×

利用深度学习扩大空气污染监测和预测的范围。 (英语) Zbl 07505614号

摘要:在众多应用中,预测依赖于偏微分方程(PDE)的数值解算器。虽然已经提出使用深度学习技术,但实际应用受到了限制,因为训练数据是使用传统的PDE求解器获得的。因此,深度学习技术的使用仅限于PDE求解器适用的领域。
我们展示了一个用于空气污染监测和预测的深度学习框架,该框架提供了跨不同模型域进行培训的能力,并将运行时间减少了两个数量级。它提供了一种首次实现,结合了深度学习和域分解技术,允许模型部署扩展到其培训的域之外。

MSC公司:

92至XX 生物学和其他自然科学
68倍 计算机科学
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] 世界卫生组织,《2016年家庭空气污染造成的疾病负担》,世卫组织,瑞士日内瓦(2018年)
[2] 张,K。;Batterman,S.,《车辆交通造成的空气污染和健康风险》,科学。Total Environ.公司。,450, 307-316 (2013)
[3] 伦敦市公司,《2015-2020年伦敦市空气质量战略》(2015),伦敦市技术代表
[4] Oecd,《空气污染成本》(2014年)
[5] 南卡罗来纳州詹姆斯。;Zhang,Y。;O'Donncha,F.,预测波浪条件的机器学习框架,海岸。工程,137,1-10(2018)
[6] 本纳,P。;古吉丁,S。;Willcox,K.,参数动力系统基于投影的模型简化方法综述,SIAM Rev.,57,4,483-531(2015)·Zbl 1339.37089号
[7] 古德费罗,I。;Y.本吉奥。;A.Courville,《深度学习》(2016),麻省理工学院出版社:麻省理学院出版社,马萨诸塞州剑桥·Zbl 1373.68009号
[8] Rumelhart,D.E。;辛顿,G.E。;Williams,R.J.,《通过反向传播错误学习表征》,《自然》,3236088533(1986)·Zbl 1369.68284号
[9] de Saint-Venant,B.,Théorie du movement non-permanent des eaux,avec application aux crues des rivières et a l'mare es dans leurs lits,C.R.学院。科学。,16, 147-154 (1871)
[10] M.J.Lighthill。;Whitham,G.B.,《关于运动波,II:长距离拥挤道路上的交通流理论》,Proc。R.Soc.伦敦。A、 229、1178、317-345(1955)·Zbl 0064.20906号
[11] Stockie,J.M.,《大气扩散建模的数学》,SIAM Rev.,53,2,349-372(2011)·兹比尔1231.86007
[12] Norris,J.R.,Smoluchowski的凝聚方程:随机凝聚的唯一性、非均匀性和流体动力学极限,《应用年鉴》。概率。,78-109 (1999) ·Zbl 0944.60082号
[13] Ronnie Sircar,K。;Papanicolaou,G.,通用Black-Scholes模型解释了对冲策略导致的市场波动增加,Appl。数学。金融,5,1,45-82(1998)·Zbl 1009.91023号
[14] Godunov,S.K.,《流体动力学方程间断解数值计算的差分方法》,Mat.Sb.,89,3,271-306(1959)·Zbl 0171.46204号
[15] LeVeque,R.J.,非线性问题的守恒方法,(守恒定律的数值方法(1990),Springer),122-135
[16] Lax,P.D.,双曲守恒律系统II,Commun。纯应用程序。数学。,10, 4, 537-566 (1957) ·Zbl 0081.08803号
[17] Donea,J.,对流输送问题的Taylor-Galerkin方法,国际数值杂志。方法工程,20,1,101-119(1984)·兹伯利0524.65071
[18] Ragnoli,E。;扎亚茨,M。;O’Donncha,F。;Zhuk,S.,用非高斯不确定性描述对流主导流的局部序贯状态估计,J.Compute。物理。,387, 356-375 (2019) ·Zbl 1452.76228号
