An extreme event is a sudden and violent change in the state of a nonlinear system. In fluid dynamics, extreme events can have adverse effects on the system's optimal design and operability, which calls for accurate methods for their prediction and control. In this paper, we propose a data-driven methodology for the prediction and control of extreme events in a chaotic shear flow. The approach is based on echo state networks, which are a type of reservoir computing that learn temporal correlations within a time-dependent dataset. The objective is five-fold. First, we exploit ad-hoc metrics from binary classification to analyse (i) how many of the extreme events predicted by the network actually occur in the test set (precision), and (ii) how many extreme events are missed by the network (recall). We apply a principled strategy for optimal hyperparameter selection, which is key to the networks' performance. Second, we focus on the time-accurate prediction of extreme events. We show that echo state networks are able to predict extreme events well beyond the predictability time, i.e., up to more than five Lyapunov times. Third, we focus on the long-term prediction of extreme events from a statistical point of view. By training the networks with datasets that contain non-converged statistics, we show that the networks are able to learn and extrapolate the flow's long-term statistics. In other words, the networks are able to extrapolate in time from relatively short time series. Fourth, we design a simple and effective control strategy to prevent extreme events from occurring. The control strategy decreases the occurrence of extreme events up to one order of magnitude with respect to the uncontrolled system. Finally, we analyse the robustness of the results for a range of Reynolds numbers. We show that the networks perform well across a wide range of regimes.


翻译:极端事件是非线性系统状态的突变和暴力变化。 在流动动态中, 极端事件可能对系统的最佳设计和可操作性产生不良影响, 这需要精确的预测和控制方法。 在本文中, 我们提出一种数据驱动的方法, 用于预测和控制混乱的剪切流中的极端事件。 这种方法以回声状态网络为基础, 这是一种储油层计算方法, 可以在一个基于时间的数据集中学习时间相关性。 目标是五倍。 首先, 我们利用来自二进制分类的快速度量来分析 (i) 网络预测的极端事件中有多少实际发生在测试集( 精度) 以及(ii) 需要准确的预测和控制。 在本文中, 我们用一个以数据驱动为主的原则性战略来预测和控制极端事件。 我们从简单的货币网络到更短时间序列, 我们从一个简单的网络到一个持续时间序列, 最终的统计序列显示一个长期的动态, 我们从一个持续的数据序列到一个持续时间序列, 我们从一个持续的统计序列到一个持续的时间序列, 我们从一个持续的统计序列, 显示一个持续的统计过程的系统, 显示一个长期的数据显示一个持续的系统, 。

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