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基于TimeGAN 和CNN-BiLSTM-Attention 的大壩變形預(yù)測混合模型

2024-12-31 00:00:00原佳帆李丹楊李佳霖秦學(xué)毛鵬
人民黃河 2024年12期
關(guān)鍵詞:變形特征模型

摘 要:基于歷史數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)模型往往需要跨越數(shù)年的大量數(shù)據(jù)集,為了解決數(shù)據(jù)不足問題,提出一種將時間序列生成對抗性網(wǎng)絡(luò)(TimeGAN)與CNN-BiLSTM-Attention 相結(jié)合的混凝土面板堆石壩變形預(yù)測混合模型。首先,利用TimeGAN 生成虛擬數(shù)據(jù)來擴展稀疏的數(shù)據(jù)集;然后,利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)提取大壩傳感器數(shù)據(jù)中的非線性局部特征,運用BiLSTM 捕獲雙向時間序列特征;最后,引入注意力(Attention)機制對BiLSTM 層提取的信息特征自動進(jìn)行權(quán)重分配,通過全連接層輸出最終預(yù)測結(jié)果。以貴州省畢節(jié)市某混凝土面板堆石壩為例,驗證該混合模型的適用性。建立長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)、CNN-LSTM、CNN-LSTM-Attention、CNN-BiLSTM-Attention 4 種基模型,再分別引入TimeGAN,對比各模型的預(yù)測精度。結(jié)果表明:基于TimeGAN 和CNN-BiLSTM-At?tention 的混合模型的擬合效果明顯優(yōu)于其他模型,其預(yù)測值與監(jiān)測值最接近。相較于傳統(tǒng)單一LSTM 模型,混合模型的EMS、ERMS、EMA分別降低了71%、49%、45%,R2提升了20%。

關(guān)鍵詞:TimeGAN;CNN;BiLSTM;Attention;混凝土面板堆石壩;變形預(yù)測

中圖分類號:TV641.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.12.021

引用格式:原佳帆,李丹楊,李佳霖,等.基于TimeGAN 和CNN-BiLSTM-Attention 的大壩變形預(yù)測混合模型[J].人民黃河,2024,46(12):127-130,143.

0 引言

大壩作為水利樞紐的重要組成部分,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。然而,一旦發(fā)生潰壩,可能會給下游居民造成巨大的人身危害和財產(chǎn)損失[1-2] 。因此,需要采取科學(xué)有效的方法來監(jiān)測和評估大壩的運行狀態(tài),盡早識別異常行為,以消除或最大限度地減少不利影響。

隨著人工智能(AI)的迅猛發(fā)展,研究者們對使用智能數(shù)據(jù)驅(qū)動方法構(gòu)建各領(lǐng)域的預(yù)測模型越來越感興趣[3-6] 。在大壩變形預(yù)測領(lǐng)域,機器學(xué)習(xí)(ML)被證明是一種有效的方法,尤其對于長序列監(jiān)測數(shù)據(jù)。Yang等[7] 使用基于注意力機制優(yōu)化的LSTM 模型對拱壩變形進(jìn)行建模,證實了LSTM 優(yōu)化模型的擬合效果好于單一LSTM 模型的;Wei 等[8] 提出了一種基于CNNLSTM的大壩變形預(yù)測模型,該模型可以充分提取時間序列特征,預(yù)測精度較高;歐斌等[9] 提出了一種基于CNN-BiLSTM 的拱壩變形預(yù)測模型,該模型結(jié)合CNN 的空間特征提取能力和BiLSTM 的雙向特征提取能力,具有很好的預(yù)測效果。

對上述模型進(jìn)行評估時,主要針對時間跨度大、數(shù)據(jù)量大和固有穩(wěn)定性的大壩。然而,對于新建大壩而言,相關(guān)指標(biāo)歷史監(jiān)測序列較短、數(shù)據(jù)較少,這種缺陷會影響模型訓(xùn)練的完整性,進(jìn)而影響預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此亟待研究基于稀缺數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建方法。為此,本文提出了一種基于TimeGAN 和CNN-BiLSTMAttention的混合模型用于預(yù)測新建大壩變形,通過Ti?meGAN 生成虛擬數(shù)據(jù)擴展訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,利用CNN 提取大壩傳感器數(shù)據(jù)中的非線性局部特征, 并運用BiLSTM 捕獲雙向時間序列特征,最后通過注意力機制對BiLSTM 層提取的信息特征自動進(jìn)行權(quán)重分配,以期更準(zhǔn)確預(yù)測大壩穩(wěn)定狀況。

