Modern aspects of the use of artificial intelligence for predicting natural disasters on the rivers of the Russian Federation (using the example of the Amur River)

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Among all observed natural disasters, water-related disasters are the most frequent and pose a serious threat to people and socio-economic development. River floods are the most relevant for the Russian Federation, and the importance of flood control, particularly in the Far East, was repeatedly stressed by Russian President Vladimir Putin. The quality of performance of various artificial intelligence methods on the task of predicting river floods in the Amur River basin was investigated. The uniqueness of the research lies in the fact that similar studies have not previously been conducted for this river. The main task of the work was the subsequent practical application of the obtained results in flood forecasting and risk management systems. For this purpose, the best method was searched among widely used methods on the market, which have a rich choice of auxiliary solutions: gradient tree binning, linear regression without regularisation and neural networks. The study design focus on achieving maximum reproducibility of the results. The gradient boosting over the trees in the domestic implementation of CatBoost showed the highest quality. The results of this work can be extrapolated to other rivers comparable in both area and volume of data collected.

Авторлар туралы

Nikita Aleksandrov

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: 1042210208@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-8183-0257

Ph.D student, Department of Innovation Management in Industries, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Dmitry Ermakov

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); Polyus Scientific Research Institute

Email: ermakov-dn@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-0811-0058

Dr. of Political Sciences, Dr. of Economics, Ph.D of Historical Sciences, Professor, Department of Innovation Management in Industries, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Alla Brom

Bauman Moscow State Technical University

Email: allabrom@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3633-1197

Dr. of Economics, Professor of the Department of Industrial Logistics, Faculty of Engineering Business and Management

5 2-ya Baumanskaya St, bldg 1, Moscow, 105005, Russian Federation

Irina Omelchenko

Bauman Moscow State Technical University

Email: logistic@ibm.bmsru.ru
ORCID iD: 0000-0003-4707-1079

Dr. of Technical Sciences, Dr. of Economics, Dean of the Faculty of Engineering Business and Management

5 2-ya Baumanskaya St, bldg 1, Moscow, 105005, Russian Federation

Sergey Shkodinsky

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University); Moscow State Regional University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: sh-serg@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-5853-3585

Doctor of Economics, Professor, Head of the Department of Economic and Financial Education, Moscow State Regional University; Professor of the Department of Innovation Management in Industries, Academy of Engineering, Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

24 Very Voloshinoy St, Mytishi, 141014, Russian Federation; 6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Әдебиет тізімі

  1. Yoganath A, Junichi Y. Global trends in water related disasters: an insight for policymakers. Tsukuba: International Centre for Water Hazard and Risk Management (UNESCO); 2009.
  2. Arduino G, Reggiani P, Todini E. Recent advances in flood forecasting and flood risk assessment. Hydrology and Earth Sciences. 2005;9(4):280-284.
  3. Moore R, Bell V, Jones D. Forecasting for flood warning. Comptes Rendus Geosciences. 2005;337(1-2): 203-217.
  4. Tullos D. Assessing environmental impact assessments: a review and analysis of documenting environmental impacts of large dams. Journal of Environmental Management. 2008;90:208-223.
  5. DiFrancesco K, Tullos D. Flexibility in water resources management: review of concepts and development of assessment measures for flood management systems. Journal of the American Water Resources Association. 2014;50(6):1527-1539.
  6. Makhinov AN, Kim VI, Voronov BA. Flooding in the Amur basin in 2013: causes and consequences. Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences. 2014;(2(174)):5-14. (In Russ.)
  7. Ramírez J. Prediction and modeling of flood hydrology and hydraulics. In: Wohl EE. (ed.) Inland Flood Hazards: Human, Riparian and Aquatic Communities. Cambridge: Cambridge University Press; 2010. p. 498.
  8. Sahraei S, Asadzadeh M, Unduche F. Signature-based multi-modelling and multi-objective calibration of hydrologic models: application in flood forecasting for Canadian Prairies. Journal of Hydrology. 2020;588:125095. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125095
  9. Aqil M, Kita I, Yano A. Analysis and prediction of flow from local source in a river basin using a Neuro-fuzzy modeling tool. Journal of Environmental Management. 2007;85(1):215-223.
  10. Chang FJ, Hsu K, Chang LC, Yu Y. Flood forecasting using machine learning methods. MDPI AG; 2019.
  11. Dipanjan S, Raghav B, Tushar S. The Python machine learning ecosystem. In: Practical Machine Learning with Python: A Problem-Solver’s Guide to Building Real-World Intelligent Systems. New York: Apress; 2002. p. 67-118.
  12. Carvalho D, Pereira E, Cardoso J. Machine learning interpretability: a survey on methods and metrics. Electronics. 2019;8(8):832. https://doi.org/10.3390/electronics8080832
  13. Prokhorenkova L, Gusev G, Vorobev A, Dorogush AV, Gulin A. CatBoost: unbiased boosting with categorical features. 32nd Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2018). Montréal; 2018. p. 6638-6648. https://doi.org/10.48550/arXiv.1706.09516
  14. Novorotsky PV. The Amur’s flow rate fluctuations for the last 110 years. Geography and Natural Resources. 2007;(4):86-90. (In Russ.)
  15. Makhinov AN. Amur terrigene and chemical discharge formation. Proceedings of the International Kyoto Symposium. Kyoto; 2005. p. 61-65.
  16. Demidenko E. Linear and non linear regression. Finance and statistics. Moscow; 1981. p. 302. (In Russ.)
  17. Rumelhart DE, Hinton GE, Williams RJ. Learning representations by back-propagating errors. Nature. 1986;323:533-536.
  18. Hinton GE, Nair V. Rectified linear units improve restricted Boltzmann machines. Proceedings of the 27th International Conference on Machine Learning. Haifa; 2010. p. 807-814.
  19. Nash J, Sutcliffe JV. River flow forecasting through conceptual models. Part I. A discussion of principles. Journal of Hydrology. 1970;10(3):282-290.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».