LSTM模型的预测结果和ARIMA模型相近,均优于MLP模型; LSTM模型与MLP模型相比,模型的稳定性和预测的精确度都更加出色。LSTM模型可作为ARIMA模型的最优替代之一。