Exploring the climate impacts of various anthropogenic emissions scenarios is key to making informed decisions for climate change mitigation and adaptation. State-of-the-art Earth system models can provide detailed insight into these impacts, but have a large associated computational cost on a per-scenario basis. This large computational burden has driven recent interest in developing cheap machine learning models for the task of climate model emulation. In this manuscript, we explore the efficacy of randomly wired neural networks for this task. We describe how they can be constructed and compare them to their standard feedforward counterparts using the ClimateBench dataset. Specifically, we replace the serially connected dense layers in multilayer perceptrons, convolutional neural networks, and convolutional long short-term memory networks with randomly wired dense layers and assess the impact on model performance for models with 1 million and 10 million parameters. We find average performance improvements of 4.2% across model complexities and prediction tasks, with substantial performance improvements of up to 16.4% in some cases. Furthermore, we find no significant difference in prediction speed between networks with standard feedforward dense layers and those with randomly wired layers. These findings indicate that randomly wired neural networks may be suitable direct replacements for traditional dense layers in many standard models.

地球天气和气候的数值模拟需要大量的计算。这导致替换替换具有在推理时间快速的近似机器学习（ml）方法的子程序来替换的子程序感兴趣。在天气和气候模型中，大气辐射转移（RT）计算特别昂贵。这使他们成为了基于神经网络的仿真器的流行目标。然而，由于缺乏缺乏全面的数据集和ML基准测试的标准化最佳实践，事先工作难以比较。为了填补这个差距，我们建立一个大型数据集，比加拿大地球系统模型为基础的大型数据集，高于\ emph {1000万个样本，未来的气候条件}。 Climart为ML社区带来了几种方法论挑战，例如多次分发试验集，底层域物理学和准确性和推广速度之间的权衡。我们还提出了几种新颖的基线，这些基线表示现有工作中使用的数据集和网络架构的缺点。下载说明，基准和代码可提供：https：//github.com/rolnicklab/climart

Wind power forecasting helps with the planning for the power systems by contributing to having a higher level of certainty in decision-making. Due to the randomness inherent to meteorological events (e.g., wind speeds), making highly accurate long-term predictions for wind power can be extremely difficult. One approach to remedy this challenge is to utilize weather information from multiple points across a geographical grid to obtain a holistic view of the wind patterns, along with temporal information from the previous power outputs of the wind farms. Our proposed CNN-RNN architecture combines convolutional neural networks (CNNs) and recurrent neural networks (RNNs) to extract spatial and temporal information from multi-dimensional input data to make day-ahead predictions. In this regard, our method incorporates an ultra-wide learning view, combining data from multiple numerical weather prediction models, wind farms, and geographical locations. Additionally, we experiment with global forecasting approaches to understand the impact of training the same model over the datasets obtained from multiple different wind farms, and we employ a method where spatial information extracted from convolutional layers is passed to a tree ensemble (e.g., Light Gradient Boosting Machine (LGBM)) instead of fully connected layers. The results show that our proposed CNN-RNN architecture outperforms other models such as LGBM, Extra Tree regressor and linear regression when trained globally, but fails to replicate such performance when trained individually on each farm. We also observe that passing the spatial information from CNN to LGBM improves its performance, providing further evidence of CNN's spatial feature extraction capabilities.

Graph classification is an important area in both modern research and industry. Multiple applications, especially in chemistry and novel drug discovery, encourage rapid development of machine learning models in this area. To keep up with the pace of new research, proper experimental design, fair evaluation, and independent benchmarks are essential. Design of strong baselines is an indispensable element of such works. In this thesis, we explore multiple approaches to graph classification. We focus on Graph Neural Networks (GNNs), which emerged as a de facto standard deep learning technique for graph representation learning. Classical approaches, such as graph descriptors and molecular fingerprints, are also addressed. We design fair evaluation experimental protocol and choose proper datasets collection. This allows us to perform numerous experiments and rigorously analyze modern approaches. We arrive to many conclusions, which shed new light on performance and quality of novel algorithms. We investigate application of Jumping Knowledge GNN architecture to graph classification, which proves to be an efficient tool for improving base graph neural network architectures. Multiple improvements to baseline models are also proposed and experimentally verified, which constitutes an important contribution to the field of fair model comparison.