1 基礎(chǔ)理論與模型構(gòu)建

1.1 TimeGAN

生成對抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)的概念由蒙特利爾大學(xué)著名人工智能研究員Goodfellow 于2014 年首次提出。TimeGAN[10] 是GAN 的變體,用于生成時間序列數(shù)據(jù)。TimeGAN 由自編碼器和對抗網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,自編碼器包括嵌入網(wǎng)絡(luò)(Embedding network)和恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)(Recoverynetwork),對抗網(wǎng)絡(luò)包括生成器(Generator)和鑒別器(Discriminator)。

TimeGAN 采用聯(lián)合訓(xùn)練方法,依賴自編碼器損失LR、監(jiān)督損失LM和非監(jiān)督損失LU對自編碼器和對抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。首先,通過數(shù)據(jù)重構(gòu)LR優(yōu)化自編碼器編碼解碼過程;其次,引入監(jiān)測數(shù)據(jù)作為生成器的監(jiān)督項,定義生成器與監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的LS,用于評估生成器的學(xué)習(xí)能力;最后,通過定義無監(jiān)督GAN 的對抗損失LU,實現(xiàn)對生成器的反饋。在關(guān)鍵損失函數(shù)的聯(lián)合訓(xùn)練下,TimeGAN 實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)誤差的最小化,完成對序列相關(guān)性的學(xué)習(xí),從而生成符合真實時序分布的合成數(shù)據(jù)。一般在數(shù)據(jù)設(shè)置中,每個實例由靜態(tài)特征(如性別)和時間特征(如生命體征)組成。令S 為靜態(tài)特征的向量空間,X 為時間特征向量空間,s(s∈S)、x(x∈X)為可以用具體值實例化的隨機向量。規(guī)定(s,x1:T~p )為滿足某種聯(lián)合分布p 的元組,每個序列長度T 均為隨機變量,學(xué)習(xí)目標(biāo)是某一p^ (s,x1:T~p )盡可能逼近真實分布p(s,x1:T~p )。

模型關(guān)鍵損失計算公式如下:

式中:st 、s~分別為原始靜態(tài)特征、隨機靜態(tài)特征向量,xt 、x~ t分別為原始動態(tài)特征向量、隨機動態(tài)特征向量,E為概率分布的期望。

式中yS 、yt 分別為原始靜態(tài)特征、動態(tài)特征的標(biāo)簽,y~S 、y~t 分別為原始靜態(tài)模型得到的靜態(tài)特征分類結(jié)果、動態(tài)特征分類結(jié)果。

式中:ht 、hs分別為t 時刻的動態(tài)特征向量、靜態(tài)特征向量;ht-1為t-1 時刻的動態(tài)特征向量;zt為t 時刻的隨機動態(tài)特征向量;g 為生成器函數(shù),用于生成動態(tài)穩(wěn)含空間編碼。

1.2 CNN

CNN 由輸入層、卷積層、池化層、全連接層和輸出層組成。卷積層和池化層是整個模型結(jié)構(gòu)的重點,主要用于提取特征和對特征進(jìn)行降維。

本研究對象為大壩變形,屬于時間序列預(yù)測任務(wù),因此使用一維卷積(CONV-1D) 從數(shù)據(jù)集中提取特征。通過輸入層將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入CONV-1D,卷積層和池化層形成卷積組對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積,重構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)特征,其中:卷積層負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)中提取局部特征,池化層負(fù)責(zé)對卷積后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征選擇和信息過濾以減少數(shù)據(jù)量并加快計算。

1.3 BiLSTM

LSTM 作為循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)的擴展,具備學(xué)習(xí)長期依賴關(guān)系的能力。相對于傳統(tǒng)RNN,LSTM 更適用于處理和預(yù)測具有長間隔的時間序列。LSTM 隱藏層結(jié)構(gòu)包括神經(jīng)元、輸入門、遺忘門和輸出門,見圖1(圖中、分別為記憶細(xì)胞更新過程的乘法、加法操作,C~t 為更新后的神經(jīng)元)。

神經(jīng)元是LSTM 的核心,負(fù)責(zé)保存重要信息,并傳遞給后續(xù)網(wǎng)絡(luò)層;輸入門決定輸入信息是否寫入神經(jīng)元,即在當(dāng)前時刻t,輸入的xt有多少保留到記憶細(xì)胞Ct中;遺忘門用于決定神經(jīng)元中的信息是否被遺忘,即t-1 時刻的記憶細(xì)胞Ct -1 有多少保留到記憶細(xì)胞Ct中;輸出門用于控制神經(jīng)元下一時刻的輸出,即決定當(dāng)前時刻t 有多少記憶細(xì)胞Ct 輸出到ht ;ht -1、ht 分別為t-1時刻、t 時刻的輸出狀態(tài);ft 、it 、ot分別為遺忘門、輸入門和輸出門對應(yīng)的控制系數(shù)。LSTM 計算過程如下:

ft = σ(Wf xt + Uf ht -1 + bf ) (4)

ii = σ(Wi xi + Ui ht -1 + bi ) (5)

ot = σ(Wo xt + Uo ht -1 + bo ) (6)

C ~t = tanh(Wc xt + Uc ht -1 + bc ) (7)

Ct = ft Ct -1 + itC ~t (8)

ht = ot tanh(Ct ) (9)

式中:Wf 、Wt 、Wo 、Uf 、Ui 、Uo均為權(quán)重,bi 、bf和bo均為各個門結(jié)構(gòu)的偏置,σ 為Sigmoid 激活函數(shù)。

BiLSTM 是對LSTM 的改進(jìn),由前向LSMT 與后向LSTM 組成,前向LSMT 按照正向順序處理序列,后向LSTM 按照逆向順序處理序列,在每一時刻, 每個LSTM 單元都能夠同時訪問過去和未來的信息。因此,選擇BiLSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從CNN 層提取的長期特征信息中學(xué)習(xí)雙向序列特征,有利于提高模型的預(yù)測精度和特征數(shù)據(jù)的利用率。

1.4 注意力機制

注意力機制最早源自對人類視覺的研究,在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域,模型訓(xùn)練需要大量數(shù)據(jù),但在特定情況下,并非所有特征同等重要。注意力機制可以根據(jù)不同的特征來調(diào)整信息權(quán)重,為更重要的特征分配更大的權(quán)重,丟棄不重要的信息,通過這種差異化的權(quán)重分配來提高數(shù)據(jù)處理效率。

1.5 基于TimeGAN 和CNN-BiLSTM-Attention 的混合模型構(gòu)建

根據(jù)上述理論, 提出基于TimeGAN 和CNN -BiLSTM-Attention 的混合模型,該模型構(gòu)建流程見圖2(圖中h1 → 、h2 → 分別為前向、后向LSTM 的隱藏層狀態(tài), a1,a2,…,an為隱藏層狀態(tài)構(gòu)成的新向量)。

第一步:對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,即對大壩歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、標(biāo)準(zhǔn)化處理,對不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

第二步:基于TimeGAN 對數(shù)據(jù)進(jìn)行擴充。根據(jù)時間步長對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行三維擴展;自編碼器將真實的時序數(shù)據(jù)編碼成低維表示,捕獲關(guān)鍵特征;Generator網(wǎng)絡(luò)把自編碼器輸出的低維表示和隨機向量作為輸入,生成與原數(shù)據(jù)相似的虛擬數(shù)據(jù),盡可能準(zhǔn)確模擬真實數(shù)據(jù)分布;采用Discriminator 網(wǎng)絡(luò)判別生成虛擬數(shù)據(jù)是否與監(jiān)測數(shù)據(jù)相符;通過交替訓(xùn)練Generator 和Discriminator 網(wǎng)絡(luò),使得相互競爭協(xié)作逐漸達(dá)到平衡,最終Generator 網(wǎng)絡(luò)利用學(xué)到的知識生成虛擬時序數(shù)據(jù)。

第三步:將擴充后的數(shù)據(jù)輸入CNN 層。CNN 層包括卷積層、批處理規(guī)范化層和池化層,具有直線單元(ReLU)激活函數(shù)。在卷積層沿著時間方向?qū)颖具M(jìn)行卷積,采用批處理規(guī)范化和最大池化優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),最終使用ReLU 激活函數(shù)對輸出結(jié)果進(jìn)行非線性映射。將輸出結(jié)果輸入BiLSTM,對數(shù)據(jù)進(jìn)行維度轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)選擇性記住或忘記特征信息,有效防止梯度消失或爆炸。選擇tanh 函數(shù)作為非線性激活函數(shù),對結(jié)果進(jìn)行維度轉(zhuǎn)換,隨即傳入注意力機制層,注意力機制本質(zhì)上是一個加權(quán)求和的過程,在該過程中先計算每個時間序列的權(quán)重,然后對所有時間序列向量進(jìn)行加權(quán),通過全連接層虛擬函數(shù)處理后,得到預(yù)測值。