[19] O’Donncha,F。;Iakymchuk,R。;Akhriev,A。;Gschwandtner,P。;托曼,P。;海勒,T。;阿吉拉尔,X。;Dichev,K。;吉兰,C。;马尔基迪斯,S。;Laure,E。;Ragnoli,E。;瓦西利亚迪亚斯,V。;约翰斯顿,M。;Jordan,H。;Fahringer,T.,AllScale工具链试点应用:使用并行开发环境的基于PDE的解算器,Compute。物理学。社区。,第107089条pp.(2019)
[20] Quarteroni,A。;Valli,A.A.,《偏微分方程的区域分解方法》(1999),克拉伦登出版社·Zbl 0931.65118号
[21] 史密斯,B.F。;比约斯塔德,体育。;Gropp,W.,《区域分解:椭圆偏微分方程的并行多层方法》(2004),剑桥大学出版社
[22] 拉加里斯,I.E。;利卡斯,A。;Fotiadis,D.I.,求解常微分方程和偏微分方程的人工神经网络,IEEE Trans。神经网络。,9, 5, 987-1000 (1998)
[23] 拉加里斯,I.E。;利卡斯,A.C。;Papageorgiou,D.G.,不规则边界边值问题的神经网络方法,IEEE Trans。神经网络。,11, 5, 1041-1049 (2000)
[24] Lee,H。;Kang,I.S.,解微分方程的神经算法,J.Compute。物理。,91, 1, 110-131 (1990) ·Zbl 0717.65062号
[25] 拉穆哈利,P。;Udpa,L。;Udpa,S.S.,用于求解微分方程的有限元神经网络,IEEE Trans。神经网络。,16, 6, 1381-1392 (2005)
[26] 德尔皮亚诺,J。;Zegers,P.,《半自主神经网络微分方程求解器》(2006年IEEE国际神经网络联合会议论文集(2006)),1863-1869
[27] Muro,G.D。;Ferrari,S.,求解非平稳环境中偏微分方程的约束反向传播方法,(2009年神经网络国际联合会议(2009)),685-689
[28] 陆克文,K。;Muro,G.D。;Ferrari,S.,偏微分方程自适应解的约束反向传播方法,IEEE Trans。神经网络。学习。系统。,25, 3, 571-584 (2014)
[29] Rudd,K.,《使用人工神经网络求解偏微分方程》(2013),博士论文
[30] Brunton,S.L。;Noack,B.R。;Koumoutsakos,P.,《流体力学的机器学习》,年。流体力学版次。,52 (2019)
[31] 王,Q。;赫瑟文,J.S。;Ray,D.,使用人工神经网络对非定常流动进行非侵入降阶建模,并应用于燃烧问题,J.Compute。物理。,384, 289-307 (2019) ·Zbl 1459.76117号
[32] 拉里,D。;米勒,M。;Mussa,H.,使用神经网络描述示踪剂相关性,Atmos。化学。物理。,4, 1, 143-146 (2004)
[33] 罗约拉,R。;Diego,G.,《神经网络方法在地球观测卫星数据处理中的应用》,神经网络。,19, 2, 168-177 (2006)
[34] 汤普森,J。;Schlachter,K。;Sprechmann,P。;Perlin,K.,《利用卷积网络加速欧拉流体模拟》,(Precup,D.;Teh,Y.W.,《第34届机器学习国际会议论文集》,《机器学习研究论文集》第70卷(2017),PMLR,国际会议中心:PMLR,澳大利亚悉尼国际会议中心),3424-3433
[35] Wiewel,S。;贝彻,M。;瑟瑞,N.,《潜在空间物理学:朝向流体流动的时间演化》,预印本
[36] 赫塞文,J。;Ubbiali,S.,《使用神经网络对非线性问题进行非侵入式降阶建模》,J.Compute。物理。,363, 55-78 (2018) ·Zbl 1398.65330号
[37] 郭,M。;Hesthaven,J.S.,时间相关问题的数据驱动降阶建模,计算。方法应用。机械。工程,345,75-99(2019)·Zbl 1440.62346号
[38] Sirignano,J。;Spiliopoulos,K.,DGM:解偏微分方程的深度学习算法,预印本·兹比尔1416.65394