We introduce a machine-learning (ML)-based weather simulator--called "GraphCast"--which outperforms the most accurate deterministic operational medium-range weather forecasting system in the world, as well as all previous ML baselines. GraphCast is an autoregressive model, based on graph neural networks and a novel high-resolution multi-scale mesh representation, which we trained on historical weather data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)'s ERA5 reanalysis archive. It can make 10-day forecasts, at 6-hour time intervals, of five surface variables and six atmospheric variables, each at 37 vertical pressure levels, on a 0.25-degree latitude-longitude grid, which corresponds to roughly 25 x 25 kilometer resolution at the equator. Our results show GraphCast is more accurate than ECMWF's deterministic operational forecasting system, HRES, on 90.0% of the 2760 variable and lead time combinations we evaluated. GraphCast also outperforms the most accurate previous ML-based weather forecasting model on 99.2% of the 252 targets it reported. GraphCast can generate a 10-day forecast (35 gigabytes of data) in under 60 seconds on Cloud TPU v4 hardware. Unlike traditional forecasting methods, ML-based forecasting scales well with data: by training on bigger, higher quality, and more recent data, the skill of the forecasts can improve. Together these results represent a key step forward in complementing and improving weather modeling with ML, open new opportunities for fast, accurate forecasting, and help realize the promise of ML-based simulation in the physical sciences.

在这项工作中，我们审查并评估了一个具有公开可用和广泛使用的数据集的深度学习知识追踪（DLKT）模型，以及学习编程的新型学生数据集。评估的DLKT模型已重新实现，用于评估先前报告的结果的可重复性和可复制性。我们测试在与模型的主要架构上独立于模型的比较模型中找到的不同输入和输出层变化，以及在某些研究中隐含地和明确地使用的不同最大尝试计数选项。几个指标用于反映评估知识追踪模型的质量。评估的知识追踪模型包括Vanilla-DKT，两个长短期内存深度知识跟踪（LSTM-DKT）变体，两个动态键值存储器网络（DKVMN）变体，以及自我细致的知识跟踪（SAKT）。我们评估Logistic回归，贝叶斯知识跟踪（BKT）和简单的非学习模型作为基准。我们的结果表明，DLKT模型一般优于非DLKT模型，DLKT模型之间的相对差异是微妙的，并且在数据集之间经常变化。我们的研究结果还表明，通常的纯模型，例如平均预测，比更复杂的知识追踪模型更好地表现出更好的性能，尤其是在准确性方面。此外，我们的公制和封路数据分析显示，用于选择最佳模型的度量标准对模型的性能有明显的影响，并且该度量选择可以影响模型排名。我们还研究了输入和输出层变化的影响，过滤出长期尝试序列，以及随机性和硬件等非模型属性。最后，我们讨论模型性能可重量和相关问题。我们的模型实现，评估代码和数据作为本工作的一部分发布。

气候变化对作物相关的疑虑构成了新的挑战，包括粮食不安全，供应稳定和经济规划。作为中央挑战之一，作物产量预测已成为机器学习领域的按压任务。尽管重要的是，预测任务是特别的复杂性，因为作物产量取决于天气，陆地，土壤质量等各种因素，以及它们的相互作用。近年来，在该域中成功应用了机器学习模型。然而，这些模型要么将他们的任务限制为相对较小的区域，或者只在单个或几年内进行研究，这使得它们难以在空间和时间上概括。在本文中，我们介绍了一种用于作物产量预测的新型图形的复发性神经网络，以纳入模型中的地理和时间知识，进一步提升预测力。我们的方法是在美国大陆的41个州的2000年历史上进行培训，验证和测试，从1981年到2019年覆盖了几年。据我们所知，这是第一种机器学习方法，可在作物产量预测中嵌入地理知识预测全国县级的作物产量。我们还通过应用众所周知的线性模型，基于树的模型，深度学习方法以及比较它们的性能来对与其他机器学习基线进行稳固的基础。实验表明，我们的提出方法始终如一地优于各种指标上现有的现有方法，验证地理空间和时间信息的有效性。