2 工程實例應(yīng)用

2.1 工程概況

畢節(jié)市某混凝土面板堆石壩壩高154 m,壩頂寬10 m、長428.93 m,最大壩寬454.085 m。為了實時監(jiān)控大壩運行的工作狀態(tài),在大壩內(nèi)部安裝了多種傳感器,在壩體橫左0+005.000 監(jiān)測剖面設(shè)置了水平位移和垂直位移監(jiān)測點,共有4 條測線(見圖3)。使用2020 年2 月1 日至2023 年9 月30 日的壩頂方向水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,其中70%為訓(xùn)練集、30%為測試集。

2.2 模型精度評估指標(biāo)

為了全面評估基于TimeGAN 和CNN-BiLSTMAttention的混合模型的有效性, 建立LSTM、CNN -LSTM、CNN-LSTM-Attention、CNN-BiLSTM-Attention基模型,再分別引入TimeGAN,對比各模型的預(yù)測精度。精度評價指標(biāo)包括平均平方誤差(EMS )、平均絕對百分比誤差(ERMS)、平均絕對誤差(EMA)、決定系數(shù)(R2),計算公式如下:

式中:N 為樣本總量,yi為第i 個樣本的預(yù)測值,^y i為第i 個樣本的監(jiān)測值,yi為第i 個樣本的平均監(jiān)測值。

2.3 模型預(yù)測結(jié)果

LSTM、CNN-LSTM、CNN-LSTM-Attention、基于TimeGAN 和CNN - BiLSTM - Attention 的混合模型[CNN-BiLSTM-Attention(TimeGAN)]的精度評價指標(biāo)見表1。

R2越大,EMS、ERMS、EMA 越小,模型的擬合效果越好。由表1 可知,基于TimeGAN 和CNN-BiLSTM-Attention 的混合模型的模擬精度最高,相較于單一LSTM 模型,其EMS、ERMS、EMA 分別降低了71%、49%、45%,R2 提升了20%。除CNN-LSTM-Attention 模型外,其他基模型引入TimeGAN 后,擬合精度有所提升。

不同模型對大壩變形趨勢的預(yù)測效果見圖5。基于TimeGAN 和CNN-BiLSTM-Attention 的混合模型擬合效果明顯優(yōu)于其他模型,其預(yù)測值與監(jiān)測值最接近。總而言之,單一LSTM 模型的擬合效果最差,CNNLSTM模型預(yù)測效果稍有改善,但是不如CNN-LSTMAttention,原因是注意力機制可以使得模型從大量影響結(jié)果的特征中捕獲到重要的關(guān)鍵特征。CNN -BiLSTM-Attention 可以實現(xiàn)最好的擬合效果,原因是雙向的LSTM 模型結(jié)構(gòu)可以充分利用時間序列中前后時間維度的關(guān)系,獲得更多的特征信息,從而提高模型的預(yù)測精度。

各基模型與引入TimeGAN 后的預(yù)測結(jié)果殘差對比見圖5(L:LSTM,CL:CNN-LSTM,CLA:CNN-LSTMAttention,CBA: CNN - BiLSTM - Attention, T:TimeGAN))。引入TimeGAN 之后,大部分模型的擬合精度提高,本文所提出的混合模型的殘差分布密集并且數(shù)值小,預(yù)測結(jié)果最接近監(jiān)測值。T-CLA 與CLA 相比精度并無提升,考慮到引入TimeGAN 之后模型復(fù)雜度變高,而LSTM 作為一種單向的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),無法有效捕捉未來信息,從而導(dǎo)致性能提升有限。

3 結(jié)論

以貴州省畢節(jié)市某混凝土面板堆石壩為研究對象,提出了一種基于TimeGAN 和CNN-BiLSTM-Attention的面板堆石壩變形預(yù)測混合模型。以LSTM、CNN-LSTM、CNN-LSTM-Attention 模型為對照模型,基于TimeGAN 和CNN-BiLSTM-Attention 的混合模型的模擬精度最高。TimeGAN 通過生成額外訓(xùn)練樣本來擴展原始數(shù)據(jù)集,有效提升了模型的訓(xùn)練質(zhì)量;BiLSTM在泛化能力上優(yōu)于單向LSTM,結(jié)合TimeGAN 之后,因雙向結(jié)構(gòu)帶來的豐富特征表示而使模型整體泛化能力得到增強;注意力機制用于動態(tài)調(diào)整權(quán)重,有助于提高模型的精度。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】

基金項目: 貴州省科技計劃項目(黔科合支撐〔2023〕一般251);貴州省基礎(chǔ)研究計劃(自然科學(xué))青年引導(dǎo)項目(黔科合基礎(chǔ)〔2024〕青年095)

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