We present ProbHardE2E, a probabilistic forecasting framework that incorporates hard operational/physical constraints, and provides uncertainty quantification. Our methodology uses a novel differentiable probabilistic projection layer (DPPL) that can be combined with a wide range of neural network architectures. DPPL allows the model to learn the system in an end-to-end manner, compared to other approaches where constraints are satisfied either through a post-processing step or at inference. ProbHardE2E optimizes a strictly proper scoring rule, without making any distributional assumptions on the target, which enables it to obtain robust distributional estimates (in contrast to existing approaches that generally optimize likelihood-based objectives, which are heavily biased by their distributional assumptions and model choices); and it can incorporate a range of non-linear constraints (increasing the power of modeling and flexibility). We apply ProbHardE2E in learning partial differential equations with uncertainty estimates and to probabilistic time-series forecasting, showcasing it as a broadly applicable general framework that connects these seemingly disparate domains.


翻译:本文提出ProbHardE2E,一种融合硬操作/物理约束并提供不确定性量化的概率预测框架。该方法采用新型可微概率投影层(DPPL),可与多种神经网络架构结合。相较于通过后处理步骤或在推理阶段满足约束的现有方法,DPPL使模型能以端到端方式学习系统特性。ProbHardE2E优化严格适当评分规则,无需对目标变量作任何分布假设,从而获得稳健的分布估计(现有方法通常优化基于似然的目标函数,其分布假设与模型选择会引入显著偏差);该框架能整合多种非线性约束(增强建模能力与灵活性)。我们将ProbHardE2E应用于带不确定性估计的偏微分方程学习及概率时间序列预测,证明其作为通用框架可连接这两个看似迥异的领域。

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