[39] 长,Z。;卢,Y。;Dong,B.,PDE-Net 2.0:使用数字符号混合深度网络从数据中学习PDE,J.Compute。物理。,399,第108925条pp.(2019)·Zbl 1454.65131号
[40] 秦,T。;Wu,K。;Xiu,D.,使用深度神经网络的数据驱动控制方程近似,J.Compute。物理学。(2019) ·Zbl 1455.65125号
[41] 雷·D。;Hesthaven,J.S.,《作为故障细胞指示器的人工神经网络》,J.Compute。物理。,367, 166-191 (2018) ·Zbl 1415.65229号
[42] 雷·D。;Hesthaven,J.S.,《使用神经网络检测二维非结构化网格上的故障细胞》,J.Compute。物理。,397,第108845条pp.(2019)·Zbl 1453.65301号
[43] Chen,T.Q。;Rubanova,Y。;贝当古,J。;Duvenaud,D.K.,《神经常微分方程》(Bengio,S.;Wallach,H.;Larochelle,H.);Grauman,K.;Cesa-Bianchi,N.;Garnett,R.,《神经信息处理系统的进展》,第31卷(2018),Curran Associates,Inc.),6572-6583
[44] Grathwohl,W。;陈,R.T.Q。;贝当古,J。;Duvenaud,D.,具有自由形式连续动力学的可伸缩可逆生成模型(国际学习表征会议(2019年))
[45] Gulgec,N.S。;施,Z。;北德什穆赫。;帕克扎德,S。;Takáć,M.,《带辅助时间步长的FD-net:使用无Hessian信任区域方法快速预测PDE》,(NeurIPS 2019研讨会(ML中超越一阶方法)(2019))
[46] Han,J。;Jentzen,A。;Weinan,E.,使用深度学习求解高维偏微分方程,Proc。国家。阿卡德。科学。美国,115、34、8505-8510(2018)·Zbl 1416.35137号
[47] 托马斯·S。;Jacko,R.B.,《高速公路细颗粒物和一氧化碳浓度预测模型:回归和神经网络模型的应用》,《空气废物管理杂志》。协会,57,4480-488(2007)
[48] 董,M。;Yang,D。;Kuang,Y。;He,D。;埃尔达尔,S。;Kenski,D.,使用基于隐藏半马尔可夫模型的时间序列数据挖掘进行PM2.5浓度预测,专家系统。申请。,36, 5, 9046-9055 (2009)
[49] 齐,Z。;Wang,T。;Song,G。;胡,W。;Li,X.,《深层空气学习:细粒度空气质量的插值、预测和特征分析》,预印本
[50] 朱,D。;蔡,C。;Yang,T。;Zhou,X.,《空气质量预测的机器学习方法:模型正则化和优化》,大数据认知。计算。,2, 1, 5 (2018)
[51] Fisher,M.L.,解决整数规划问题的拉格朗日松弛方法,Manag。科学。,27, 1, 1-18 (1981) ·Zbl 0466.90054号
[52] Bertsekas,D.P.,《非线性规划》,雅典娜科学出版社(2003)
[53] Gergonne,J.,《最小二乘法在序列插值中的应用》,Hist。数学。,1, 4, 439-447 (1974)
[54] 博伊德,S。;Vandenberghe,L.,《凸优化》(2004),剑桥大学出版社·Zbl 1058.90049号
[55] 佩赫斯托弗,B。;Willcox,K。;Gunzburg,M.,不确定性传播、推理和优化中的多理想方法综述,SIAM Rev.,60,3550-591(2018)·Zbl 1458.65003号
[56] Cybenko,G.,S形函数的叠加逼近,数学。控制信号系统。,2, 4, 303-314 (1989) ·Zbl 0679.94019号
[57] Quarteroni,A。;Valli,A.,偏微分方程的区域分解方法,(Quarteroni,Alfio;Valli,Alberto,《数值数学和科学计算》(1999),牛津大学出版社:牛津大学出版社,纽约)·Zbl 0931.65118号
[58] Nagendra,S。;Khare,M.,线源发射建模,Atmos。环境。,36, 13, 2083-2098 (2002)
