kth.sePublikationer KTH
Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Interpretable long-horizon air pollution forecasting using a transformer-based framework
KTH, Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad (ABE), Byggvetenskap, Transportplanering.ORCID-id: 0009-0001-1295-1917
KTH, Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad (ABE), Byggvetenskap, Transportplanering. KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS), Centra, Digital futures.ORCID-id: 0000-0001-5526-4511
Swedish Meteorological and Hydrological Institute, Norrköping, Sweden.ORCID-id: 0000-0002-4695-1106
SLB-analys, Environment and Health Administration, City of Stockholm, Stockholm, Sweden.ORCID-id: 0000-0001-7889-1964
Visa övriga samt affilieringar
2026 (Engelska)Ingår i: Expert Systems with Applications, ISSN 0957-4174, Vol. 315, artikel-id 131719Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Accurate and interpretable air pollution forecasting is essential for public health and proactive intervention. While deep learning models have achieved strong performance in long-horizon forecasting, they often require aligned historical sequences and provide limited interpretability. To address these limitations, we propose a novel Transformer-based framework that integrates historical observations with auxiliary forecasts to enhance predictive performance while providing built-in interpretability. The framework introduces two core components: a Structured Temporal Embedding Module (STEM) for preserving the semantic integrity of heterogeneous inputs, and an eXplainable Target-Oriented Cross-Attention (X2-Attention) mechanism that aligns future predictions with known inputs to yield fine-grained attribution for each forecasted timestep across both temporal and feature dimensions. Evaluated on diverse urban and suburban datasets in Stockholm, our model simultaneously delivers reliable interpretability and superior predictive accuracy. Compared to five baselines (TimeXer, Crossformer, iTransformer, Transformer and LSTM), it exhibits significantly lower Mean Squared Error (MSE) for NOX and competitive performance for PM10 across horizons up to 720 hours. Ablation studies reveal that incorporating auxiliary forecasts reduces MSE by 29 % for NOX and 15 % for PM10. Moreover, the X2-Attention mechanism generates plausible feature attribution validated through perturbation analysis. Its attributions are consistent with GradientSHAP while avoiding prohibitive computational overhead, thereby facilitating efficient air quality forecasting.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Elsevier BV , 2026. Vol. 315, artikel-id 131719
Nyckelord [en]
Air quality and health risk, Explainable AI, Meteorological forecast integration, Multi-horizon forecasting
Nationell ämneskategori
Datorgrafik och datorseende Datavetenskap (datalogi) Sannolikhetsteori och statistik Bioinformatik (beräkningsbiologi)
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-380039DOI: 10.1016/j.eswa.2026.131719ISI: 001707123300001Scopus ID: 2-s2.0-105034518146OAI: oai:DiVA.org:kth-380039DiVA, id: diva2:2055474
Anmärkning

QC 20260424

Tillgänglig från: 2026-04-24 Skapad: 2026-04-24 Senast uppdaterad: 2026-04-30Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(6325 kB)85 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 6325 kBChecksumma SHA-512
3931408532377de782816e2a945a37478a82c027b8e5c40638bbf2a286decad15fba8964cb18b0d6bc4189eb6eafa1d17dda53531d3d8f34ef696d98c8ed7f2c
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Person

Zhang, ZhiguoMa, Xiaoliang

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Zhang, ZhiguoMa, XiaoliangEngardt, MagnuzSchlesinger, DanielJohansson, Christer
Av organisationen
TransportplaneringDigital futures
Datorgrafik och datorseendeDatavetenskap (datalogi)Sannolikhetsteori och statistikBioinformatik (beräkningsbiologi)

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 854 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf