基于融合注意力机制LSTM网络的地下水位自适应鲁棒预测

摘要

地下水水位是旱天污水管网地下水入渗量的重要影响因素，快速精准地预测地下水水位能有效提升旱天污水管网地下水入渗量估算准确度，辅助优化管网病害治理与维护策略。针对目前城市复杂水文预测存在的准确度低、灵敏度低、泛化能力弱等问题，本文提出了一种新的鲁棒自适应水位预测算法。首先，对水文数据进行预处理，解决了数据时间跨度大、噪声多、缺失及异常、非平稳等问题。其次，针对不同输入特征对预测指标的影响，在模型训练阶段提出一种新的空间变量注意机制，可快速识别与水位关联的关键变量，并对输入特征赋予不同的影响权重。然后，针对不同序列长度对预测效果的影响，还设计了自适应时间注意力机制，帮助网络自适应地找出与不同时间序列长度预测指标相关的编码器隐藏状态，以更好地捕捉时间上的依赖关系。在此基础上，以上下文向量作为输入，提出一种融合注意力机制的长短时记忆网络水文预测算法。最后，通过意大利Petrignano水文数据验证了所提算法的有效性，并与GRU、Elman、LSTM、VA–LSTM和S–LSTM等方法进行预测性能比较。结果表明，基于融合注意力机制的LSTM网络在面临大规模、噪点多的复杂数据时有优于其它几种算法的预测效果，表明该算法具有强自适应性和鲁棒性。本文研究结果可以为市政排水策略合理调整、及时控制提供参考。

关键词

地下水位预测 / 时间与空间注意力机制 / LSTM网络 / 自适应预测 / 鲁棒预测

基金资助

国家重点研发计划项目（2020YFB1709705）