Thö nghiöm dù b o l îng m a ngµy b»ng ph ng ph p dïng m¹ng thçn kinh nh n t¹o hiöu chønh s n phèm m«h nh sè

Transcription

1 T¹p chý Kho häc hqghn, KHTN & CN, TxxII, Sè PT, 2006 Thö nghöm dù o lîng m ngµ»ng ph ng ph p dïng m¹ng thçn nh nh n t¹o hö chønh s n phèm m«h nh sè Hå ThÞ Mnh Hµ, NgÔn Híng Òn Kho KhÝ tîng-thû n µ H d ng häc Trêng ¹ häc Kho häc Tù nhªn, HQG Hµ Né Më Ç Trªn thõ gí cã rêt nhò nhµ hý tîng qn t m tí m¹ng thçn nh nh n t¹o (MTKNT) nã cã h n ng häc µ xö lý týnh ph tõn cñ c c q tr nh Õn æ phøc t¹p mµ c c ph ng ph p dù o h c h«ng thùc hön îc MTKNT îc øng dông trong rêt nhò lünh ùc ho häc nh Ò hón tù éng, nhën d¹ng dê n t, µ còng îc c c nhµ hý tîng sö dông trong dù o thê tõt, hý hë Cã thó Ó r mét sè c«ng tr nh nghªn cø sö dông MTKNT nh dù o g ng thû h¹n dµ ë Clforn, m«h nh ho ««n, dù o m ng hóm, dù o g ng thñ h¹n ng¾n, T nhªn, trong níc mí chø cã rêt Ýt c c nghªn cø Ò lünh ùc nµ µ ch cã c«ng tr nh nµo îc p dông µo thùc tôn ë chóng t«sö dông MTKNT Ó thö nghöm hö chønh s n phèm cñ m«h nh sè, cô thó lµ lîng m cñ m«h nh ph n g co HRM, theo sè lö qn tr¾c trong 3 th ng mï m (6, 7, 8) n m 2004 nh»m n ng co chêt lîng cñ s n phèm dù o sè Tríc hõt t sï xem xðt cê tróc µ ho¹t éng cñ mét m¹ng thçn nh n g n còng nh ph ng ph p häc g m grdent cñ MTKNT, s ã sï tõn hµnh hö chønh s n phèm cñ m«h nh sè µ nh g Õt q 2 Kh nöm Ò MTKNT µ ph ng ph p häc g m grdent 2 CÊ tróc µ ho¹t éng cñ MTKNT G trþ Ç µo Tæng cã träng sè cñ c c g trþ Ç µo Hµm tròn () G trþ Ç µon () H nh S å m¹ng thçn nh snh häc () µ cê tróc cñ MTKNT mét nót Èn () - M¹ng thçn nh snh häc o gåm nh nh thçn nh (dendrtes), tõ µo thçn nh (cell od), trôc thçn nh (xon) µ c c xng thçn nh (electrcl spe) t ng øng í 3 phçn chýnh o gåm Ç µo, líp Èn µ Õt xêt cñ MTKNT

2 2 Hå ThÞ Mnh Hµ, NgÔn Híng Òn - Ç µo cñ MTKNT o gåm N g trþ x µ c c träng sè t ng øng KÕt q lê tæng cã träng sè cñ c c x sï îc nhëp µo líp Èn : n + x () o - Líp Èn o gåm hµm tròn, cã thó lµ hµm sgm, hµm tng-hpeol,ngê t thêng sö dông hµm sgm cã d¹ng: σ ( x) (2) + exp ( x) Th g trþ cñ µo hµm tròn sï îc Ç r cñ líp Èn, ý hö lµ (,, H) - C c g trþ Ç r cñ líp Èn lµ Ç µo cñ Õt xêt, thùc hön t ng tù nh è í líp Èn îc g trþ Õt xêt, ý hö lµ (,, K) x - KÕt xêt Ých mµ t mèn m¹ng häc îc lµ c c g trþ t (,, m) o + n x σ ( ) o + h H nh 2 Q tr nh ln tròn tõn - Mét q tr nh tõ Ç µo, q líp Èn µ Õn Õt xêt lµ mét q tr nh ln tròn tõn (feed-forwrd) cñ m¹ng (H nh 2) Q tr nh nµ còng t ng tù nh q tr nh nhën, xö lý th«ng tn µ tròn th«ng tn Õn n o é cñ mét tõ µo thçn nh snh häc 22 Ph ng ph p häc g m grdent (g m dèc nhêt) B n chêt cñ ph ng ph p nµ lµ cùc tó ho hµm lç (s sè trng nh nh ph ng) g Õt xêt µ Õt xêt Ých t Hµm lç lµ hµm cñ träng sè: m ( r 2 ω) ( t ) (3) 2 í ω r lµ ect c c träng sè, øng í mç ect ω r t cã mét g trþ s sè µ c c g trþ nµ lëp thµnh mét mæt lç trong h«ng gn Ó dô h nh dng t g sö cã 2 träng sè w µ w 2 µ t cã thó Ó dôn hµm lµ mét mæt lç theo 2 Õn nµ w 2 H nh 3 MÆt lç w

