Solar radiation forecasting using ad-hoc time series preprocessing and neural networks

In this paper, we present an application of neural networks in the renewable energy domain. We have developed a methodology for the daily prediction of global solar radiation on a horizontal surface. We use an ad-hoc time series preprocessing and a Multi-Layer Perceptron (MLP) in order to predict solar radiation at daily horizon. First results are promising with nRMSE < 21% and RMSE < 998 Wh/m2. Our optimized MLP presents prediction similar to or even better than conventional methods such as ARIMA techniques, Bayesian inference, Markov chains and k-Nearest-Neighbors approximators. Moreover we found that our data preprocessing approach can reduce significantly forecasting errors.Comment: 14 pages, 8 figures, 2009 International Conference on Intelligent Computin

A Novel Design Approach to X-Band Minkowski Reflectarray Antennas using the Full-Wave EM Simulation-based Complete Neural Model with a Hybrid GA-NM Algorithm

In this work, a novel multi-objective design optimization procedure is presented for the Minkowski Reflectarray RAs using a complete 3-D CST Microwave Studio MWS-based Multilayer Perceptron Neural Network MLP NN model including the substrate constant εr with a hybrid Genetic GA and Nelder-Mead NM algorithm. The MLP NN model provides an accurate and fast model and establishes the reflection phase of a unit Minkowski RA element as a continuous function within the input domain including the substrate 1 ≤ εr ≤ 6; 0.5mm ≤ h ≤ 3mm in the frequency between 8GHz ≤ f ≤ 12GHz. This design procedure enables a designer to obtain not only the most optimum Minkowski RA design all throughout the X- band, at the same time the optimum Minkowski RAs on the selected substrates. Moreover a design of a fully optimized X-band 15×15 Minkowski RA antenna is given as a worked example with together the tolerance analysis and its performance is also compared with those of the optimized RAs on the selected traditional substrates. Finally it may be concluded that the presented robust and systematic multi-objective design procedure is conveniently applied to the Microstrip Reflectarray RAs constructed from the advanced patches

Injury Severity Prediction of Traffic Collision by Applying a Series of Neural Networks: The City of London Case Study

This paper focuses on predicting injury severity of a driver or rider by applying multi-layer perceptron (MLP), support vector machine (SVM), and a hybrid MLP-SVM method. By correlating the injury severity results and the influences that support their creation, this study was able to determine the key influences affecting the injury severity. The result indicated that the vehicle type, vehicle manoeuvre, lack of necessary crossing facilities for cyclists, 1st point of impact, and junction actions had a greater effect on the likelihood of injury severity. Following this indication, by maximising the prediction accuracies, a comparison between the models was made through exerting the most sensitive predictors in order to evaluate the models’ performance against each other. The outcomes specified that the proposed hybrid model achieved a significant improvement in terms of prediction accuracy compared with other models.</p

Enhancing Landslide Susceptibility Modelling Through a Novel Non-landslide Sampling Method and Ensemble Learning Technique

In recent years, several catastrophic landslide events have been observed throughout the globe, threatening to lives and infrastructures. To minimize the impact of landslides, the need of landslide susceptibility map is important. The study aims to extract high-quality non-landslide samples and improve the accuracy of landslide susceptibility modelling (LSM) outcomes by applying a coupled method of ensemble learning and Machine Learning (ML). The Zigui-Badong section of the Three Gorges Reservoir area (TGRA) in China was considered in the present study. Twelve influencing factors were selected as inputs for LSM, and the relationship between each causal factor and landslide spatial development was quantitatively analyzed. A total of 179 landslides have been used in the present study. About 70% of the landslide pixels were randomly considered for training, and the remaining 30% were used for validation. Logistic Regression (LR) model was applied to produce an initial susceptibility map, and the non-landslide samples were selected within the classified low-susceptibility zone. Subsequently, two ML classifiers – the Classification and Regression Tree (CART), and the Multi-Layer Perceptron (MLP), and four coupling models – the CART-Bagging, CART-Boosting, MLP-Bagging, and MLP-Boosting, were utilized for LSM. Finally, the receiver operating characteristics (ROC) curve and statistical analysis were applied for accuracy assessment. The results show that altitude and distance to rivers were the main causal factors of landslides in the study area. The LR-MLP-Boosting performed the best with an accuracy of 0.986 followed by the LR-CART-Bagging, LR-CART-Boosting, and LR-MLP-Bagging. Accuracy comparisons demonstrate that ensemble learning algorithm can notably enhance the LSM performance of ML classifiers, and the Boosting algorithm marginally outperforms the Bagging algorithm. Moreover, the LR model can effectively constrain the selection range of non-landslide samples. The non-landslide sampling method constrained by LR yields higher quality samples compared to raditional random sampling method with no constraints, which develops a more excellent LSM

Research and comparison of pavement performance prediction based on neural networks and fusion transformer architecture

The decision-making process for pavement maintenance from a scientific perspective is based on accurate predictions of pavement performance. To improve the rationality of pavement performance indicators, comprehensive consideration of various influencing factors is necessary. To this end, four typical pavement performance indicators (i.e., Rutting Depth, International Roughness Index, Longitudinal Cracking, and Alligator Cracking) were predicted using the Long Term Pavement Performance (LTPP) database. Two types of data, i.e., local input variables and global input variables, were selected, and S-ANN and L-ANN models were constructed using a fully connected neural network. A comparative analysis of the predictive outcomes reveals the superior optimization of the L-ANN model. Subsequently, by incorporating structures such as self-attention mechanism, a novel predictive approach based on the Transformer architecture was proposed. The objective is to devise a more accurate predictive methodology for pavement performance indices, with the goal of guiding pavement maintenance and management efforts. Experimental results indicate that, through comparative analysis of three quantitative evaluation metrics (root mean square error, mean absolute error, coefficient of determination), along with visual scatter plots, the predictive model employing the fused Transformer architecture demonstrates higher robustness and accuracy within the domain of pavement performance prediction when compared to the L-ANN model. This outcome substantiates the efficacy and superiority of the model in terms of predictive performance, establishing it as a reliable tool for accurately reflecting the evolution of asphalt pavement performance. Furthermore, it furnishes a theoretical reference for determining optimal preventive maintenance timing for pavements

Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI