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Enregistrement W4321493748 · doi:10.5194/egusphere-egu23-39

Deep Convolutional Architectures for Uncertainty Quantification and Forecast in Inundation Problems

2023· preprint· en· W4321493748 sur OpenAlexaff
Azzeddine Soulaïmani, Azzedine Abdedou, Yash Kumar, Pratyush Bhatt

Notice bibliographique

Revuenon disponible
Typepreprint
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueHydrological Forecasting Using AI
Établissements canadiensÉcole de Technologie Supérieure
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésComputer scienceUncertainty quantificationSolverConvolutional neural networkNonlinear systemBenchmark (surveying)Context (archaeology)Artificial neural networkPerceptronAlgorithmPropagation of uncertaintyMathematical optimizationSurrogate modelMachine learningArtificial intelligenceData miningMathematics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Most science and engineering problems are modeled by time-dependent and parametrized nonlinear partial differential equations. Their resolution with traditional computational methods may be too expensive, especially in the context of predictions with uncertainty quantification or optimization, to allow for rapid predictions. In this talk, we will overview data-driven methods aimed at representing high-fidelity computational models by means of reduced-dimension surrogate ones. Different approaches will be presented for the uncertainty quantification for reliable predictions and forecasts in inundation problems.Particularly, a non-intrusive reduced-order model based on convolutional autoencoders is proposed as a data-driven tool to build an efficient nonlinear reduced-order model for stochastic spatiotemporal large-scale physical problems. The method uses two-level autoencoders to reduce the spatial and temporal dimensions from a set of high-fidelity snapshots collected from an in-house high-fidelity numerical solver of the shallow-water equations. The encoded latent vectors, generated from two compression levels, are then mapped to the input parameters using a regression-based multilayer perceptron. The accuracy of the proposed approach is compared to the linear reduced-order technique-based artificial neural network (POD-ANN) on benchmark tests (the Burgers and Stoker's solutions) and a hypothetical dam-break flow problem over a complex bathymetry river. The numerical results show that the proposed nonlinear framework presents strong predictive abilities to accurately approximate the statistical moments of the outputs for complex stochastic large-scale and time-dependent problems, with low computational cost during the predictive online stage.The caveat that remains is the long-term temporal extrapolation for problems marked by sharp gradients and discontinuities. Our study explores forecasting convolutional architectures (LSTM, TCN, and CNN) to obtain accurate solutions for time-steps distant from the training domain, on advection-dominated test cases. A simple convolutional architecture is then proposed and shown to provide accurate results for the forecasts. To evaluate the epistemic uncertainties in the solutions, the methodology of deep ensembles is adopted.REFERENCESBhatt, Y. Kumar and A. Soulaïmani. Deep Convolutional Architectures for Extrapolative Forecast in Time-dependent Flow Problems, DOI: 10.48550/arXiv.2209.09651. Abdedou and A. Soulaïmani. Reduced-order modeling for stochastic large-scale and time-dependent problems using deep spatial and temporal convolutional autoencoders. arXiv:2208.03190[physics.flu-dyn]. Jacquier, A. Abdedou, V. Delmas and A. Soulaimani. Non-intrusive reduced-order modeling using uncertainty-aware Deep Neural Networks and Proper Orthogonal Decomposition: Application to flood modeling. Journal of Computational Physics. Volume 424, 1 January 2021, 109854. Abdedou and A. Soulaïmani. A non-intrusive reduced-order modeling for uncertainty propagation of time-dependent problems using a B-splines Bézier elements-based method and proper orthogonal decomposition: Application to dam-break flows. Computers & Mathematics with Applications. Volume 102, 15 November 2021, Pages 187-205. Chaudhry and A. Soulaimani. A Comparative Study of Machine Learning Methods for Computational Modeling of the Selective Laser Melting Additive Manufacturing Process. Appl. Sci. 2022, 12(5), 2324; https://doi.org/10.3390/app12052324. Delmas and A. Soulaimani. Parallel high-order resolution of the Shallow-water equations on real large-scale meshes with complex bathymetries. Journal of Computational Physics. Volume 471, 15 December 2022, 111629

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 enseignants0,011
Score d'incertitude au seuil0,022

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,002
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 Opus0,073
Tête enseignante GPT0,289
Écart entre enseignants0,216 · 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
Publié2023
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