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雷达卡
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MATLAB实现基于自注意力网络（Self-Attention Networks）进行中短期天气预测的详细项目实例 1
项目背景介绍 1
项目目标与意义 2
提升站点级与网格级预测精度 2
增强可解释性与可诊断性 2
降低工程复杂度与运维成本 2
促进多源数据融合 2
支撑业务化评估与阈值服务 2
与NWP形成互补增益 3
形成可扩展行业基座 3
项目挑战及解决方案 3
数据缺测与异常值处理 3
时空异质性与地形效应 3
长序列建模与资源约束 3
过拟合与泛化风险 3
实时推理与系统耦合 4
评估指标与业务一致性 4
项目模型架构 4
数据预处理与窗口化 4
位置编码与特征嵌入 4
Transformer编码器栈 4
多头自注意力原理 4
解码与多步预测策略 5
损失函数与优化 5
项目模型描述及代码示例 5
数据读取与窗口化函数（MATLAB） 5
位置编码生成函数（MATLAB） 6
构建Transformer编码器网络（MATLAB） 6
训练配置与训练脚本（MATLAB） 7
多步滚动预测函数（MATLAB） 7
误差度量与分情景评估（MATLAB） 8
注意力权重导出示例（MATLAB，dlnetwork） 8
模型保存、加载与推理（MATLAB） 8
项目应用领域 8
能源电力与风光出力 8
城市精细化与交通气象 9
农业气象与病虫害预警 9
公共卫生与应急管理 9
工业制造与楼宇能耗 9
项目特点与创新 9
自注意力对多尺度信号的协同捕捉 9
位置编码与静态地理嵌入融合 10
训练—评估—解释的一体化闭环 10
工程友好的MATLAB流水线 10
稀疏注意力与混合精度的资源优化 10
与NWP/集合预报的互补校正 10
业务指标驱动的目标函数设计 10
项目应该注意事项 10
数据治理与版本管理 10
样本均衡与难例覆盖 11
超参数与训练稳定性 11
概率输出与不确定性表达 11
安全与合规 11
项目模型算法流程图 11
项目数据生成具体代码实现 12
项目目录结构设计及各模块功能说明 13
项目目录结构设计 13
各模块功能说明 13
项目部署与应用 13
系统架构设计 13
部署平台与环境准备 14
模型加载与优化 14
实时数据流处理 14
可视化与用户界面 14
GPU/TPU加速推理 14
系统监控与自动化管理 14
自动化CI/CD管道 14
API服务与业务集成 15
项目未来改进方向 15
更丰富的多源遥感与雷达融合 15
稀疏与分块注意力的进一步优化 15
概率预报与校准 15
物理约束与可微先验 15
自适应在线学习与漂移监测 15
项目总结与结论 16
程序设计思路和具体代码实现 18
第一阶段：环境准备 18
清空环境变量 18
关闭报警信息 18
关闭开启的图窗 18
清空变量 18
清空命令行 18
检查环境所需的工具箱 18
检查环境是否支持所需的工具箱，若没有安装所需的工具箱则安装所需的工具箱 19
配置GPU加速 19
第二阶段：数据准备 19
数据导入和导出功能 19
文本处理与数据窗口化 20
数据处理功能 21
数据处理功能（填补缺失值和异常值的检测和处理功能） 21
数据分析 21
数据分析（平滑异常数据、归一化和标准化等） 21
特征提取与序列创建 22
划分训练集和测试集 22
参数设置 22
第三阶段：算法设计和模型构建及参数调整 23
算法设计和模型构建 23
优化超参数 24
防止过拟合与超参数调整 25
第四阶段：模型训练与预测 26
设定训练选项 26
模型训练 26
用训练好的模型进行预测 26
保存预测结果与置信区间 27
第五阶段：模型性能评估 27
多指标评估 27
设计绘制训练、验证和测试阶段的实际值与预测值对比图 28
设计绘制误差热图 28
设计绘制残差分布图 28
设计绘制预测性能指标柱状图 28
第六阶段：精美GUI界面 29
完整代码整合封装 35
中短期天气预测（6小时至7天）处在数值模式与临近预报的交汇地带，既要刻画锋面过境、对流爆发、辐射冷却等过程的快速非线性变化，又要兼顾大尺度环流背景与地形、下垫面差异带来的缓慢调制。传统统计方法如ARIMA、卡尔曼滤波与典型的多层感知机，往往难以同时捕获长距离依赖与局地突变；数值天气预报（NWP）虽然物理可解释性强，但在边界条件、模式误差与计算成本等方面存在限制，且高分辨率集合预报对资源需求极高。自注意力网络通过“内容自匹配”的方式，以可学习的相似度在一个序列内部建立远距离关联，可将48小时之前的能量水汽蓄积、前一天的地面辐射收支或上游槽脊信号直接与当前时刻建立联系；多头机制又允许模型在不同的子空间关注不同尺度，如小时级日变化、日—周尺度周期、以及与地形或城市热岛相关的慢变项。对比循环神经网络（如LSTM）基于顺序迭代的依赖，自注意力的并行计算更利于在MATLAB平台上进行GPU/多核加速，同时便于与信号处理、统计检验和可视化工具链融合；通过位置编码可补 ...
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