社区所有版块导航
Python
python开源   Django   Python   DjangoApp   pycharm  
DATA
docker   Elasticsearch  
aigc
aigc   chatgpt  
WEB开发
linux   MongoDB   Redis   DATABASE   NGINX   其他Web框架   web工具   zookeeper   tornado   NoSql   Bootstrap   js   peewee   Git   bottle   IE   MQ   Jquery  
机器学习
机器学习算法  
Python88.com
反馈   公告   社区推广  
产品
短视频  
印度
印度  
Py学习  »  机器学习算法

【Applied Energy 最新原创论文】一种结合模态分解和深度学习算法的混合模型用于城市污水管网TP检测

AEii国际应用能源 • 1 年前 • 81 次点击  

原文信息:

A Hybrid Model Combining Mode Decomposition and Deep Learning Algorithms for Detecting TP in Urban Sewer Networks

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.120600

Highlights

结合两阶段分解和LSTM的污水管网TP检测模型

• 两阶段分解降低了TP时间序列的不稳定性和复杂性

• 模态分解程序设置显著影响建模效率、准确性

• 所提出的混合模型具有较好的精度,平均R2 = 0.946

• 所提出的混合动力模型具有能源效益和成本效益高的优点

摘要

及时、准确地掌握污水管网中总磷浓度,对于城市磷流管理和污水处理设施冲击负荷预警至关重要。与需要消解程序的传统方法相比,基于建模的方法更清洁、更节能。然而,TP时间序列的强非线性和复杂性导致这些方法的精度难以令人满意。本文提出了一个名为CEEMDAN-SE-VMD-LSTM的混合模型,该模型将利用自适应噪声分析进行的完全的集合经验模态分解(CEEMDAN)、样本熵(SE)、变分模态分解(VMD)和长短期记忆(LSTM)神经网络相结合,以提高基于建模的方法的准确性。在所提出的混合模型中,两阶段分解过程可以将TP时间序列分解为几个复杂度较低模态,LSTM神经网络强大的非线性映射能力则使其能够准确预测这些模态。在案例研究中,所提出的混合模型实现了出色的检测精度,平均R2为0.9460 ± 0.0243。与其他分解程序(即,CEEMDAN、VMD、奇异谱分析(SSA)、CEEMDAN-SE-SSA)和LSTM神经网络相结合形成的混合模型相比,所提出的混合模型具有最高的检测精度(纳什效率高1.36-3.94%,R2高1.28-4.58%,RMSE低12.14-24.86%)。基于对分解算法和所获得的模态的综合分析来设置模态分解程序的策略确保了所提出的混合模型的高检测精度,同时避免了昂贵的计算负担。这项工作对提高软检测方法的准确性和建模效率具有启发性,有望减少水质检测的能耗和污染。

更多关于" Sewer networks"的研究详情请见:

https://www.sciencedirect.com/searchqs=Sewer%20networks&pub=Applied%20Energy&cid=271429

Abstract

Timely and accurately grasping total phosphorus (TP) concentration in sewer networks is crucial for urban phosphorus flow management and shock load early warning of sewage treatment facilities. Modeling-based methods are cleaner and more energy-saving than traditional methods requiring digestion procedures. However, the TP time series' strong nonlinearity and complexity result in unsatisfactory accuracy in these methods. This work proposes a hybrid model named CEEMDAN-SE-VMD-LSTM that combines complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise (CEEMDAN), sample entropy (SE), variational mode decomposition (VMD), and long short-term memory (LSTM) network to improve the accuracies of modeling-based methods. In proposed hybrid model, the two-stage decomposition procedure can decompose the TP time series into several lower-complexity modes, and the powerful nonlinear mapping ability of the LSTM network enables accurate prediction of these modes. In case study, the proposed hybrid model achieves excellent detection accuracy with an average R2 of 0.9460 ± 0.0243. Compared with the hybrid models formed by combining other decomposition procedures (i.e., CEEMDAN, VMD, singular spectrum analysis (SSA), CEEMDAN-SE-SSA) and LSTM network, the proposed hybrid model has the highest detection accuracy (1.36-3.94% higher Nash-Sutcliffe efficiency, 1.28-4.58% higher R2, 12.14-24.86% lower RMSE). The strategy of setting the mode decomposition procedure based on a comprehensive analysis of the decomposition algorithms and the obtained modes ensures high detection accuracy of the proposed hybrid model while avoiding costly computational burdens. This work is enlightening for improving the accuracy and modeling efficiency of soft detection methods, which are expected to reduce energy consumption and pollution caused by water quality detection.

Keywords

TP soft detection 总磷软检测

Sewer networks 污水管网

Urban multi-source data 城市多源数据

Two-stage decomposition 两阶段分解

Long short-term memory 长短期记忆

Energy-saving 节能

Graphics

图2 所提出的混合模型(CEEMDAN-SE-VMD-LSTM)的框架

图5 两阶段模式分解的结果(a)CEEMDAN,(b)VMD

图8 LSTM模型和混合模型在TP时间序列预测中的性能

团队介绍

本研究由哈尔滨工业大学(深圳)、哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室的研究人员共同完成。

作者介绍

李朝林,博士,哈尔滨工业大学(深圳)教授/博导,哈尔滨工业大学城市水资源与环境国家重点实验室研究员,现带领团队从事水处理技术与设备研发、环境新材料及其应用、水环境大数据应用、固体废弃物处理等领域的研究。在Applied Catalysis B:Environmental、Chemical Engineering Journal、Applied Energy、Water Research、Green Chemistry、Journal of Hazardous Materials等期刊上发表论文100余篇。主持国家自然科学基金面上项目等课题20余项。

王文辉,博士,哈尔滨工业大学(深圳)青年拔尖副教授/博导,曾获广东省环境科学学会生态环境青年科技奖和广东省环境保护科学技术奖二等奖。主要从事水环境大数据应用、高级氧化、H2O2合成、钠离子电池等领域的研究。以第一/通讯作者在Cell Reports Physical Science、Energy Storage Materials、Applied Catalysis B:Environmental、Water Research、Chemical Engineering Journal等高水平期刊上发表SCI论文50余篇(平均IF~10)。主持国家自然科学基金等课题8项。

张怡拓,博士研究生,从事水环境大数据应用领域的研究。在Applied Energy、Environmental Science & Technology、Journal of Cleaner Production、Journal of Hazardous Materials等期刊发表SCI论文12篇。

关于Applied Energy

本期小编:石康吉;审核人:李海

《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊,在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下,1975年创刊,影响因子11.446,CiteScore 20.4,高被引论文ESI全球工程期刊排名第4,谷歌学术全球学术期刊第50,本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。开源(Open Access)姊妹新刊《Advances in Applied Energy》现已正式上线。在《Applied Energy》的成功经验基础上,致力于发表应用能源领域顶尖科研成果,并为广大科研人员提供一个快速权威的学术交流和发表平台,欢迎关注!

公众号团队小编招募长期开放,欢迎发送自我简介(含教育背景、研究方向等内容)至wechat@applied-energy.org

Python社区是高质量的Python/Django开发社区
本文地址:http://www.python88.com/topic/154867
 
81 次点击