3 Thö nghöm dù o lîng m ngµ»ng ph ng ph p 3 Môc tª cñ m¹ng lµ t m îc Óm tròng nhêt trªn mæt lç, n ã µ t gçn nh nhêt Bn Ç, h chän mét cæp träng sè Êt ú t îc mét Óm trªn mæt lç µ m¹ng ph theo mét êng nµo ã Ó t m îc Óm tròng nhêt Híng cñ m¹ng q tõng íc lµ híng lµm g m s sè cñ íc tríc nã BÓ dôn to n häc cñ q tr nh cùc tó ho s sè îc tr nh µ dí d ThÕt Õ mét MTKNT gåm Ç µo o gåm n mé, mç mé gåm c c g trþ npt x (N), líp Èn gåm c c nót (H) µ Õt xêt lµ c c g trþ Ých t (K) Ký hö l¹ hµm tròn sgm lµ g(x): g ( x) + exp ( x) (4) x x H N2 2 0 g( ) 2 2 K H 2 g( ) t x N H H K K t K Ç µo Líp Èn Ç r Ých H nh 4: C c thµnh phçn chñ Õ cñ mét mé cñ MTKNT è í mç mé, tríc hõt t týnh tæng träng sè c c g trþ Ç µo: N 0 + x Hµm tròn sgm îc p dông cho líp Èn: g( ) + exp LÊ tæng träng sè c c nót Èn : H 0 + ( ) (5) (6) (7) p dông hµm tròn sgm cho líp xêt: g( ) (8) + exp ( Bíc (8) îc thùc hön nõ nh g trþ Ých lµ Õn nhþ ph n NÕ lµ c c g trþ thùc th îc g n trùc tõp»ng t ng øng S sè tæng céng cñ mç mé lµ: )

4 Hå ThÞ Mnh Hµ, NgÔn Híng Òn 4 K t 2 ) ( 2 (9) Ó s sè nµ ¹t cùc tó th ¹o hµm cñ theo c c träng sè ph tõn dçn Õn 0 T týnh ¹o hµm rªng cñ theo tõng träng sè Tríc hõt lµ theo träng sè cñ líp xêt:, (0) trong ã t () ) ( (2) µ (3) Kh ã: ) )( ( t (4) Æt: ) )( ( t p (5) VË p (6) TÕp theo lµ ¹o hµm theo träng sè cñ líp Èn: K (7) Sö dông ph ng tr nh (6) t îc: K p, (8) trong ã ) ( (9) µ x (20) VË K x p ) ( (2)

