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Type: Dissertação
Title: Spatio-temporal wind speed forecasting with Bayesian uncertainty quantification
Title in English: Spatio-temporal wind speed forecasting with Bayesian uncertainty quantification
Authors: Souza Neto, Airton Ferreira de
Advisor: Mattos, César Lincoln Cavalcante
Co-advisor: Gomes, João Paulo Pordeus
Keywords in Brazilian Portuguese : Quantificação de incerteza Bayesiana;Aprendizado profundo;Modelagem espaço-temporal;Predição de vento
Keywords in English : Bayesian uncertainty quantification;Deep learning;Spatio-temporal modeling;Wind speed forecast
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Issue Date: 2023
Citation: SOUZA NETO, Airton Ferreira de. Spatio-temporal wind speed forecasting with Bayesian uncertainty quantification. 2023. 69 f. Dissertação (Mestrado em Ciência da Computação) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Abstract in Brazilian Portuguese: A predição de séries temporais de vento de curto e longo prazo possui grande utilidade para a indústria, sobretudo a de geração de energia eólica, tendo várias aplicações práticas no dia a dia operacional dos parques. Os resultados da predição são ainda mais poderosos e confiáveis quando associados a estimativas de incerteza, trazendo um maior apoio à tomada de decisão. Neste trabalho, uma modelagem orientada a dados, baseada em redes neurais profundas, é apresentada. A quantificação de incerteza associada à distribuição preditiva pode ser feita a partir de uma abordagem de aprendizagem Bayesiana. No entanto, no contexto de redes neurais e aprendizagem profunda, a abordagem Bayesiana convencional é intratável e computacionalmente custosa. Por outro lado, tem havido vários avanços recentes em técnicas de inferência Bayesiana aproximada em aprendizado profundo, em que destacam-se aquelas que não modificam os algoritmos de treinamento tradicionais. O presente trabalho propõe o uso de redes neurais profundas para a modelagem espaço-temporal do vento a partir de medições presentes nos sistemas de aquisição de dados de turbinas eólicas. São incluídas ainda as predições de modelos de previsão climática global, amplamente usados pela indústria energética. As predições realizadas são acompanhadas da quantificação da incerteza, extraída a partir de técnicas de inferência Bayesiana aproximada. A solução desenvolvida é avaliada em dados coletados de um parque eólico no sul do Brasil. Diferentes combinações de modelos e aproximações são comparadas a partir da acurácia alcançada e de métricas e gráficos de calibração da incerteza. Os experimentos executados indicam que a utilização de redes neurais convolucionais recorrentes (ConvLSTM) em comitês profundos (Deep Ensembles) proporciona os melhores resultados para a distribuição preditiva, podendo auxiliar a operação de parques eólicos.
Abstract: The prediction of short and long-term wind time series has great utility for the industry, especially for wind energy generation, with various practical applications in the day-to-day operation of parks. The results are even more powerful and reliable when associated with uncertainty estimates, providing greater support for decision-making. In this work, a data-driven modeling approach based on deep neural networks is presented. The quantification of uncertainty associated with the predictive distribution can be done using a Bayesian learning approach. However, in the context of neural networks and deep learning, the conventional Bayesian approach is intractable and computationally expensive. On the other hand, there have been several recent advances in approximate Bayesian inference techniques in deep learning, particularly those that do not modify traditional training algorithms. This work proposes the use of deep neural networks for the spatio-temporal modeling of wind based on measurements collected from wind turbine data acquisition systems. It also includes predictions from widely used global climate forecasting models in the energy industry. The predictions made are accompanied by the quantification of uncertainty, extracted using approximate Bayesian inference techniques. The developed solution is evaluated using data collected from a wind farm in South of Brazil. Different combinations of models and approximations are compared based on the achieved metrics and graphs of uncertainty calibration. The conducted experiments indicate that the use of recurrent convolutional neural networks (ConvLSTM) with Deep Ensembles provides the best results for the predictive distribution, potentially assisting the operation of wind farms.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78733
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/0942129226337657
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/2445571161029337
Co-advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/9553770402705512
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:DCOMP - Dissertações defendidas na UFC

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