在许多环境环境中的风险管理需要了解驱动极端事件的机制。量化这种风险的有用指标是响应变量的极端分位数，该变量是基于描述气候，生物圈和环境状态的预测变量的。通常，这些分位数位于可观察数据的范围之内，因此，为了估算，需要在回归框架内规范参数极值模型。在这种情况下，经典方法利用预测变量和响应变量之间的线性或加性关系，并在其预测能力或计算效率中受苦；此外，它们的简单性不太可能捕获导致极端野火创造的真正复杂结构。在本文中，我们提出了一个新的方法学框架，用于使用人工中性网络执行极端分位回归，该网络能够捕获复杂的非线性关系并很好地扩展到高维数据。神经网络的“黑匣子”性质意味着它们缺乏从业者通常会喜欢的可解释性的理想特征。因此，我们将线性和加法模型的各个方面与深度学习相结合，以创建可解释的神经网络，这些神经网络可用于统计推断，但保留了高预测准确性。为了补充这种方法，我们进一步提出了一个新颖的点过程模型，以克服与广义极值分布类别相关的有限的下端问题。我们的统一框架的功效在具有高维预测器集的美国野火数据上说明了，我们说明了基于线性和基于样条的回归技术的预测性能的大幅改进。

手写数字识别（HDR）是光学特征识别（OCR）领域中最具挑战性的任务之一。不管语言如何，HDR都存在一些固有的挑战，这主要是由于个人跨个人的写作风格的变化，编写媒介和环境的变化，无法在反复编写任何数字等时保持相同的笔触。除此之外，特定语言数字的结构复杂性可能会导致HDR的模棱两可。多年来，研究人员开发了许多离线和在线HDR管道，其中不同的图像处理技术与传统的机器学习（ML）基于基于的和/或基于深度学习（DL）的体系结构相结合。尽管文献中存在有关HDR的广泛审查研究的证据，例如：英语，阿拉伯语，印度，法尔西，中文等，但几乎没有对孟加拉人HDR（BHDR）的调查，这缺乏对孟加拉语HDR（BHDR）的研究，而这些调查缺乏对孟加拉语HDR（BHDR）的研究。挑战，基础识别过程以及可能的未来方向。在本文中，已经分析了孟加拉语手写数字的特征和固有的歧义，以及二十年来最先进的数据集的全面见解和离线BHDR的方法。此外，还详细讨论了一些涉及BHDR的现实应用特定研究。本文还将作为对离线BHDR背后科学感兴趣的研究人员的汇编，煽动了对相关研究的新途径的探索，这可能会进一步导致在不同应用领域对孟加拉语手写数字进行更好的离线认识。

As ride-hailing services become increasingly popular, being able to accurately predict demand for such services can help operators efficiently allocate drivers to customers, and reduce idle time, improve congestion, and enhance the passenger experience. This paper proposes UberNet, a deep learning Convolutional Neural Network for short-term prediction of demand for ride-hailing services. UberNet empploys a multivariate framework that utilises a number of temporal and spatial features that have been found in the literature to explain demand for ride-hailing services. The proposed model includes two sub-networks that aim to encode the source series of various features and decode the predicting series, respectively. To assess the performance and effectiveness of UberNet, we use 9 months of Uber pickup data in 2014 and 28 spatial and temporal features from New York City. By comparing the performance of UberNet with several other approaches, we show that the prediction quality of the model is highly competitive. Further, Ubernet's prediction performance is better when using economic, social and built environment features. This suggests that Ubernet is more naturally suited to including complex motivators in making real-time passenger demand predictions for ride-hailing services.

为了对线性不可分离的数据进行分类，神经元通常被组织成具有至少一个隐藏层的多层神经网络。灵感来自最近神经科学的发现，我们提出了一种新的神经元模型以及一种新的激活函数，可以使用单个神经元来学习非线性决策边界。我们表明标准神经元随后是新颖的顶端枝晶激活（ADA）可以使用100 \％的精度来学习XOR逻辑函数。此外，我们在计算机视觉，信号处理和自然语言处理中进行五个基准数据集进行实验，即摩洛哥，utkface，crema-d，时尚mnist和微小的想象成，表明ADA和泄漏的ADA功能提供了卓越的结果用于各种神经网络架构的整流线性单元（Relu），泄漏的Relu，RBF和嗖嗖声，例如单隐层或两个隐藏层的多层的Perceptrons（MLPS）和卷积神经网络（CNNS），如LENET，VGG，RESET和字符级CNN。当我们使用具有顶端树突激活（Pynada）的金字塔神经元改变神经元的标准模型时，我们获得进一步的性能改进。我们的代码可用于：https://github.com/raduionescu/pynada。

基于预测方法的深度学习已成为时间序列预测或预测的许多应用中的首选方法，通常通常优于其他方法。因此，在过去的几年中，这些方法现在在大规模的工业预测应用中无处不在，并且一直在预测竞赛（例如M4和M5）中排名最佳。这种实践上的成功进一步提高了学术兴趣，以理解和改善深厚的预测方法。在本文中，我们提供了该领域的介绍和概述：我们为深入预测的重要构建块提出了一定深度的深入预测；随后，我们使用这些构建块，调查了最近的深度预测文献的广度。

机器学习，在深入学习的进步，在过去分析时间序列方面表现出巨大的潜力。但是，在许多情况下，可以通过将其结合到学习方法中可能改善预测的附加信息。这对于由例如例如传感器位置的传感器网络而产生的数据至关重要。然后，可以通过通过图形结构建模，以及顺序（时间）信息来利用这种空间信息。适应深度学习的最新进展在各种图形相关任务中表明了有希望的潜力。但是，这些方法尚未在很大程度上适用于时间序列相关任务。具体而言，大多数尝试基本上围绕空间 - 时间图形神经网络巩固了时间序列预测的小序列长度。通常，这些架构不适合包含大数据序列的回归或分类任务。因此，在这项工作中，我们使用图形神经网络的好处提出了一种能够在多变量时间序列回归任务中处理这些长序列的架构。我们的模型在包含地震波形的两个地震数据集上进行测试，其中目标是预测在一组站的地面摇动的强度测量。我们的研究结果表明了我们的方法的有希望的结果，这是深入讨论的额外消融研究。

近年来，随着传感器和智能设备的广泛传播，物联网（IoT）系统的数据生成速度已大大增加。在物联网系统中，必须经常处理，转换和分析大量数据，以实现各种物联网服务和功能。机器学习（ML）方法已显示出其物联网数据分析的能力。但是，将ML模型应用于物联网数据分析任务仍然面临许多困难和挑战，特别是有效的模型选择，设计/调整和更新，这给经验丰富的数据科学家带来了巨大的需求。此外，物联网数据的动态性质可能引入概念漂移问题，从而导致模型性能降解。为了减少人类的努力，自动化机器学习（AUTOML）已成为一个流行的领域，旨在自动选择，构建，调整和更新机器学习模型，以在指定任务上实现最佳性能。在本文中，我们对Automl区域中模型选择，调整和更新过程中的现有方法进行了审查，以识别和总结将ML算法应用于IoT数据分析的每个步骤的最佳解决方案。为了证明我们的发现并帮助工业用户和研究人员更好地实施汽车方法，在这项工作中提出了将汽车应用于IoT异常检测问题的案例研究。最后，我们讨论并分类了该领域的挑战和研究方向。

预测基金绩效对投资者和基金经理都是有益的，但这是一项艰巨的任务。在本文中，我们测试了深度学习模型是否比传统统计技术更准确地预测基金绩效。基金绩效通常通过Sharpe比率进行评估，该比例代表了风险调整的绩效，以确保基金之间有意义的可比性。我们根据每月收益率数据序列数据计算了年度夏普比率，该数据的时间序列数据为600多个投资于美国上市大型股票的开放式共同基金投资。我们发现，经过现代贝叶斯优化训练的长期短期记忆（LSTM）和封闭式复发单元（GRUS）深度学习方法比传统统计量相比，预测基金的Sharpe比率更高。结合了LSTM和GRU的预测的合奏方法，可以实现所有模型的最佳性能。有证据表明，深度学习和结合能提供有希望的解决方案，以应对基金绩效预测的挑战。

深度学习使用由其重量进行参数化的神经网络。通常通过调谐重量来直接最小化给定损耗功能来训练神经网络。在本文中，我们建议将权重重新参数转化为网络中各个节点的触发强度的目标。给定一组目标，可以计算使得发射强度最佳地满足这些目标的权重。有人认为，通过我们称之为级联解压缩的过程，使用培训的目标解决爆炸梯度的问题，并使损失功能表面更加光滑，因此导致更容易，培训更快，以及潜在的概括，神经网络。它还允许更容易地学习更深层次和经常性的网络结构。目标对重量的必要转换有额外的计算费用，这是在许多情况下可管理的。在目标空间中学习可以与现有的神经网络优化器相结合，以额外收益。实验结果表明了使用目标空间的速度，以及改进的泛化的示例，用于全连接的网络和卷积网络，以及调用和处理长时间序列的能力，并使用经常性网络进行自然语言处理。