5 Thö nghöm dù o lîng m ngµ»ng ph ng ph p 5 NÕ g(x) lµ hµm hepol h tng hpeol th ¹o hµm cñ theo c c träng sè sï h c C c träng sè µ îc cëp nhët so cho grdent tæng céng cñ s sè theo mä träng sè trªn têt c c c mé g m Gä d lµ tæng grdent s sè theo mä träng sè (ý hö chng lµ ω ) cñ íc tríc nã: d n ω í / ω lµ ¹o hµm rªng tæng céng cñ theo träng sè cñ mé thø, n lµ sè lîng mé Híng g m dèc nhêt lµ híng ngîc l¹ cñ híng d Nh Ë, mç träng sè s mét íc sï îc cëp nhët mí: ω + ω + ω (23) í: (22) ω ε d (24) trong ã ε lµ hö sè häc, lµ hö sè thùc nghöm do ngê sö dông tù chän, ë chän hö sè häc ε 0 05 Theo dâ sù Õn thªn cñ s sè theo thê gn Õn h g m Ýt hoæc hç nh h«ng g m n th dõng l¹ µ chän sè thõ hö lön phï hîp Q tr nh lön îc thùc hön nhò lçn Ó tr nh r µo c c cùc tó Þ ph ng trªn mæt lç h cßn gä lµ Þ r µo É Nh Ë, trªn lý thõt MTKNT cã thó t m îc s sè cùc tó, cã thó»ng 0 µ Õt xêt sï hoµn toµn trïng híp í Õt xêt Ých Nhng cã mét sè Ên Ò lµm cho MTKNT h«ng t m Õn îc Óm tròng nhêt cñ mæt lç VÖc häc cñ MTKNT hoµn toµn éc lëp í con ngê, con ngê h«ng t c éng Õn Êt cø mét ho¹t éng nµo cñ nã nhng Öc chän sè nót, sè líp Èn, sè thõ hö q nhò hoæc q Ýt l¹ cã thó lµm cho MTKNT h«ng t m îc s sè cùc tó Ngoµ r m¹ng cßn thêng gæp ph mét Ên Ò n lµ Ên Ò q híp Kh Óm nghöm cho thê è í tëp sè lö lön, s sè rêt nhá nhng í tëp sè lö éc lëp dïng Ó nh g th s sè l¹ t ng lªn Ò nµ phçn lín lµ do m¹ng lön í q nhò thõ hö Nh ng Ên Ò nµ chø cã thó h¹n chõ îc nhê Öc lön nhò lçn µ lê tæ hîp c c Õt q nhën îc hoæc tõn hµnh Óm nghöm chðo (h«ng tr nh µ ch tõt ë ) S sï sö dông MTKNT Ó thö nghöm hö chønh cho lîng m dù o cñ m«h nh ph n g co HRM 3 Thö nghöm hö chønh lîng m dù o cñ m«h nh HRM 3 Sè lö sö dông - Sè lö o gåm c c g trþ lîng m ngµ dù o tríc 24h ë m«h nh HRM í é ph n g ngng 4m µ 3 mùc th¼ng øng, îc né s Ò 34 tr¹m trªn h ùc VÖt Nm µ lîng m qn tr¾c t¹ c c tr¹m ã trong thê gn tõ th ng 6 Õn th ng 8 n m H tëp sè lö nµ îc xö lý lo¹ á nh ng ngµ h«ng ñ sè lö qn tr¾c hoæc dù o S h lön m¹ng xong sï phôc hå c c Þ trý thõ g trþ»ng 9999 µ nh g chêt lîng dù o theo c c chø sè, chñ Õ lµ lîng m trng nh ngµ, s sè trng nh toµn ph ng (RMS), s sè hö thèng (BIAS) µ é löch töt è trng

6 6 Hå ThÞ Mnh Hµ, NgÔn Híng Òn nh (MA) cho tõng tr¹m, tõng ïng (B¾c Bé, Trng Bé, Nm Bé) µ toµn é VÖt Nm 32 Ch¹ m«h nh PhÇn xö lý sè lö Ç µo, sè lö Ç r îc thùc hön»ng lëp tr nh Fortrn trªn hö Ò hµnh Lnx PhÇn lön m¹ng, Óm nghöm µ hón thþ îc thùc hön nhê phçn mòm Mtl / PhÇn lön m¹ng: Sè lö Ç µo (npt) cñ m¹ng lµ chç g trþ lîng m ngµ dù o îc né s Ò 34 tr¹m trªn VÖt Nm Ých cçn häc lµ c c g trþ m qn tr¾c trªn c c tr¹m t ng øng M¹ng îc thõt Õ o gåm 2 líp Èn µ líp xêt Líp Èn thø nhêt cã 3 nót Èn, líp thø 2 cã 5 nót Èn, sè thõ hö häc lµ 300 thõ hö Sè thõ hö nµ îc chän s mét µ lçn lön m¹ng C c é träng sè t¹ 2 líp Èn µ líp xêt îc l l¹ Ó Óm nghöm / PhÇn t t¹o, Óm nghöm µ nh g : - T t¹o: Nh n é träng sè í chýnh sè lö npt îc µo m¹ng häc, Õt q so s nh í Ých häc xem møc é trïng híp îc o nhª - KÓm nghöm: Nh n é träng sè ë trªn í chç dù o cñ tëp sè lö Óm nghöm, Õt q so s nh í chç qn tr¾c cñ tëp sè lö Óm nghöm - nh g : HÓn thþ g trþ m trng nh theo thê gn cho 34 tr¹m è í cæp sè lö npt-t t¹o µ npt-óm nghöm TÝnh c c chø sè RMS, BIAS, MA è í q tr nh lön µ q tr nh Óm nghöm RMS (fcst os ) N 2 ; N MA fcst os N ; N N BIAS (fcst os ) N trong ã N lµ sè ngµ cñ chç, fcst lµ dù o thø, os lµ qn tr¾c thø t ng øng 4 KÕt q thö nghöm S lµ mét sè Õt q dù o lîng m ngµ»ng ph ng ph p dïng MTKNT hö chønh s n phèm cñ m«h nh HRM Sè lö lön µ dù o o gåm c 34 tr¹m trªn VÖt Nm s ã t ch r lµm 3 chç gåm 59 tr¹m trªn B¾c Bé (95-24 é B¾c, 00-0 é «ng), 95 tr¹m trªn Trng Bé (2-95 é B¾c, 00-0 é «ng) µ 57 tr¹m trªn Nm Bé (7-2 é B¾c, 00-0 é «ng), lo¹ r 3 tr¹m n»m ngoµ o µ trªn níc Lµo Trªn mç h nh Ï Ó dôn lîng m ngµ trng nh theo thê gn cñ c c tr¹m trªn tõng h ùc, êng chêm chêm lµ sè lö dù o 24h cñ HRM, êng lòn

