Utilização de redes neurais informadas pela Física no preenchimento de falhas em séries de temperatura do ar

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Silva Junior, Anisio Alfredo da
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Mato Grosso
Brasil
Instituto de Física (IF)
UFMT CUC - Cuiabá
Programa de Pós-Graduação em Física Ambiental
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://ri.ufmt.br/handle/1/5536
Resumo: In this study, a model based on Physics-Informed Neural Networks (PINN) was developed and implemented with the aim of filling gaps in micrometeorological data and compared with seven other models. The model’s cost function was derived from an empirical version of the molecular diffusion equation. Results were compared with seven traditional machine learning models, including Linear Regression, LASSO Regression, Elastic Net (EN), K-Nearest Neighbors (KNN), Classification and Regression Trees (CART), Support Vector Regression (SVR), and Multi-Layer Perceptron (MLP). The results indicated that neural networkbased models, including PINN, outperformed most other models, with an average Root Mean Square Error (RMSE) of 0.08 °C compared to the average RMSE values of 0.12 °C for the other models. PINN also required fewer training epochs compared to MLP, with a maximum difference of only 62 epochs in five of the eight analyzed regions. However, LASSO and EN models exhibited the highest RMSE values, averaging approximately 0.37 °C across all phases and regions. Additionally, the models demonstrated resilience to varying proportions of training data, showcasing their ability to adapt to different data ratios, with all models meeting the minimum requirement for effective learning from the utilized data. In summary, this study highlighted the effectiveness of neural network-based models, including PINN, in predicting temperatures in micrometeorological data, providing a precise solution for gap filling. These results contribute to the advancement of Environmental Sciences and offer insights for future studies in the field of missing data imputation, enhancing the integrity of climatic and environmental analyses.
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The results indicated that neural networkbased models, including PINN, outperformed most other models, with an average Root Mean Square Error (RMSE) of 0.08 °C compared to the average RMSE values of 0.12 °C for the other models. PINN also required fewer training epochs compared to MLP, with a maximum difference of only 62 epochs in five of the eight analyzed regions. However, LASSO and EN models exhibited the highest RMSE values, averaging approximately 0.37 °C across all phases and regions. Additionally, the models demonstrated resilience to varying proportions of training data, showcasing their ability to adapt to different data ratios, with all models meeting the minimum requirement for effective learning from the utilized data. In summary, this study highlighted the effectiveness of neural network-based models, including PINN, in predicting temperatures in micrometeorological data, providing a precise solution for gap filling. These results contribute to the advancement of Environmental Sciences and offer insights for future studies in the field of missing data imputation, enhancing the integrity of climatic and environmental analyses.Neste estudo, um modelo baseado em Physics-Informed Neural Networks (PINN) foi desenvolvido e implementado com o objetivo de preencher falhas em dados micrometeorológicos e comparado com outros sete modelos. A função de custo do modelo foi derivada a partir de uma versão empírica da equação da difusão molecular. Os resultados foram comparados com sete modelos tradicionais de aprendizado de máquina, incluindo Regressão Linear, Regressão LASSO, Rede Elástica (EN), KNN, Árvores de Classificação e Regressão (CART), Support Vector Regression (SVR) e Multi-Layer Perceptron (MLP).Os resultados mostraram que os modelos baseados em redes neurais, incluindo o PINN, superaram a maioria dos outros modelos, com um erro médio quadrático (RMSE) médio de 0,08 °C em comparação com os valores médios de RMSE de 0,12 °C para os outros modelos. O PINN também exigiu menos épocas de treinamento em comparação com o MLP, com uma diferença máxima de apenas 62 épocas em cinco das oito regiões analisadas. No entanto, os modelos LASSO e EN apresentaram os maiores valores de RMSE, com uma média de aproximadamente 0,37 °C durante todas as fases e em todas as regiões analisadas. Além disso, foi observada a resiliência dos modelos em relação à proporção dos dados de treinamento, demonstrando sua capacidade de se adaptar a diferentes proporções de dados, com todos os modelos atendendo à quantidade mínima necessária para um aprendizado eficaz dos dados utilizados. Em suma, este estudo destacou a eficácia dos modelos baseados em redes neurais, incluindo o PINN, na previsão de temperaturas em dados micrometeorológicos, proporcionando uma solução precisa para o preenchimento de lacunas. Esses resultados contribuem para o avanço das Ciências Ambientais e oferecem percepções para estudos futuros na área de preenchimento de dados faltantes, melhorando a integridade das análises climáticas e ambientais.Universidade Federal de Mato GrossoBrasilInstituto de Física (IF)UFMT CUC - CuiabáPrograma de Pós-Graduação em Física AmbientalGomes, Raphael de Souza Rosahttp://lattes.cnpq.br/7352154839166198Gomes, Raphael de Souza Rosa011.912.491-23http://lattes.cnpq.br/7352154839166198Maionchi, Daniela de Oliveira287.296.538-60http://lattes.cnpq.br/4561236303105430011.912.491-23Musis, Carlo Ralph de545.383.511-72http://lattes.cnpq.br/2229878954372934Figueiredo, Josiel Maimone de568.019.391-49http://lattes.cnpq.br/1242386923227672Novais, Jonathan Willian Zangeski016.698.881-26http://lattes.cnpq.br/5665663207008673Silva Junior, Anisio Alfredo da2024-07-17T16:35:52Z2023-12-142024-07-17T16:35:52Z2023-11-13info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisSILVA JUNIOR, Anisio Alfredo da. Utilização de redes neurais informadas pela Física no preenchimento de falhas em séries de temperatura do ar. 2023. 60 f. Tese (Doutorado em Física Ambiental) - Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de Física, Cuiabá, 2023.http://ri.ufmt.br/handle/1/5536porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMTinstname:Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)instacron:UFMT2024-07-28T07:01:49Zoai:localhost:1/5536Repositório InstitucionalPUBhttp://ri.ufmt.br/oai/requestjordanbiblio@gmail.comopendoar:2024-07-28T07:01:49Repositório Institucional da UFMT - Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT)false
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