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Enregistrement W3105404441 · doi:10.5194/egusphere-egu2020-845

Improved real-time SWMM flow forecasts using two machine learning approaches

2020· article· en· W3105404441 sur OpenAlexaffabout
Everett Snieder, Arash Shahmansouri, Chi-Han Cheng, Yuanhao Ding, Edward M. Graham, Usman A. Khan

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueHydrology and Watershed Management Studies
Établissements canadiensToronto and Region Conservation AuthorityYork University
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésStorm Water Management ModelGeospatial analysisComputer scienceCalibrationWatershedFlow (mathematics)MeteorologyEnvironmental scienceMachine learningStormwaterMathematicsStatisticsRemote sensingEcologyGeography

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

The Storm Water Management Model (SWMM) is a popular and widely used physics-based numerical model for water resource management and flow forecasting. Calibrating SWMM requires a large amount of geospatial and hydro-meteorological data that may be hard to collect, has high uncertainty associated with it, and are often non-stationary. These issues are compounded when modelling large watersheds with several sub-catchments, leading to thousands of parameters that need to be calibrated collectively. The calibration process is time consuming (and often conducted manually), and results in models that are biased, only tuned to specific events, and lead to high uncertainty in the flow forecasts, and thus, limiting their utility. In this research, a two-stage machine-learning process is proposed to first calibrate a large-scale SWMM model using a genetic algorithm (GA), and second, to bias correct the flow forecast values using an artificial neural network (ANN) ensemble to improve real-time flow forecasts. A SWMM model for the 14 Mile Creek Watershed in Ontario, Canada is used as a case study for the proposed method. The model contains 60 sub-catchments with 10 parameters each, and a total of 1144 elements that require calibration. The model is driven by a suite of numerical weather models and precipitation estimates (including the Global Environmental Multiscale - Local Area Model, the North American Mesoscale Forecast System, and the Rapid Refresh and High Resolution Rapid Refresh models). These models have a lead time of up to 36 hours at an hourly resolution. A GA approach was implemented in MATLAB to calibrate the watershed for both single- and multi-event scenarios using a multi-criteria optimisation approach for a suite of model performance metrics (the Nash-Sutcliffe Efficiency, peak flow difference, and relative error of the total runoff volume). Historical precipitation and flow data with an hourly time-step was used in the calibration procedure. Next, an ANN is trained using recent (i.e., 1 to 24 hour lag time) observed flow, SWMM forecast flow, and observed precipitation, to predict the SWMM bias (the difference between SWMM forecasts and flow observations). The estimated bias is used to correct the real-time SWMM forecasts which are driven by the precipitation forecasts. This bias correction procedure implicitly minimizes the collective error associated with the radar forecasts, the SWMM parameter uncertainty, and the SWMM epistemic uncertainty. Ensemble methods are employed within the ANN to quantify the uncertainty of the bias-corrected forecast flows. Preliminary results indicate that GA-based calibration improved the NSE from 0 to 0.75; however, some single event-based GA calibration did not maintain acceptable performance (NSE > 0.65) when cross-validated with other events. Bias corrected forecasts further improve the NSE to 0.9 for some events. A comparison between the uncalibrated, GA-calibrated, bias-corrected, and pure ANN forecasts are presented.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,024
Score d'incertitude au seuil0,048

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,041
Tête enseignante GPT0,223
Écart entre enseignants0,182 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2020
Routes d'admission2
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