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基于BiLSTM-Attention的F10.7指数预测模型与中国自主数据集的应用

闫帅楠 李雪宝 董亮 黄文耿 王晶 闫鹏朝 娄恒瑞 黄徐胜 李哲 郑艳芳

闫帅楠, 李雪宝, 董亮, 黄文耿, 王晶, 闫鹏朝, 娄恒瑞, 黄徐胜, 李哲, 郑艳芳. 基于BiLSTM-Attention的F10.7指数预测模型与中国自主数据集的应用[J]. 空间科学学报, 2024, 44(2): 251-261. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0040
引用本文: 闫帅楠, 李雪宝, 董亮, 黄文耿, 王晶, 闫鹏朝, 娄恒瑞, 黄徐胜, 李哲, 郑艳芳. 基于BiLSTM-Attention的F10.7指数预测模型与中国自主数据集的应用[J]. 空间科学学报, 2024, 44(2): 251-261. doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0040
YAN Shuainan, LI Xuebao, DONG Liang, HUANG Wengeng, WANG Jing, YAN Pengchao, LOU Hengrui, HUANG Xusheng, LI Zhe, ZHENG Yanfang. Application of F10.7 Index Prediction Model Based on BiLSTM-attention and Chinese Autonomous Dataset (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(2): 251-261 doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0040
Citation: YAN Shuainan, LI Xuebao, DONG Liang, HUANG Wengeng, WANG Jing, YAN Pengchao, LOU Hengrui, HUANG Xusheng, LI Zhe, ZHENG Yanfang. Application of F10.7 Index Prediction Model Based on BiLSTM-attention and Chinese Autonomous Dataset (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2024, 44(2): 251-261 doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0040

基于BiLSTM-Attention的F10.7指数预测模型与中国自主数据集的应用

doi: 10.11728/cjss2024.02.2023-0040 cstr: 32142.14.cjss2024.02.2023-0040
基金项目: 国家自然科学基金项目(11703009, 11803010)和江苏省自然科学基金面上项目(BK20201199)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 闫帅楠:男, 2001年10月出生于江苏省徐州市, 2023年7月本科毕业于江苏科技大学. 现为中国科学院大学硕士研究生在读, 主要研究方向为空间智能信息处理技术, 人工智能与空间灾害性天气事件预报. E-mail: shuainanyan2021@163.com
    通讯作者:
    • 男, 1986年1月出生于江苏省淮安市. 现为江苏科技大学计算机学院副教授, 硕士生导师, 主要研究方向为人工智能与太阳活动预报、空间灾害性天气预报等. E-mail: zyf062856@163.com
  • 中图分类号: P353

Application of F10.7 Index Prediction Model Based on BiLSTM-attention and Chinese Autonomous Dataset

  • 摘要: F10.7指数是太阳活动的重要指标, 准确预测F10.7指数有助于预防和缓解太阳活动对无线电通信、导航和卫星通信等领域的影响. 基于F10.7射电流量的特性, 在双向长短时记忆网络(Bidirectional Long Short-Term Memory Network, BiLSTM)基础上融入注意力机制(Attention), 提出了一种基于BiLSTM-Attention的F10.7预报模型. 在加拿大DRAO数据集上其平均绝对误差(MAE)为5.38, 平均绝对百分比误差(MAPE)控制在5%以内, 相关系数(R)高达0.987, 与其他RNN模型相比拥有优越的预测性能. 针对中国廊坊L&S望远镜观测的F10.7数据集, 提出了一种转换平均校准(Conversion Average Calibration, CAC)方法进行数据预处理, 处理后的数据与DRAO数据集具有较高的相关性. 基于该数据集对比分析了RNN系列模型的预报效果, 实验结果表明, BiLSTM-Attention和BiLSTM两种模型在预测F10.7指数方面具有较好的优势, 表现出较好的预测性能和稳定性.

     

  • 图  1  1957-2022年F10.7日值

    Figure  1.  Daily value of F10.7 from 1957 to 2022

    图  2  L&S望远镜F10.7数据处理

    Figure  2.  L&S telescope F10.7 data processing

    图  3  L&S望远镜数据与DRAO数据对比

    Figure  3.  Comparison of L&S telescope data with DRAO data

    图  4  LSTM结构

    Figure  4.  LSTM network structure

    图  5  F10.7预测基本思路

    Figure  5.  Basic idea for F10.7 prediction

    图  6  BiLSTM-Attention模型结构

    Figure  6.  Structure of BiLSTM-Attention model

    图  7  基于BiLSTM-Attention模型的DRAO数据预测值与真实值对比

    Figure  7.  Comparison of predicted and true values of DRAO data based on BiLSTM-Attention model

    图  8  基于BiLSTM-Attention模型的未来27天DRAO数据F10.7指数预测

    Figure  8.  F10.7 index forecast for the next 27 days based on BiLSTM-Attention model

    图  9  基于BiLSTM-Attention模型的L&S数据预测值和真实值对比

    Figure  9.  Comparison of predicted and true values of L&S data based on BiLSTM-Attention model

    图  10  基于BiLSTM-Attention模型的未来27天L&S数据F10.7指数预测曲线

    Figure  10.  F10.7 Index forecast for the next 27 days based on BiLSTM-Attention model

    表  1  参数配置信息

    Table  1.   Parameter configuration information

    参数配置项值或信息
    训练轮次(epoch)80
    学习率0.001
    损失函数MSE
    batch_size8
    优化器RMSprop
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    表  2  各模型在DRAO数据集上多天预测性能比较

    Table  2.   Comparison of multi-day forecast performance of each model on DRAO dataset

    预测天数 模型 Metrics
    RMSE /sfu MAE/sfu MAPE/ (%) R2 R
    1 LSTM 18.50 7.55 7.16 0.808 0.986
    BiLSTM 17.46 5.97 5.16 0.828 0.987
    BiLSTM-Attention 17.39 5.38 4.19 0.830 0.987
    CNN-BiLSTM 21.60 8.70 7.13 0.738 0.981
    2 LSTM 19.47 9.82 9.79 0.787 0.985
    BiLSTM 19.69 9.27 8.81 0.782 0.985
    BiLSTM-Attention 19.23 7.41 6.08 0.792 0.985
    CNN-BiLSTM 23.27 11.72 11.24 0.696 0.979
    3 LSTM 19.98 8.80 7.80 0.775 0.983
    BiLSTM 19.82 8.23 6.80 0.779 0.984
    BiLSTM-Attention 20.14 8.04 6.46 0.772 0.983
    CNN-BiLSTM 23.15 10.81 9.58 0.699 0.978
    27 LSTM 25.40 14.54 13.33 0.635 0.974
    BiLSTM 25.92 14.54 12.88 0.620 0.973
    BiLSTM-Attention 25.69 13.18 10.92 0.627 0.973
    CNN-BiLSTM 26.00 13.75 12.25 0.618 0.972
    下载: 导出CSV

    表  3  各模型在L&S数据集上多天预测性能比较

    Table  3.   Comparison of multi-day forecast performance of each model on L&S dataset

    预测天数 模型 Metrics
    RMSE /sfu MAE/sfu MAPE/ (%) R2 R
    1 LSTM 14.29 11.26 9.04 0.625 0.993
    BiLSTM 14.23 11.02 8.71 0.628 0.993
    BiLSTM-Attention 14.75 11.10 8.66 0.600 0.993
    CNN-BiLSTM 16.56 13.64 11.45 0.496 0.991
    2 LSTM 17.95 13.97 11.30 0.405 0.989
    BiLSTM 16.68 12.49 9.92 0.486 0.991
    BiLSTM-Attention 16.79 13.04 10.46 0.479 0.990
    CNN-BiLSTM 19.23 15.95 13.71 0.316 0.990
    3 LSTM 19.14 15.11 12.07 0.325 0.985
    BiLSTM 17.43 13.99 11.39 0.440 0.990
    BiLSTM-Attention 18.16 14.88 12.19 0.392 0.989
    CNN-BiLSTM 20.21 16.40 13.63 0.247 0.987
    27 LSTM 24.52 19.84 15.30 –0.065 0.982
    BiLSTM 24.11 19.40 15.26 –0.030 0.982
    BiLSTM-Attention 24.19 19.14 14.75 –0.037 0.982
    CNN-BiLSTM 23.85 19.64 15.87 –0.008 0.982
    下载: 导出CSV
  • [1] 马瑞平, 纪巧, 徐寄遥. 太阳F10.7指数准27天振荡的小波分析[J]. 空间科学学报, 2007, 27(2): 89-95 doi: 10.11728/cjss2007.02.089

    MA Ruiping, JI Qiao, XU Jiyao. Wavelet analysis of quasi-27-day oscillations in the solar index F10.7[J]. Chinese Journal of Space Science, 2007, 27(2): 89-95 doi: 10.11728/cjss2007.02.089
    [2] 刘四清, 钟秋珍, 温靖, 等. 太阳10.7 cm射电流量中期预报模型研究(Ⅰ)[J]. 空间科学学报, 2010, 30(1): 1-8 doi: 10.11728/cjss2010.01.001

