High-fidelity simulation of complex physical systems is exorbitantly expensive and inaccessible across spatiotemporal scales. Recently, there has been an increasing interest in leveraging deep learning to augment scientific data based on the coarse-grained simulations, which is of cheap computational expense and retains satisfactory solution accuracy. However, the major existing work focuses on data-driven approaches which rely on rich training datasets and lack sufficient physical constraints. To this end, we propose a novel and efficient spatiotemporal super-resolution framework via physics-informed learning, inspired by the independence between temporal and spatial derivatives in partial differential equations (PDEs). The general principle is to leverage the temporal interpolation for flow estimation, and then introduce convolutional-recurrent neural networks for learning temporal refinement. Furthermore, we employ the stacked residual blocks with wide activation and sub-pixel layers with pixelshuffle for spatial reconstruction, where feature extraction is conducted in a low-resolution latent space. Moreover, we consider hard imposition of boundary conditions in the network to improve reconstruction accuracy. Results demonstrate the superior effectiveness and efficiency of the proposed method compared with baseline algorithms through extensive numerical experiments.


翻译:复杂物理系统的高度纤维化模拟费用高昂,而且在整个时空尺度上都难以获得。最近,人们越来越有兴趣利用深层次的学习,在粗粗的模拟基础上增加科学数据,这种模拟是廉价的计算费用,并保持令人满意的溶解准确性。然而,目前的主要工作侧重于数据驱动方法,这些方法依靠丰富的培训数据集,缺乏足够的物理限制。为此,我们提议通过物理知情学习,通过物理知情学习,通过物理知情学习,建立一个新颖和高效的超分辨率框架。这种学习的灵感来自部分差异方程中的时间和空间衍生物(PDEs)的独立性。一般原则是利用时间间间间间插来估计流量,然后采用同革命性经常性神经网络来学习时间改进。此外,我们采用堆积的残余块,广泛激活和次像素分像素层,用于空间重建,在低分辨率的潜在空间进行特征提取。此外,我们考虑在网络中硬硬地强加边界条件,以提高重建的准确性。结果表明,通过广泛的数字实验,与基线算法相比,拟议方法的超高效力和效率。

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