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Enregistrement W6907150319 · doi:10.20381/ruor-30699

Analysis of Complex Dynamical Systems by Combining Recurrent Neural Networks and Mechanistic Models

2024· dissertation· en· W6907150319 sur OpenAlexaboutno aff

Notice bibliographique

RevueUniversity of Ottawa - Library · 2024
Typedissertation
Langueen
DomainePhysics and Astronomy
ThématiqueModel Reduction and Neural Networks
Établissements canadiensnon disponible
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésArtificial neural networkRecurrent neural networkTime seriesDynamical systems theoryHybrid systemDynamical system (definition)Memory modelPreprocessor

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

The aim of this study is to analyze the time series data in an innovative manner, which combined the deep learning model with the mechanistic model to form a hybrid model. In order to demonstrate the feasibility and theoretical background of the hybrid model, the Lorenz System is used as an example to explore the underlying mathematical mechanism. Through several simple exams, it is observed that the Bidirectional Long Short Term Memory (BDLSTM) in the hybrid model could be trained to learn the dynamical behavior of the complex dynamical system properly and the mechanistic model in the hybrid model could adapt to different situations flexibly. In practical exploration, a real hybrid model, namely the Argiculture-informed Neural Network (AINN) model, that consists of deep neural networks (DNN), including but not limited to: Long Short Term Memory (LSTM) , Convolutional Neural Network (CNN), and Transformer, and Dynamic Land Ecosystem Model (DLEM), are proposed to predict nitrous oxide emissions in agricultural fields. The model is trained using data collected from smart farm, named Area X.O, in Ottawa, Ontario, Canada, during the 2021 growing season and tested using data from the 2022 growing season. During the data preprocessing stage, we utilized the Robust Scaler (or MinMax Scaler) to scale the data into a narrow range. Our statistical analysis revealed that temperature and humidity are closely related and share similar time series patterns, suggesting that they contain the same information for predicting nitrous oxide (N$_2$O) emissions. To evaluate the model's performance, several metrics were used, including mean absolute error (MAE), mean absolute percentage error (MAPE), root mean square error (RMSE), and coefficient of determination (R$^2$). Our results indicate that the AINN outperforms the pure DNN and DLEM in both the training and testing datasets, because in the hybrid model, the Recurrent Neural Network (RNN) part could catch the dynamical behavior of the emission of N$_2$O, and the DLEM part could regulate the training path and lead the entire model to converge in a limited number of basins of attraction. Additionally, since it is costly to collected the data from the field, it is better for us to do time series data augmentation using Generative Adversarial Network (GAN), with the aim of closely matching the original data distribution while also preserving the dynamic behavior of the original data. However, even state-of-the-art GAN models like TimeGAN fall short in preserving the temporal dynamics present in the original time series due to the absence of first-order difference information. To address this limitation, this study proposes a novel process for generating multivariate time series data. The proposed process comprises four essential modules: a) the GAN module for generating multivariate time series data, b) the sampling module for preserving the first-order difference distribution, c) the smoothing module for refining the generated data, and d) an evaluation module using the Kolmogorov-Smirnov Test (KS-test) and Hilbert-Schmidt Independence Criterion (HSIC), along with other metrics to test the synthetic time series data. This comprehensive approach ensures that the synthetic time series data maintains both the distribution and the dynamic behavior of the original data. With the advent of quantum computing, we transitioned from the conventional LSTM to quantum LSTM and formulated the Quantum Long Short Term Memory-Dynamical Land Ecosystem Model (QLSTM-DLEM) model, showcasing enhanced generalization capability and stability. Experimental results indicated that QLSTM-DLEM achieved comparable performance to Long Short Term Memory-Dynamical Land Ecosystem Model (LSTM-DLEM) using several quantum bits.

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)0,001
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 enseignants0,005
Score d'incertitude au seuil0,010

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0000,001
Communication savante0,0010,002
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 Opus0,012
Tête enseignante GPT0,210
Écart entre enseignants0,198 · 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

Citations2
Publié2024
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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