Spatio-temporal dynamics of physical processes are generally modeled using partial differential equations (PDEs). Though the core dynamics follows some principles of physics, real-world physical processes are often driven by unknown external sources. In such cases, developing a purely analytical model becomes very difficult and data-driven modeling can be of assistance. In this paper, we present a hybrid framework combining physics-based numerical models with deep learning for source identification and forecasting of spatio-temporal dynamical systems with unobservable time-varying external sources. We formulate our model PhICNet as a convolutional recurrent neural network (RNN) which is end-to-end trainable for spatio-temporal evolution prediction of dynamical systems and learns the source behavior as an internal state of the RNN. Experimental results show that the proposed model can forecast the dynamics for a relatively long time and identify the sources as well.


翻译:物理过程的时空动态通常使用部分差异方程式(PDEs)来模拟。虽然核心动态遵循物理的一些原则,但现实世界物理过程往往由未知的外部来源驱动。在这种情况下,开发一个纯粹的分析模型变得非常困难,数据驱动的模型可以起到帮助作用。在本文中,我们提出了一个混合框架,将基于物理的数字模型与深层学习相结合,以便从源头识别和预测具有不可观测时间分布的外部源的时空动态系统。我们把我们的模型PHICNet设计成一个可进行动态系统时空演进预测的最终到最终训练的循环神经网络(RNNN),并将源的行为作为RNN的内部状态来学习。实验结果表明,拟议的模型可以对动态进行长期的预测,并查明源。

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