《電子技術應用》
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LSTM與Transformer融合模型在時間序列預測中的應用研究
網絡安全與數據治理
王首晨1,王利民2
1.河北建筑工程學院信息工程學院; 2.河北建筑工程學院理學院
摘要: 隨著可再生能源的快速發展,風電功率預測對于電網穩定運行和能源管理具有重要意義。風電功率預測是一個復雜的非線性問題,涉及多種氣象因素和環境條件。提出了一種基于長短期記憶網絡(LSTM)、自適應稀疏自注意力機制(ASSA)和Transformer的融合模型,用于發電功率的時間序列預測。該模型結合了LSTM在捕捉時間序列長期依賴性方面的優勢、ASSA在處理局部特征交互稀疏性方面的高效性以及Transformer在捕捉全局依賴性方面的強大并行處理能力。通過實驗驗證,該模型在發電功率預測任務中表現出色,尤其是在極端波動或拐點處的預測精度上有所提高。與傳統方法相比,該模型能夠更準確地捕捉風電功率變化的復雜性和動態性,為風電場的運營管理提供了有力的決策支持。
中圖分類號:TP391文獻標識碼:ADOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2025.03.005
引用格式:王首晨,王利民. LSTM與Transformer融合模型在時間序列預測中的應用研究[J].網絡安全與數據治理,2025,44(3):27-31,38.
Research on the application of LSTM and Transformer fusion model in time series prediction
Wang Shouchen1, Wang Limin2
1. School of Information Engineering,Hebei University of Architecture; 2. Faculty of Science,Hebei University of Architecture
Abstract: With the rapid development of renewable energy, wind power prediction is of great significance for the stable operation of the power grid and energy management. Wind power prediction is a complex nonlinear problem that involves multiple meteorological factors and environmental conditions. This article proposes a fusion model based on Long Short-Term Memory Network (LSTM), Adaptive Sparse Self-Attention Mechanism (ASSA), and Transformer for time series prediction of power generation. This model combines the advantages of LSTM in capturing long-term dependencies of time series, the efficiency of ASSA in handling local feature interaction sparsity, and the powerful parallel processing capability of Transformer in capturing global dependencies. Through experimental verification, the model performs well in power generation prediction tasks, especially in improving prediction accuracy at extreme fluctuations or inflection points. Compared with traditional methods, this model can more accurately capture the complexity and dynamics of wind power changes, providing strong decision support for the operation and management of wind farms.
Key words : Adaptive Sparse Self-Attention Mechanism (ASSA);LSTM;Transformer;time series;power prediction

引言

隨著全球對可再生能源需求的不斷增長,風電作為一種清潔能源,其發電量預測的準確性對于電網的穩定運行和能源管理具有重要意義。風電場發電功率的時間序列預測是一個復雜的非線性問題,它涉及多種氣象因素和環境條件。如果能對風電場的發電功率進行準確預測,電力調度部門就可通過預先安排調度計劃,從而有效降低風電波動的不利影響。因此,提高風電功率預測精度具有重要意義[1]。目前,風電功率預測方法主要分為物理方法、統計方法和機器學習方法。物理方法基于數值天氣預報,通過預測未來風速和風向,結合風電機組的“風速-功率”曲線得到風功率預測值。然而,風速和風向預測的誤差會傳遞到功率預測中,導致精度受限。統計方法則依賴于歷史數據,通過建立統計學習模型進行預測,但難以捕捉復雜的非線性關系。

預測風電場主要通過分析風的歷史時間序列,并對其進行統計為預測風力發電功率提供指導,同時采用時變解釋模型變量預判和評價風力發電功率。傳統的預測方法,如物理模型和統計模型,雖然在一定程度上能夠提供預測結果,但往往難以捕捉風電功率變化的復雜性和動態性[2]。近年來,機器學習方法因其強大的非線性映射能力得到了廣泛應用。其中,深度學習模型,如卷積神經網絡(CNN)、長短期記憶網絡(LSTM)和門控循環單元(GRU)等,因其在處理時間序列數據方面的優勢,成為風電功率預測的主流方法[3-4]。研究者們不斷探索新的方法以提高風電功率預測的精度。例如,Liu[5]等提出了一種結合LSTM和LightGBM的混合模型,用于澳大利亞陸上風電功率的短期預測。Sun[6]等提出了一種基于時空相關性和Transformer神經網絡的短期多步風電功率預測方法,展示了Transformer在處理長序列數據中的潛力。此外,還有一些研究通過改進參數優化算法來提高模型的預測性能。然而,這些方法在處理非常長的序列時仍面臨挑戰。LSTM作為一種循環神經網絡(RNN)的變種,因能夠有效地捕捉時間序列數據中的長期依賴關系而被廣泛用于風電功率預測[7]。然而,LSTM在處理非常長的序列時可能會遇到梯度消失或爆炸的問題。為了解決這一問題,研究者們開始探索結合LSTM和Transformer模型的方法。Transformer模型通過自注意力機制能夠處理序列數據中的長距離依賴問題,且不受序列長度的限制[8]。

為了克服LSTM和Transformer各自的局限性并發揮各自的優勢,本文在兩者結合的基礎上引入自適應稀疏自注意力機制(ASSA)[9],通過減少注意力計算中的冗余,使得模型能夠更加專注于序列中的關鍵信息。結合LSTM、ASSA和Transformer的模型展現出了優異的性能。通過LSTM捕捉長期依賴性,ASSA和Transformer處理復雜的時空關系,該模型能夠提供更準確的風電功率預測。


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作者信息:

王首晨1,王利民2

(1.河北建筑工程學院信息工程學院,河北張家口075000;

2.河北建筑工程學院理學院,河北張家口075000)


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