Interacting particle systems are ubiquitous in nature and engineering. Revealing particle interaction laws is of fundamental importance but also particularly challenging due to underlying configurational complexities. Recently developed machine learning methods show great potential in discovering pairwise interactions from particle trajectories in homogeneous systems. However, they fail to reveal interactions in heterogeneous systems that are prevalent in reality, where multiple interaction types coexist simultaneously and relational inference is required. Here, we propose a novel probabilistic method for relational inference, which possesses two distinctive characteristics compared to existing methods. First, it infers the interaction types of different edges collectively, and second, it uses a physics-induced graph neural network to learn physics-consistent pairwise interactions. We evaluate the proposed methodology across several benchmark datasets and demonstrate that it is consistent with the underlying physics. Furthermore, we showcase its ability to outperform existing methods in accurately inferring interaction types. In addition, the proposed model is data-efficient and generalizable to large systems when trained on smaller ones, which contrasts with previously proposed solutions. The developed methodology constitutes a key element for the discovery of the fundamental laws that determine macroscopic mechanical properties of particle systems.


翻译:交互粒子系统在自然和工程中普遍存在。揭示粒子相互作用规律具有基本重要性,同时由于底层配置的复杂性也特别具有挑战性。最近发展起来的机器学习方法在同质系统中从粒子轨迹中发现成对交互的潜力很大。然而,它们无法揭示在现实环境中普遍存在的异质性系统中的相互作用,其中多个交互类型同时存在并需要关系推断。在这里,我们提出了一种新颖的概率方法进行关系推论,与现有方法相比,它具有两个独特的特征。首先,它集体地推断不同边缘的相互作用类型,其次,它使用物理诱导的图神经网络学习与物理一致的成对交互作用。我们在几个基准数据集上评估了提出的方法,并证明它与潜在的物理一致。此外,我们展示了它在准确推断相互作用类型方面超越了现有方法的能力。此外,所提出的模型在基于较小的系统训练时可以节省数据,并且可以推广到更大的系统,这与以前提出的解决方案相矛盾。所开发的方法学是发现决定粒子系统宏观机械特性的基本规律的关键元素。

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