基于集成深度学习模型的空气质量指数预测
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西安财经大学统计学院

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基金项目:

国家社会科学基金青年项目(20CTJ008);全国统计科学研究重点项目(2021LZ28);陕西省自然科学基金项目(2022JQ-042)


Air quality index prediction based on integrated deep learning model
Author:
Affiliation:

1.College of Statistics, Xi'2.'3.an University of Finance and Economics

Fund Project:

National Social Science Foundation of China Youth Project (20CTJ008); National Key Project of Statistical Science Research (2021LZ28); Shaanxi Provincial Natural Science Foundation Project (2022JQ-042)

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    摘要:

    大气污染严重危害居民的出行安全和身体健康,空气质量指数(AQI)是一种用于测量空气质量状况的综合指标,对AQI的预测可以提醒公众空气质量信息,使人们做出更明智的出行决策。通过提前预测空气质量的变化,政府和环保部门可以采取应急措施以减轻空气污染。本文提出基于卷积神经网络和门控循环单元的集成深度学习模型(CNN-GRU)对AQI进行预测。其中,卷积神经网络(CNN)提取污染气体浓度和AQI的时空特征并完成特征映射,门控循环单元(GRU)建模时序关系并高效完成计算。选取2014—2022年北京市和广州市的6种主要污染气体(PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3)日平均质量浓度和AQI进行实例研究,使用CNN-GRU模型对AQI进行预测,与多元宇宙优化的广义回归神经网络模型(MVO-GRNN)、遗传算法优化的BP神经网络模型(GA-BP)对AQI的预测进行对比分析。实验结果表明,本文提出的CNN-GRU模型对AQI的预测误差最小。

    Abstract:

    The air quality index (AQI) is a comprehensive indicator used to measure air quality conditions. The prediction of AQI can alert the public to air quality information and enable people to make more informed travel decisions. By predicting the change of air quality in advance, the government and environmental protection departments can take emergency measures to reduce air pollution. Therefore, this paper proposes an integrated deep learning model (CNN-GRU) based on convolutional neural network and gated recurrent unit for AQI prediction. In this paper, convolutional neural network (CNN) extracts the spatial and temporal characteristics of pollutant gas concentration and AQI and completes the feature mapping, while gated recurrent unit (GRU) models the temporal relationship and completes the calculation efficiently. The daily average concentrations and AQI of six major pollutant gases (PM2.5, PM10, SO2, CO, NO2, O3) in Beijing and Guangzhou from 2014-2022 are selected for example study, and the AQI is predicted using the CNN-GRU model, which is compared with the multiverse-optimized generalized regression neural network model (MVO-GRNN), genetic algorithm-optimized BP neural network model (GA-BP) for AQI prediction for comparative analysis. The experiments show that the CNN-GRU model proposed in this paper has the smallest prediction error for AQI.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

路凯丽,杨露,李涛.基于集成深度学习模型的空气质量指数预测[J].南京信息工程大学学报,,():

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  • 收稿日期:2023-04-21
  • 最后修改日期:2023-06-13
  • 录用日期:2023-06-15
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