基于时序分析及 CNN-BiLSTM-AM 的阶跃型 滑坡位移预测
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P642.22

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甘肃省教育科技创新项目(221jyibgs-05)、甘肃省军民融合专项(2020JG01)、甘肃省重点研发计划(21YF5GA158) 项目资助


Displacement prediction of step-like landslide based on temporal analysis and CNN-BiLSTM-AM
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    摘要:

    传统基于递归神经网络的模型对阶跃型滑坡位移预测能力不足,为解决这一问题,提出一种基于时序分析及卷积神 经网络-双向长短期记忆-注意力机制(CNN-BiLSTM-AM) 的滑坡位移动态预测模型。首先使用变分模态分解方法(VMD) 将 序列分解为趋势项、周期项和随机项。采用二次指数平滑法拟合趋势项位移,然后引入最大互信息系数法(MIC) 计算各类影 响因子与周期项位移相关性,对于周期项和随机项位移采用CNN-BiLSTM-AM 混合模型进行多因素和单因素预测,最终累 加各分量预测值得到累积位移预测结果。实验结果表明,所提方法在最终累计位移预测结果中拟合系数 R² 达0.984 和 0.987,平均绝对误差(MAE) 分别为5.334和3.947,均方根误差(RMSE) 分别为6.196和4.941,相比卷积神经网络-长短期 记忆(CNN-LSTM) 、麻雀搜索算法-核极限学习机(SSA-KELM) 和 NARX 方法,所提方法能够更好的捕捉监测数据的时间相 关性,预测精度显著提高,可为阶跃型滑坡预警及防治工作提供参考。

    Abstract:

    Traditional models based on recurrent neural networks have insufficient predictive capabilities for stepwise landslide displacement.To address this issue,a dynamic landslide displacement prediction model based on time series analysis and CNN-BiLSTM-AM is proposed.Firstly,the sequence is decomposed into trend components,periodic components,and random components using the variational mode decomposition(VMD)method.The trend component displacement is fitted using the second-order exponential smoothing method.Then,the maximum mutual information coefficient(MIC)method is introduced to calculate the correlation between various influencing factors and periodic component displacement.For both periodic and random component displacements,a hybrid CNN-BiLSTM-AM model is used for multi-factor and single-factor prediction.Finally,the predicted values of each component are accumulated to obtain the cumulative displacement prediction results.Experimental results show that the proposed method achieves fitting coefficients R²of 0.984 and 0.987 in the final cumulative displacement prediction results,with average absolute errors(MAE)of 5.334 and 3.947,and root mean square errors(RMSE)of 6.196 and 4.941,respectively.Compared to CNN-LSTM,SSA-KELM,and NARX methods,the proposed method better captures the temporal correlations in monitoring data,significantly improving prediction accuracy,and providing valuable references for stepwise landslide early warning and mitigation efforts.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

杨进昆,党建武,杨景玉,岳 彪.基于时序分析及 CNN-BiLSTM-AM 的阶跃型 滑坡位移预测[J].国外电子测量技术,2024,43(1):126-134

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  • 在线发布日期: 2024-05-28
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