The order/dimension of models derived on the basis of data is commonly restricted by the number of observations, or in the context of monitored systems, sensing nodes. This is particularly true for structural systems (e.g. civil or mechanical structures), which are typically high-dimensional in nature. In the scope of physics-informed machine learning, this paper proposes a framework - termed Neural Modal ODEs - to integrate physics-based modeling with deep learning (particularly, Neural Ordinary Differential Equations -- Neural ODEs) for modeling the dynamics of monitored and high-dimensional engineered systems. In this initiating exploration, we restrict ourselves to linear or mildly nonlinear systems. We propose an architecture that couples a dynamic version of variational autoencoders with physics-informed Neural ODEs (Pi-Neural ODEs). An encoder, as a part of the autoencoder, learns the abstract mappings from the first few items of observational data to the initial values of the latent variables, which drive the learning of embedded dynamics via physics-informed Neural ODEs, imposing a \textit{modal model} structure to that latent space. The decoder of the proposed model adopts the eigenmodes derived from an eigen-analysis applied to the linearized portion of a physics-based model: a process implicitly carrying the spatial relationship between degrees-of-freedom (DOFs). The framework is validated on a numerical example, and an experimental dataset of a scaled cable-stayed bridge, where the learned hybrid model is shown to outperform a purely physics-based approach to modeling. We further show the functionality of the proposed scheme within the context of virtual sensing, i.e., the recovery of generalized response quantities in unmeasured DOFs from spatially sparse data.


翻译:以数据为基础的模型的顺序/多面性通常受到观测数量或监测系统(即感知节点)的虚拟结构的局限。对于结构系统(例如民用或机械结构)来说尤其如此,这些系统通常是高度的。在物理学知情的机器学习范围内,本文件提出一个框架-称为神经模量模型-将基于物理的模型与深层学习(特别是神经普通差异 -- -- 神经等离异)结合起来,用于模拟被监测的和高维设计系统的机体动态。在启动探索时,我们将自己局限于线性或轻微的离线性系统(例如民用或机械结构),对于结构系统来说尤其如此。在物理学知情的内层空间数据系统(Pi-Neural MODODs)的动态版本结合。作为自动解析器的一部分,将基于物理的模型的模型数据从最初几个观测数据项目到基于潜伏变量的初始值进行抽象的绘图,通过物理学知情的内向内层的内置的内置的内置动力功能进行学习,通过内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置式的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置式的内置的内置的内置的内置式的内置式的内置式的内置式的内置式的内置式的内置式的内置式的内置式的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置的内置

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