Forecasting time series with extreme events has been a challenging and prevalent research topic, especially when the time series data are affected by complicated uncertain factors, such as is the case in hydrologic prediction. Diverse traditional and deep learning models have been applied to discover the nonlinear relationships and recognize the complex patterns in these types of data. However, existing methods usually ignore the negative influence of imbalanced data, or severe events, on model training. Moreover, methods are usually evaluated on a small number of generally well-behaved time series, which does not show their ability to generalize. To tackle these issues, we propose a novel probability-enhanced neural network model, called NEC+, which concurrently learns extreme and normal prediction functions and a way to choose among them via selective back propagation. We evaluate the proposed model on the difficult 3-day ahead hourly water level prediction task applied to 9 reservoirs in California. Experimental results demonstrate that the proposed model significantly outperforms state-of-the-art baselines and exhibits superior generalization ability on data with diverse distributions.


翻译:预测极端事件的时间序列是一个具有挑战性和普遍意义的研究专题,特别是当时间序列数据受到复杂不确定因素的影响时,例如水文预测中的情况。应用了多种传统和深层次的学习模型来发现非线性关系,并承认这类数据类型的复杂模式。然而,现有方法通常忽视数据不平衡或严重事件对模式培训的负面影响。此外,方法通常在少数一般良好且不能体现其概括性的时间序列上进行评估。为了解决这些问题,我们提出了一个新的概率增强神经网络模型,称为 NEC+,同时通过选择性的背传播学习极端和正常的预测功能,并以此在其中作出选择。我们评估了在加利福尼亚州9个水库中应用的为期三天的艰难小时水位预测任务的拟议模型。实验结果显示,拟议的模型大大超越了最新水平的基线,并展示了以多种方式分布的数据的超强通用能力。

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