7 Thö nghöm dù o lîng m ngµ»ng ph ng ph p 7 nðt cã dê ho thþ lµ sè lö îc hö chønh ë MTKNT µ êng lòn nðt lµ sè lö qn tr¾c t ng øng H nh 5 Lîng m ngµ (mm/ngµ) trng nh th ng 6 µ th ng 7 cñ B¾c é, tëp sè lö npt µ t t¹o H nh 6 Lîng m ngµ (mm/ngµ) trng nh th ng 8 cñ B¾c é, tëp sè lö npt µ Óm nghöm H nh 7 Lîng m ngµ (mm/ngµ) trng nh th ng 6 µ th ng 7 cñ Trng é, tëp sè lö npt µ t t¹o

8 8 Hå ThÞ Mnh Hµ, NgÔn Híng Òn H nh 8 Lîng m ngµ (mm/ngµ) trng nh th ng 8 cñ Trng é, tëp sè lö npt µ Óm nghöm H nh 9 Lîng m ngµ (mm/ngµ) trng nh th ng 6 µ th ng 7 cñ Nm é, tëp sè lö npt µ t t¹o H nh 0: Lîng m ngµ (mm/ngµ) trng nh th ng 8 cñ Nm é, tëp sè lö npt µ Óm nghöm

9 Thö nghöm dù o lîng m ngµ»ng ph ng ph p 9 LÖn (06-07/2004) KÓm nghöm (08/2004) B ng : nh g s sè tæng q t cñ q tr nh lön m¹ng µ q tr nh Óm nghöm VÖt Nm B¾c Bé Trng Bé Nm Bé VÖt Nm B¾c Bé Trng Bé Nm Bé BIAS (mm/ngµ) MA (mm/ngµ) RMS (mm/ngµ) Trng nh dù o (mm/ngµ) HRM MTKNT HRM MTKNT HRM MTKNT HRM MTKNT HRM MTKNT HRM MTKNT HRM MTKNT HRM MTKNT Trng nh qn tr¾c (mm/ngµ) Tõ h nh 5 Õn h nh 0 µ ng t thê MTKNT hö chønh s n phèm cñ HRM Ò gçn í qn tr¾c h n, s sè ë tëp lön nhá h n s sè trªn tëp Óm nghöm Nh n chng, týnh trng nh cho c chç thê gn (2 th ng è í tëp lön µ th ng è í tëp Óm nghöm) th c c êng Ó dôn lîng m trng nh theo thê gn t¹ 34 tr¹m cñ MTKNT µ qn tr¾c h s t nh, trong h ã s n phèm cñ HRM thêng cho lîng m lín h n nhò so í qn tr¾c Ò nµ thó hön râ h n trong c c chø sè ë ng TÝnh cho têt c c c ngµ µ têt c c c tr¹m th lîng m dù o trng nh cñ HRM ho ng h n 3mm/ngµ trong h lîng m trng nh cñ qn tr¾c µ MTKNT chø ho ng 7-8mm/ngµ Do ã, c c s sè RMS, BIAS µ MA cñ MTKNT nhá h n h¼n so í HRM T nhªn, nh ng ngµ m lín trong tëp sè lö lön rêt Ýt so í sè ngµ h«ng m hoæc m rêt nhá, nªn MTKNT häc îc Ýt th«ng tn Ò m lín V Ë, MTKNT h«ng hö chønh tèt è í nh ng ngµ cã m lín Nh thê trªn h nh 5 Õn h nh 0, t¹ mét µ tr¹m thêng cã m lín trong 3 th ng mï hì n m 2004, êng m«pháng cñ MTKNT h«ng gçn í êng qn tr¾c µ chø sè BIAS cã g trþ m, trong h ã dù o cñ HRM l¹ n¾m ¾t tèt 5 KÕt lën - MTKNT hö chønh s n phèm cñ HRM Ò gçn í qn tr¾c h n, s sè ë tëp lön nhá h n s sè trªn tëp Óm nghöm - MTKNT thõt lëp cã thó hö chønh tèt è í nh ng sè lö m õ µ m nhá trong ho ng 5-5mm, ch hö chønh tèt è í nh ng ngµ m lín µ nh ng tr¹m thêng cã m lín