[59] Benson,P.E.,《预测道路附近空气污染物浓度的CALINE 4-A扩散模型》(1984年),技术代表。
[60] 美国环境保护署,HIWAY-2用户指南(1980),技术代表。
[61] 美国环境保护署,AMS/EPA监管模型(AERMOD)用户指南(2003),技术代表。
[62] 南萨马拉纳亚克。;Glaser,S。;霍尔斯蒂乌斯,D。;蒙特尔,J。;拖拉机,K。;Seto,E。;Bayen,A.,公路交通污染排放和扩散的实时估算,计算-辅助公民。基础设施。工程,29,7,546-558(2014)
[63] J.S.Scire、D.G.Strimaitis、R.J.Yamartino等人,《CALPUFF分散模型用户指南》。
[64] ANSYS FLUENT 12.0用户指南(2009),技术代表。
[65] Hsu,K.-J.,空气污染物相互依存关系的时间序列分析,大气。环境。,B部分,城市大气。,26, 4, 491-503 (1992)
[66] 侯赛因,K.,《改进神经网络模型模拟污染物扩散的预测能力》,国际大气杂志。科学。(2014)
[67] Us-Epa,空气质量扩散模型——首选和推荐模型(2018年)
[68] 布罗德里克,B。;巴德,美国。;米斯泰尔,B。;詹宁斯,S。;Ceburnis,D.,《爱尔兰条件下道路运输部门空气污染扩散模型验证:最终报告》(2004年),环境保护局:爱尔兰威克斯福德约翰斯顿城堡环境保护局,技术代表,项目2000-LS-6.3-M1
[69] Abadi,M.,TensorFlow:大型机器学习系统,(《第十二届USENIX操作系统设计与实现会议论文集》,第十二届操作系统设计和实现会议论文,OSDI’16(2016),USENIX-协会:美国加州伯克利USENIX-Association Berkeley,USA),265-283
[70] Bellinger,C。;M.S.M.贾巴尔。;O·扎伊纳。;Osornio-Vargas,A.,《空气污染流行病学数据挖掘和机器学习系统综述》,BMC公共卫生,17,1,907(2017)
[71] Mallet,V.公司。;Nakonechny,A。;Zhuk,S.,用于顺序聚集的Minimax滤波:在臭氧分析的集合预测中的应用,地球物理杂志。大气研究。,118, 19 (2013)
[72] O’Donncha,F。;Zhang,Y。;陈,B。;James,S.C.,使用计算轻量级机器学习模型预测海浪的集成模型聚合,J.Mar.Syst。,199,第103206条pp.(2019)
[73] 崔,Z。;Henrickson,K。;Ke,R。;Wang,Y.,高阶图卷积递归神经网络:网络规模交通学习和预测的深度学习框架,预印本
[74] 周,T。;Han,G。;Xu,X。;林,Z。;Han,C。;黄,Y。;秦,J.,δ-同意AdaBoost堆叠式自动编码器用于短期交通流预测,神经计算,247,31-38(2017)
[75] 莱斯,M。;佩迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.E.,使用高斯过程的线性微分方程机器学习,J.Compute。物理。,348, 683-693 (2017) ·Zbl 1380.68339号
[76] 莱斯,M。;Karniadakis,G.E.,《隐藏物理模型:非线性偏微分方程的机器学习》,J.Compute。物理。,357125-141(2018)·Zbl 1381.68248号
[77] Bronstein,M.M。;布鲁纳,J。;LeCun,Y。;Szlam,A。;Vandergheynst,P.,《几何深度学习:超越欧几里德数据》,IEEE信号处理。Mag.,34,4,18-42(2017)
[78] 齐,C.R。;Yi,L。;苏,H。;Guibas,L.J.,Pointnet++:度量空间中点集的深度分层特征学习,(神经信息处理系统进展(2017)),5099-5108
[79] Cottrell,J.A。;休斯·T·J。;Bazilevs,Y.,《等几何分析:走向CAD和FEA的集成》(2009),John Wiley&Sons·兹比尔1378.65009
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。