【摘要】：城市霧霾(PM_(2.5)、PM_(10))的治理(“治霾”)是一個周期較長的過程,在短期無法徹底改善空氣質(zhì)量的前提下,通過及時有效地預(yù)測城市霧霾,對減少霧霾帶來的危害意義重大,然而由于霧霾預(yù)測受多種因素影響,現(xiàn)有的城市霧霾預(yù)測方法中未全面考慮到時間和空間上的影響因子,對多源大數(shù)據(jù)未充分利用等問題造成預(yù)測模型的準(zhǔn)確度和自適應(yīng)性還有待提高。針對上述問題,本文重點研究城市霧霾預(yù)測方法面臨的準(zhǔn)確度和自適應(yīng)性問題,提出了一種AMLSTM預(yù)測模型,同時為了尋求較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對該模型進行了深度優(yōu)化。主要內(nèi)容如下:(1)對于多源大數(shù)據(jù),將時間上具有時間序列特性的空氣污染要素、氣象要素和空間上不同地址位置的監(jiān)測站納入霧霾預(yù)測中的影響因子,作為輔助輸入數(shù)據(jù)融入城市霧霾預(yù)測模型中,利用相關(guān)顯著性,改善了霧霾預(yù)測模型數(shù)據(jù)集的質(zhì)量,從而提高了霧霾預(yù)測模型的準(zhǔn)確度;(2)將改進的注意力機制(AM)引入長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM),提出了一種新的基于深度學(xué)習(xí)的城市霧霾預(yù)測方法(AMLSTM)。通過多次使用Attention機制對多個LSTM單元進行計算,積極關(guān)注霧霾預(yù)測中的關(guān)鍵信息,在整體信息處形成區(qū)分度高的特征,使得網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)分配權(quán)重,提高了預(yù)測模型的準(zhǔn)確度和自適應(yīng)性。實驗結(jié)果表明:AMLSTM預(yù)測模型霧霾濃度(PM_(2.5)和PM_(10)平均值)均方根誤差RMSE達到11.33μg/m~3;(3)為尋求較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),利用條件受限玻爾茲曼機(CRBM)對AMLSTM網(wǎng)絡(luò)深度進行了優(yōu)化。CRBM層將預(yù)測霧霾的特征從底層提取到LSTM層,從而提高了模型的預(yù)測準(zhǔn)確度和自適應(yīng)性,預(yù)測模型霧霾濃度(PM_(2.5)和PM_(10)平均值)均方根誤差RMSE達到9.16μg/m~3,比AMLSTM預(yù)測模型減小了2.20μg/m~3;(4)對提出的深度學(xué)習(xí)預(yù)測方法進行了城市霧霾預(yù)測的示范性應(yīng)用,并與其他常用的霧霾預(yù)測方法進行了對比實驗,且為驗證不同季節(jié)對霧霾預(yù)測的影響,對冬夏兩季進行了相關(guān)霧霾預(yù)測。結(jié)果均表明:提出的AMLSTM預(yù)測模型及深度優(yōu)化后的模型(CDBN-LSTM)在預(yù)測準(zhǔn)確度方面均優(yōu)于其他常用的霧霾預(yù)測方法。本文所提出的基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測方法能夠有效實現(xiàn)對城市霧霾的預(yù)測預(yù)報,可為城市霧霾的防治工作提供技術(shù)參考。
【學(xué)位授予單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：X513;TP18
【圖文】：

闡述了城市霧霾的產(chǎn)生、危害及影響，在大數(shù)據(jù)時代和深度學(xué)習(xí)快速發(fā)展的背景下，明確了本文對建立城市霧霾預(yù)測研究的意義，分析了城市霧霾預(yù)測的研究現(xiàn)狀與深度學(xué)習(xí)在相關(guān)領(lǐng)域的預(yù)測應(yīng)用優(yōu)勢。1.1 背景與意義本課題來源于吉林省科技發(fā)展計劃項目重點科技攻關(guān)項目“城市霧霾網(wǎng)絡(luò)化連續(xù)監(jiān)測與大數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目編號：20150204005GX）；長春市重大科技攻關(guān)計劃項目“基于物聯(lián)網(wǎng)的城市環(huán)境質(zhì)量連續(xù)監(jiān)測與大數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目編號：14KG082）。隨著全球社會經(jīng)濟的爆發(fā)式增長，城市化和工業(yè)化水平的不斷提高，出現(xiàn)了一系列的環(huán)境惡化等問題[1]。而霧霾作為環(huán)境惡化的罪魁禍?zhǔn)字�，高頻次的出現(xiàn)在全球各地，影響了人們的正常生活與身心健康，危害了人們賴以生存的自然生態(tài)環(huán)境，同時阻礙了社會的可持續(xù)發(fā)展。如圖 1.1 所示，具體的如下：

轉(zhuǎn)的傷害[3]。并且會給人們帶來壓抑、暴躁等負面情緒，影響人們的身心健康；（3）霧霾破壞了人們賴以生存的自然生態(tài)環(huán)境。霧霾的范圍和程度在過去的幾年里不斷加劇，使得森林、草地、湖泊等生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了嚴重的受損和退化現(xiàn)象，給地表自然系統(tǒng)造成了極大危害，敲響了必須治理城市霧霾的警鐘[4]；（4）霧霾阻礙了社會的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。2013 年以來，我國部分地區(qū)頻繁出現(xiàn)嚴重的霧霾污染事件，影響了人們的正常生活與工作，生存與居住環(huán)境受到了嚴峻挑戰(zhàn)，成為了阻礙社會進步的重要問題[5]。如圖 1.2 所示，NASA 發(fā)布的 PM2.5在世界各地區(qū)長期分布情況。從圖中可以直觀看出，受到霧霾嚴重侵害的地區(qū)主要在亞洲、歐洲和中非等地，其中我國的華北華東地區(qū)尤甚。2012 年，我國將 PM2.5檢測指標(biāo)列入《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中，正式向霧霾污染宣戰(zhàn)。2013 年 9 月 10 日，國務(wù)院正式發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》，提出“經(jīng)過五年努力，使全國空氣質(zhì)量總體改善”的奮斗目標(biāo)，這為空氣質(zhì)量管理帶來新的機遇，同時對城市空氣質(zhì)量的監(jiān)測水平提出了更高的要求[6]。因此，針對城市霧霾的相關(guān)研究極具重要的現(xiàn)實意義。

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本文編號：2739944