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Geosci. Front. | 基于自动机器学习替代模型考虑未知边界条件的地下水污染源识别

Geoscience Frontiers • 6 月前 • 172 次点击  

研究亮点


  • 考虑未知边界条件的地下水污染源识别。
  • 提出一种新颖的自动机器学习方法,作为耗时模拟模型的替代。
  • 与极端梯度提升法、随机森林法、极端随机树回归法和弹性网络法相比,自动机器学习替代模型的精度最高。

          关键词


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          地下水污染源

          边界条件

          自动机器学习

          替代模型

          研究背景
          地下水污染源识别是进行污染风险评估和实施高效地下水污染修复方案的前提。在以往的地下水污染源识别研究中,边界条件通常被设定为已知变量。然而,在许多实际案例中,边界条件复杂且无法事先准确估计。将边界条件设为已知变量可能严重偏离实际情况,并导致识别结果失真。地下水污染源识别结果受多种因素影响,包括污染源信息、模型参数、边界条件等。因此,若边界条件估计不准确,其他因素的估计也会出现偏差。
          本研究聚焦于未知边界条件,创新性地提出同时识别三类未知变量(污染源信息、模型参数和边界条件)的方法。当应用模拟‑优化方法于地下水污染源识别时,通常通过构建替代模型来降低巨大的计算负荷。然而,在构建替代模型时,研究人员需要选择模型并优化超参数以使模型有效,这一过程可能十分耗时。本研究采用自动机器学习方法构建替代模型,该方法实现了机器学习工程中的模型选择与超参数优化自动化,大幅减少了人工操作并节省了时间。将自动机器学习替代模型的精度,与自动机器学习工程中自动选出的极端梯度提升法、随机森林法、极端随机树回归法和弹性网络法所构建的替代模型分别进行了比较。本研究为地下水污染源识别提供了可靠而有力的支持。


          图 1. 提出的地下水污染源识别工作流程。


          图 2. 典型机器学习流程的工作流程。

          研究方法及结果

          本文在模拟-优化方法的基础上,提出了一种基于自动机器学习的框架,以有效识别地下水污染源、模型参数和边界条件。得出以下结论:

          1)本研究聚焦于未知边界条件,并首次创新性地提出识别三类未知变量(污染源信息、模型参数和边界条件)。结果表明,与污染源信息和模型参数相比,边界条件的识别精度总体更高。考虑未知边界条件的地下水污染源识别是可靠的,这使得我们的地下水污染源识别研究更具实用性。

          2)基于自动机器学习方法的替代模型具有高精度。自动机器学习实现了机器学习工程中的模型选择与超参数优化自动化,大幅减少了人工操作并节省了时间。自动机器学习替代模型作为方程约束连接到优化模型,这不仅保持了高精度,还减少了许多计算时间。使用自动机器学习替代模型解决地下水污染源识别问题是可行的。


          图 3. 基于树的流程结构。


          图 4. SEGA 流程图。


          图 5. 含水层描述:(a) 案例 1;(b) 案例 2。



          图 6. 污染物运移情况:(a) 案例 1;(b) 案例 2。


          图 7. 观测井中污染物浓度的变化:(a) 案例 1;(b) 案例 2。


          图 8. 案例 1 中替代模型输出与模拟模型输出的拟合曲线。


          图 9. 案例 2 中替代模型输出与模拟模型输出的拟合曲线。


          图 10. 案例 1 中各观测井的不同替代模型精度。


          图 11. 案例 2 中各观测井的不同替代模型精度。


          图 12. 优化模型在案例 1 (a) 和案例 2 (b) 中的收敛曲线。


          图 13. 两个案例中识别结果与实际值之间的相对误差。




          原文信息

          Groundwater contaminant source identification considering unknown boundary condition based on an automated machine learning surrogate

          Yaning Xu, Wenxi Lu, Zidong Pan, Chengming Luo, Yukun Bai, Shuwei Qiu 

          https://doi.org/10.1016/j.gsf.2023.101732

          Groundwater contamination source identification (GCSI) is a prerequisite for contamination risk evaluation and efficient groundwater contamination remediation programs. The boundary condition generally is set as known variables in previous GCSI studies. However, in many practical cases, the boundary condition is complicated and cannot be estimated accurately in advance. Setting the boundary condition as known variables may seriously deviate from the actual situation and lead to distorted identification results. And the results of GCSI are affected by multiple factors, including contaminant source information, model parameters, boundary condition, etc. Therefore, if the boundary condition is not estimated accurately, other factors will also be estimated inaccurately. This study focuses on the unknown boundary condition and proposed to identify three types of unknown variables (contaminant source information, model parameters and boundary condition) innovatively. When simulation optimization (S-O) method is applied to GCSI, the huge computational load is usually reduced by building surrogate models. However, when building surrogate models, the researchers need to select the models and optimize the hyperparameters to make the model powerful, which can be a lengthy process. The automated machine learning (AutoML) method was used to build surrogate model, which automates the model selection and hyperparameter optimization in machine learning engineering, largely reducing human operations and saving time. The accuracy of AutoML surrogate model is compared with the surrogate model used in eXtreme Gradient Boosting method (XGBoost), random forest method (RF), extra trees regressor method (ETR) and elasticnet method (EN) respectively, which are automatically selected in AutoML engineering. The results show that the surrogate model constructed by AutoML method has the best accuracy compared with the other four methods. This study provides reliable and strong support for GCSI.

          主办/《地学前缘(英文)》编辑部

          版式编排/张培
          校审/王丽丽

          END






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