我们研究机器学习（ML）和深度学习（DL）算法的能力，基于地下温度观察推断表面/地面交换通量。观察和助势是由代表哥伦比亚河附近的高分辨率数值模型，位于华盛顿州东南部的能源部汉福德遗址附近。随机测量误差，不同幅度的加入合成温度观察。结果表明，两个ML和DL方法可用于推断表面/地面交换通量。 DL方法，尤其是卷积神经网络，当用于用施加的平滑滤波器解释噪声温度数据时越高。然而，ML方法也表现良好，它们可以更好地识别减少数量的重要观察，这对于测量网络优化也是有用的。令人惊讶的是，M1和DL方法比向下通量更好地推断出向上的助焊剂。这与使用数值模型从温度观测推断出来的先前发现与先前的发现与先前的发现相反，并且可能表明将ML或DL推断的组合使用与数值推断相结合可以改善河流系统下方的助焊剂估计。

为了提高风能生产的安全性和可靠性，短期预测已成为最重要的。这项研究的重点是挪威大陆架的多步时时空风速预测。图形神经网络（GNN）体系结构用于提取空间依赖性，具有不同的更新功能以学习时间相关性。这些更新功能是使用不同的神经网络体系结构实现的。近年来，一种这样的架构，即变压器，在序列建模中变得越来越流行。已经提出了对原始体系结构的各种改动，以更好地促进时间序列预测，本研究的重点是告密者Logsparse Transformer和AutoFormer。这是第一次将logsparse变压器和自动形态应用于风预测，并且第一次以任何一种或告密者的形式在时空设置以进行风向预测。通过比较时空长的短期记忆（LSTM）和多层感知器（MLP）模型，该研究表明，使用改变的变压器体系结构作为GNN中更新功能的模型能够超越这些功能。此外，我们提出了快速的傅立叶变压器（FFTRANSFORMER），该变压器是基于信号分解的新型变压器体系结构，由两个单独的流组成，分别分析趋势和周期性成分。发现FFTRANSFORMER和自动成型器可在10分钟和1小时的预测中取得优异的结果，而FFTRANSFORMER显着优于所有其他模型的4小时预测。最后，通过改变图表表示的连通性程度，该研究明确说明了所有模型如何利用空间依赖性来改善局部短期风速预测。

检测，预测和减轻交通拥堵是针对改善运输网络的服务水平的目标。随着对更高分辨率的更大数据集的访问，深度学习对这种任务的相关性正在增加。近年来几篇综合调查论文总结了运输领域的深度学习应用。然而，运输网络的系统动态在非拥挤状态和拥塞状态之间变化大大变化 - 从而需要清楚地了解对拥堵预测特异性特异性的挑战。在这项调查中，我们在与检测，预测和缓解拥堵相关的任务中，介绍了深度学习应用的当前状态。重复和非经常性充血是单独讨论的。我们的调查导致我们揭示了当前研究状态的固有挑战和差距。最后，我们向未来的研究方向提出了一些建议，因为所确定的挑战的答案。

Time Series Classification (TSC) is an important and challenging problem in data mining. With the increase of time series data availability, hundreds of TSC algorithms have been proposed. Among these methods, only a few have considered Deep Neural Networks (DNNs) to perform this task. This is surprising as deep learning has seen very successful applications in the last years. DNNs have indeed revolutionized the field of computer vision especially with the advent of novel deeper architectures such as Residual and Convolutional Neural Networks. Apart from images, sequential data such as text and audio can also be processed with DNNs to reach state-of-the-art performance for document classification and speech recognition. In this article, we study the current state-ofthe-art performance of deep learning algorithms for TSC by presenting an empirical study of the most recent DNN architectures for TSC. We give an overview of the most successful deep learning applications in various time series domains under a unified taxonomy of DNNs for TSC. We also provide an open source deep learning framework to the TSC community where we implemented each of the compared approaches and evaluated them on a univariate TSC benchmark (the UCR/UEA archive) and 12 multivariate time series datasets. By training 8,730 deep learning models on 97 time series datasets, we propose the most exhaustive study of DNNs for TSC to date.