    LIU Siqing, ZHONG Qiuzhen, WEN Jing, et al. Modeling research of 10.7 cm solar radio flux 27-day forecast (I)[J]. Chinese Journal of Space Science, 2010, 30(1): 1-8 doi: 10.11728/cjss2010.01.001
    [3] 温靖, 钟秋珍, 刘四清. 太阳10.7 cm射电流量中期预报模型研究(Ⅱ)[J]. 空间科学学报, 2010, 30(3): 198-204 doi: 10.11728/cjss2010.03.198

    WEN Jing, ZHONG Qiuzhen, LIU Siqing. Model research of 10.7cm solar radio flux 27-day forecast (II)[J]. Chinese Journal of Space Science, 2010, 30(3): 198-204 doi: 10.11728/cjss2010.03.198
    [4] WANG H B, XIONG J N, ZHAO C Y. The mid-term forecast method of solar radiation index[J]. Chinese Astronomy and Astrophysics, 2015, 39(2): 198-211 doi: 10.1016/j.chinastron.2015.04.010
    [5] 高扬, 吕建永, 王明, 等. 基于深度学习的太阳F10.7辐射通量的短期预报研究[J]. 天文学报, 2022, 63(1): 11

    GAO Yang, LV Jianyong, WANG Ming, et al. Short-term prediction of solar F10.7 radiation flux based on deep learning[J]. Acta Astronomica Sinica, 2022, 63(1): 11
    [6] VALDÉS J J, NIKOLIĆ L, TAPPING K. Machine learning approaches for predicting the 10.7 cm radio flux from solar magnetogram data[C]//2019 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN). Budapest, Hungary: IEEE, 2019
    [7] HUANG C, LIU D D, WANG J S. Forecast daily indices of solar activity, F10.7, using support vector regression method[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2009, 9(6): 694 doi: 10.1088/1674-4527/9/6/008
    [8] LUO J Q, ZHU H B, JIANG Y, et al. The 10.7-cm radio flux multistep forecasting based on empirical mode decomposition and back propagation neural network[J]. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 2020, 15(4): 584-592 doi: 10.1002/tee.23092
    [9] ABRAHAM S, ANIYAN A K, KEMBHAVI A K, et al. Detection of bars in galaxies using a deep convolutional neural network[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2018, 477(1): 894-903 doi: 10.1093/mnras/sty627
    [10] 杨旭, 朱亚光, 杨升高, 等. LSTM神经网络在太阳F10.7射电流量中期预报中的应用[J]. 空间科学学报, 2020, 40(2): 176-185 doi: 10.11728/cjss2020.02.176

    YANG Xu, ZHU Yaguang, YANG Shenggao, et al. Application of LSTM neural network in F10.7 solar radio flux mid-term forecast[J]. Chinese Journal of Space Science, 2020, 40(2): 176-185 doi: 10.11728/cjss2020.02.176
    [11] LUO J Q, ZHU L C, ZHU H B, et al. A new approach for the 10.7-cm solar radio flux forecasting: based on empirical mode decomposition and LSTM[J]. International Journal of Computational Intelligence Systems, 2021, 14(1): 1742-1752 doi: 10.2991/ijcis.d.210602.001
    [12] CINAR Y G, MIRISAEE H, GOSWAMI P, et al. Period-aware content attention RNNs for time series forecasting with missing values[J]. Neurocomputing, 2018, 312: 177-186 doi: 10.1016/j.neucom.2018.05.090
    [13] LIU H, LIU C, WANG J T L, et al. Predicting solar flares using a long short-term memory network[J]. The Astrophysical Journal, 2019, 877(2): 121 doi: 10.3847/1538-4357/ab1b3c
    [14] ZHANG W T, ZHAO X H, FENG X S, et al. Predicting the daily 10.7-cm solar radio flux using the long short-term memory method[J]. Universe, 2022, 8(1): 30 doi: 10.3390/universe8010030
    [15] LUO J Q, ZHU L C, ZHANG K L, et al. Forecasting the 10.7-cm solar radio flux using deep CNN-LSTM neural networks[J]. Processes, 2022, 10(2): 262 doi: 10.3390/pr10020262
    [16] STEVENSON E, RODRIGUEZ-FERNANDEZ V, MINISCI E, et al. A deep learning approach to solar radio flux forecasting[J]. Acta Astronautica, 2022 , 193: 595-606
    [17] ZHENG Y F, LI X B, YAN S N, et al. Multiclass solar flare forecasting models with different deep learning algorithms[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023, 521(4): 5384-5399 doi: 10.1093/mnras/stad839
    [18] SCHUSTER M, PALIWAL K K. Bidirectional recurrent neural networks[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 1997, 45(11): 2673-2681 doi: 10.1109/78.650093
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-25
  • 录用日期:  2024-03-13
  • 修回日期:  2023-05-10
  • 网络出版日期:  2023-07-27

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