In this proof-of-concept work, we evaluate the performance of multiple machine-learning methods as statistical emulators for use in the analysis of agent-based models (ABMs). Analysing ABM outputs can be challenging, as the relationships between input parameters can be non-linear or even chaotic even in relatively simple models, and each model run can require significant CPU time. Statistical emulation, in which a statistical model of the ABM is constructed to facilitate detailed model analyses, has been proposed as an alternative to computationally costly Monte Carlo methods. Here we compare multiple machine-learning methods for ABM emulation in order to determine the approaches best suited to emulating the complex behaviour of ABMs. Our results suggest that, in most scenarios, artificial neural networks (ANNs) and gradient-boosted trees outperform Gaussian process emulators, currently the most commonly used method for the emulation of complex computational models. ANNs produced the most accurate model replications in scenarios with high numbers of model runs, although training times were longer than the other methods. We propose that agent-based modelling would benefit from using machine-learning methods for emulation, as this can facilitate more robust sensitivity analyses for the models while also reducing CPU time consumption when calibrating and analysing the simulation.


翻译:在这一概念验证工作中,我们评价了多种机器学习方法作为用于分析代理人模型的统计模拟器(ABMs)的性能。分析反弹道导弹产出可能具有挑战性,因为输入参数之间的关系即使在相对简单的模型中也可能是非线性甚至混乱的,而每个模型运行都可能需要大量的CPU时间。在统计模拟中,建立反弹道导弹统计模型以便利详细的模型分析,作为计算昂贵的蒙特卡洛方法的一种替代办法。我们在这里比较反弹道导弹模拟的多重机器学习方法,以确定最适合模拟反弹道导弹复杂行为的方法。我们的结果表明,在多数情况下,人工神经网络(ANNS)和梯度加速的树木超越Gausian进程模拟器,这是目前最常用的模拟复杂计算模型模拟方法。在模型运行中制作了最准确的模型复制,尽管培训时间比其他方法要长。我们建议,在进行这种模拟时,在进行机能化分析时,在进行机能性分析时,以降低机能的敏感性时,也有利于机能分析。

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