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Explainable artificial intelligence for Bayesian neural networks: towards trustworthy predictions of ocean dynamics

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  • معلومة اضافية
    • Contributors:
      Imperial College London; National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA); University of Washington Seattle; Princeton University; Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)); École normale supérieure - Paris (ENS-PSL); Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité); Nucleus for European Modeling of the Ocean (NEMO R&D ); Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN); Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)); Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL); Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)); Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université Paris Sciences et Lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité); Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement Gif-sur-Yvette (LSCE); Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)); Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA); ANR-17-MPGA-0010,HRMES,High-Resolution Modeling of the Earth System(2017)
    • بيانات النشر:
      HAL CCSD
      American Geophysical Union
    • الموضوع:
      2022
    • Collection:
      Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines: HAL-UVSQ
    • نبذة مختصرة :
      International audience ; The trustworthiness of neural networks is often challenged because they lack the ability to express uncertainty and explain their skill. This can be problematic given the increasing use of neural networks in high stakes decision-making such as in climate change applications. We address both issues by successfully implementing a Bayesian Neural Network (BNN), where parameters are distributions rather than deterministic, and applying novel implementations of explainable AI (XAI) techniques. The uncertainty analysis from the BNN provides a comprehensive overview of the prediction more suited to practitioners’ needs than predictions from a classical neural network. Using a BNN means we can calculate the entropy (i.e. uncertainty) of the predictions and determine if the probability of an outcome is statistically significant. To enhance trustworthiness, we also spatially apply the two XAI techniques of Layer-wise Relevance Propagation (LRP) and SHapley Additive exPlanation (SHAP) values. These XAI methods reveal the extent to which the BNN is suitable and/or trustworthy. Using two techniques gives a more holistic view of BNN skill and its uncertainty, as LRP considers neural network parameters, whereas SHAP considers changes to outputs. We verify these techniques usingcomparison with intuition from physical theory. The differences in explanation identify potential areas where new physical theory guided studies are needed.
    • Relation:
      hal-03810636; https://hal.science/hal-03810636; https://hal.science/hal-03810636/document; https://hal.science/hal-03810636/file/clar1.pdf; IRD: fdi:010086446; WOS: 000878304000001
    • الرقم المعرف:
      10.1029/2022MS003162
    • الدخول الالكتروني :
      https://doi.org/10.1029/2022MS003162
      https://hal.science/hal-03810636
      https://hal.science/hal-03810636/document
      https://hal.science/hal-03810636/file/clar1.pdf
    • Rights:
      info:eu-repo/semantics/OpenAccess
    • الرقم المعرف:
      edsbas.BB533B9C