Current modeling approaches for hydrological modeling often rely on either physics-based or data-science methods, including Machine Learning (ML) algorithms. While physics-based models tend to rigid structure resulting in unrealistic parameter values in certain instances, ML algorithms establish the input-output relationship while ignoring the constraints imposed by well-known physical processes. While there is a notion that the physics model enables better process understanding and ML algorithms exhibit better predictive skills, scientific knowledge that does not add to predictive ability may be deceptive. Hence, there is a need for a hybrid modeling approach to couple ML algorithms and physics-based models in a synergistic manner. Here we develop a Physics Informed Machine Learning (PIML) model that combines the process understanding of conceptual hydrological model with predictive abilities of state-of-the-art ML models. We apply the proposed model to predict the monthly time series of the target (streamflow) and intermediate variables (actual evapotranspiration) in the Narmada river basin in India. Our results show the capability of the PIML model to outperform a purely conceptual model ($abcd$ model) and ML algorithms while ensuring the physical consistency in outputs validated through water balance analysis. The systematic approach for combining conceptual model structure with ML algorithms could be used to improve the predictive accuracy of crucial hydrological processes important for flood risk assessment.


翻译:目前的水文模型模型方法往往依赖物理模型或数据科学方法,包括机器学习算法。物理模型倾向于僵化结构,在某些情况下导致不切实际的参数值,而数学模型则建立输入-输出关系,而忽视众所周知的物理过程造成的限制。虽然有一种概念,即物理模型有助于更好地了解过程,而ML算法表现出更好的预测技能,但不能增加预测能力的科学知识可能是欺骗性的。因此,有必要以协同方式对混合ML算法和物理模型采用混合模型。在这里,我们开发了一个物理智能机器学习模型,将概念水文模型的过程理解与最新工艺模型的预测能力结合起来。我们采用拟议的模型来预测印度纳尔马达河流域的目标(流)和中间变量(实际蒸发性呼吸能力)的每月时间序列。我们的结果显示,PIML模型有能力超越一个纯粹的概念模型(美元)和基于物理学模型的模型(ML)的准确性分析,同时确保将模型的准确性模型与系统化的准确性分析结合起来,同时将模型用于对模型的准确性分析。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
【UBC】高级机器学习课程,Advanced Machine Learning
专知会员服务
24+阅读 · 2021年1月26日
专知会员服务
28+阅读 · 2020年11月4日
【哈佛大学商学院课程Fall 2019】机器学习可解释性
专知会员服务
103+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
CCF C类 | DSAA 2019 诚邀稿件
Call4Papers
6+阅读 · 2019年5月13日
论文浅尝 | Interaction Embeddings for Prediction and Explanation
开放知识图谱
11+阅读 · 2019年2月1日
人工智能 | SCI期刊专刊信息3条
Call4Papers
5+阅读 · 2019年1月10日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
人工智能 | 国际会议/SCI期刊约稿信息9条
Call4Papers
3+阅读 · 2018年1月12日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
Arxiv
0+阅读 · 2021年6月14日
Arxiv
1+阅读 · 2021年6月8日
Arxiv
0+阅读 · 2021年1月15日
Arxiv
5+阅读 · 2018年1月14日
VIP会员
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
CCF C类 | DSAA 2019 诚邀稿件
Call4Papers
6+阅读 · 2019年5月13日
论文浅尝 | Interaction Embeddings for Prediction and Explanation
开放知识图谱
11+阅读 · 2019年2月1日
人工智能 | SCI期刊专刊信息3条
Call4Papers
5+阅读 · 2019年1月10日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
人工智能 | 国际会议/SCI期刊约稿信息9条
Call4Papers
3+阅读 · 2018年1月12日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员