10 0 Hå ThÞ Mnh Hµ, NgÔn Híng Òn Ó c tõn Õt q hö chønh cçn th æ mét sè thm sè cñ m¹ng nh hö sè häc, sè líp Èn, sè nót Èn cñ mç líp Èn µ lön m¹ng nhò lçn Ó chän îc mét MTKNT phï hîp nhêt Phøc t¹p h n, t cã thó thõt lëp nªn MTKNT í môc tª häc h«ng chø lµ cùc tó ho s sè trng nh nh ph ng mµ cßn t ng thªm träng sè è í nh ng qn tr¾c Ých cã g trþ lín Ó thªm th«ng tn Ò nh ng ngµ m lín cho m¹ng häc S h chän îc m¹ng phï hîp nhêt t cã thó l tr l¹ m¹ng Ó dïng cho c c m«pháng tõp s mµ h«ng cçn lön l¹ m¹ng Bµ o îc hoµn thµnh í sù hç trî nh phý cñ Ò tµ NCCB Tµ lö thm h o Cren Mrn nd Arthr Wtt, A Besn Nerl Networ for Seere-Hl Se Predcton, Wether nd Forecstng, Volme 6, 2000, p Dd Slermn nd John A Drcp, Artfcl Nerl Networs nd Long-Rnge Precptton Predcton n Clforn, Monthl wether reew, JANUARY 2000, p Nrsmhn et l, Oone Modelng Usng Nerl Networs, Monthl wether reew, MARCH 2000, p Roert J Klgows nd An P Brros, xperments n Short-Term Prcptton Forecstng Usng Artfcl Nerl Networs, Monthl wether reew, 2000, Volme 26, p Tom M Mtchell, Mchne Lernng, Chpter 4, 996, p8-27 VNU JOURNAL OF SCINC, Nt, Sc, & Tech, TxXII, n 0 AP, 2006 An xperment n Dl Rnfll Forecstng Usng Artfcl Nerl Networ to Adst Nmercl Model Otpt Ho Th Mnh H, Ngen Hong Den Deprtment of Hdro-Meteorolog & Ocenogrph College of Scence, VNU Artfcl Nerl Networ (ANN) s one nd of Decson Spport Sstems It hs the smlr strctre nd ehors to tht of ologcl neron It cn lern nd smlte the nformton s rn throgh lernng corse The most common lernng method s folowng the grdent descent rle In ths pper t s sed for HRM rnfll otpt dstment The npt dt s rnfll feld predcted HRM (wth the horontl resolton4m nd 3 ertcl leels) nd the oserton dt, respectel n the perod of tme etween 0th Jne 2004 nd 3th Agst 2004 t 34 sttons n Vetnm Dt s dded nto 2 prts One prt s sed for nerl networ lernng nd the other one for predcton nd test The erge rnfll, root men sqre error (RMS), men solte error (MA) nd men s error (BIAS) re the ndces sed to erf the reslts All the ndces show tht the rnfll dsted ANN s closer to oserton thn tht of HRM otpt n generl In prtcle, howeer the rnfll of ANN s smller thn tht of HRM n the he rnfll ds The est reslts re get n the North of Vetnm nd the re er not good n the Soth of Vetnm The reson s me the lc of stton n ths re