ВОЗМОЖНОСТИ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СТОКА МАЛОЙ РЕКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ

• Main Authors: В.М. Морейдо, Б.И. Гарцман, Д.П. Соломатин, З.А. Сучилина
• Format: Article
• Language: Russian
• Published: Scientific and Industrial Research Association Gidrotehproekt 2020-12-01
• Series: Гидросфера: Опасные процессы и явления
• Subjects: гидрологические прогнозы; машинное обучение; прогнозы речного стока; искусственные нейронные сети; краткосрочные прогнозы расходов воды; модели речного стока
• Online Access: http://hydro-sphere.ru/index.php/hydrosphere/article/view/77

В статье исследуются возможности краткосрочного (от 1 до 7 суток) прогнозирования расходов воды на основе нескольких методов машинного обучения: модели множественной линейной регрессии, искусственной нейронной сети по типу многослойного перцептрона и рекуррентной искусственной нейронной сети с долгосрочной кратковременной памятью. Предлагаются методы расширения набора предикторов для построения моделей и исследуется возможность случайного перемешивания хронологического ряда предикторов для калибровки и верификации моделей как повышающая устойчивость результатов прогноза. В качестве объекта исследования используется малая река Средней полосы России – река Протва (гидрометрический пост Спас-Загорье). В качестве предикторов используются расходы воды на посту и суточные суммы осадков на трех ближайших метеостанциях в текущий момент времени (сутки) и со сдвигом назад до 7 суток, а также индекс увлажнения бассейна и характеристики температуры воздуха и испарения. На конкретном примере показана возможность построения эффективной оперативной прогностической системы для краткосрочного прогнозирования стока. Исследование выявило приемлемую для оперативной практики применимость моделей искусственных нейронных сетей, использующих всю доступную гидрометеорологическую информацию на водосборе, как показавших наиболее устойчивые результаты на всех заблаговременностях от 1 до 7 суток. Так, в отличие от линейной прогностической модели, эффективность которой снижается на заблаговременностях более 3 суток, модели искусственных нейронных сетей показали высокую эффективность прогноза до 7 суток. Полученные результаты устойчивы для всех фаз водного режима, как весеннего половодья, так и летних паводков. Программная реализация моделей выполнена на основании открытых программных библиотек на языке Python, что показывает возможность широкого использования описанных методик для научных исследований и прикладных задач.