【论文阅读】Deep Distributed Fusion Network for Air Quality Prediction
Deep Distributed Fusion Network for Air Quality Prediction
摘要：基于对大气污染的领域知识，提出了一种基于深度神经网络（DNN）的方法（Deep-air），该方法由空间变换组件和深度分布式融合网络组成。考虑到大气污染物的空间相关性，组件将空间稀疏的空气质量数据转换为一致的输入，以模拟污染物源。后一种网络采用神经分布式结构，融合城市异质数据，同时捕捉影响空气质量的因素，如气象条件。该系统预测300+城市的48小时天气情况。
空气质量预测的主要问题：
多种影响因子、影响因子的相互关系复杂、一些因素引起的突变。
模型结构
组件将空气污染检测站点的PM2.5读数当作间接污染源(second-hand pollutant sources)，通过空间插值、聚集和发散的方法把空间稀疏的输入转化为一种固定的输入(AQI)。之后将AQI和其他的影响因子如气象因素、天气预报等等合并成为城市融合数据。降维以得到因素之间的相互关系，使用embedding of AQI来模拟当地排放和区域运输的直接因素，其余数据集的embedding作为间接因素。四个子网络用于计算historical weather(HW)、weather forecast(WF)、secondary productions(SP)以及meta properties from time and terrain(MP)对直接因素的影响关系。除此之外使用另一个子网络(HI)来模拟所有因素的历史影响。五个子网络共同作用，赋予不同的权重得到最后的结果。
SPATIAL TRANSFORMATION：
由于污染物分布在地理空间中，地理位置的空气质量不仅取决于其先前的空气质量，而且还取决于其邻近地区的空气质量。spatial transformation其实就是把空间稀疏的数据稠密化（插值）的过程
主要步骤是：
1、spatial partition 分割
用四条线和两个圆将地理空间划分为16个区域，例如20公里和100公里的半径。如图5（b）所示，所有区域共用目标监测站（以黑点表示），作为共同中心，内圆区域面积小，外圆区域面积大。此外，不同角度的区域适合八个风向，气象条件可能会进一步捕捉到这些风向。
2、 spatial aggregation 聚类
汇总了区域内监测站记录的空气质量读数，如图5（c）所示。因此，至少有一个站点的区域将具有一个平均AQI。然而，从北京市的分区结果来看，不同的目标站有不同的缺失模式，约33%的地区没有监测站。
3、spatial interpolation 插值
在图5（d）所示的这些区域中填充缺失的值。更具体地说，我们首先随机在这些地区生成一些假监测站。然后，利用经典的空间插值方法——反距离加权法（idw）对伪监测站的aqi进行插值。
在一个时间戳中得到17个AQI，其中1个来自目标站，16个来自邻近地区。对每个监测站执行相同的过程。
这个机制的优点：1、模拟二手传染源的空间扩散 2、遵从空间相关性（距离） 3、使稀疏数据可量测，也限制了输入的维度
DEEP DISTRIBUTED FUSION
尽管空气质量受多种因素的影响，但这些因素的影响程度可能不同。
设置五个不同的子网络，并得到不同的权重值
其中
是预测值，
是五个子网络的输出值 ；。是 Hadamard积（逐项相乘）；?ℎ?, ???, ???, ???, ?ℎ? 都是需要学习的参数
模型架构
在大多数情况下，所有间接因素都会同时决定直接因素的发展环境。此外，每个间接因素对影响未来空气质量的直接因素都有各自的影响。分布式融合体系结构突出了主特征，将主特征分别与各辅助特征交互，学习辅助特征的影响得到联合效应。
这里就有点像attention了，其实attention就是两个要点，一个是对全局依次比较，一个是加权求和
在本文中，主特征是AQI，其他是辅助特征，并分别建立子网络。主特征在所有子网之间共享，所有子网都具有相同的网络结构FusionNet。
主特征和辅助特征拼接同等对待，然后使用一些全连接层（FC）以非线性方式学习高交互阶特征。Residual FC layers用于快速传导信息
子网络
historical weather subnet (HW) 和 weather forecast subnet (WF)用于处理天气历史序列（天气、风向、风速、湿度、气压）和天气预报序列（天气、风向、风强），在输入AQI和以上因素之后，可以得到?ℎ? 和 ???
a secondary production subnet (HI)模拟一些导致PM2.5变化的化学反应因素，输入AQI和化学因素（(PM10, NO2, CO, O3, and SO2）得到 ???
Meta property subnet (MP)模拟影响空气质量的时间和地形特性。用时间（DayOfWeek、TimeOfDay）来模拟时间维度的空气质量模式（例如，由于温度升高，冬季的空气质量指数始终高于夏季）；使用 station ID来模拟影响空气质量的地形（例如建筑区的空气质量总是比开放区差）。综合AQI、时间和 station ID得到???
holistic influence subnet (HI)将所有直接和间接因素融合在一起，学习整体影响。因为除个别影响外，所有间接因素都将同时决定影响未来空气质量的直接因素。因此得到 ?ℎ
Embedding
利用embedding获得时间依赖性，并学习每个影响因素的内部动态机制。
对定性数据，embedding可以得到编码后的真值向量以及得到不同类别之间的相似性
对定量数据，embedding可以降维并得到隐藏的信息表示
算法
1-11行构造数据实例，之后通过后向传播算法减少预测值和已知值的绝对误差
实验情况
空气质量数据：中国302个城市每小时2296个官方空气质量监测站的大气污染物数据，每个站点数据都包括PM2.5, PM10, NO2, CO, O3以及 SO2六个指标
气象数据： 3,514个城市的逐小时气象数据
预报数据：2,612 cities/districts，the forecasts for the next three days for each update
主要范围： 2014/5/1 to 2017/4/30的(Beijing, Tianjin, Shanghai, Nanjing, Hangzhou, Guangzhou, Shenzhen, Chengdu, and Chongqing
实验精度：
