Deep neural networks (DNNs) are often coupled with physics-based models or data-driven surrogate models to perform fault detection and health monitoring of systems in the low data regime. These models serve as digital twins to generate large quantities of data to train DNNs which would otherwise be difficult to obtain from the real-life system. However, such models can exhibit parametric uncertainty that propagates to the generated data. In addition, DNNs exhibit uncertainty in the parameters learnt during training. In such a scenario, the performance of the DNN model will be influenced by the uncertainty in the physics-based model as well as the parameters of the DNN. In this article, we quantify the impact of both these sources of uncertainty on the performance of the DNN. We perform explicit propagation of uncertainty in input data through all layers of the DNN, as well as implicit prediction of output uncertainty to capture the former. Furthermore, we adopt Monte Carlo dropout to capture uncertainty in DNN parameters. We demonstrate the approach for fault detection of power lines with a physics-based model, two types of input data and three different neural network architectures. We compare the performance of such uncertainty-aware probabilistic models with their deterministic counterparts. The results show that the probabilistic models provide important information regarding the confidence of predictions, while also delivering an improvement in performance over deterministic models.


翻译:深度神经网络(DNNs)通常与基于物理的模型或数据驱动的代理模型耦合,以在低数据范畴内执行故障检测和健康监测。这些模型作为数字孪生,生成大量的数据来训练DNN,否则要从实际生活系统中获取这些数据很困难。然而,这样的模型可能表现出参数不确定性,导致生成的数据受到影响。此外,DNN在训练过程中学习的参数也表现出不确定性。在这种情况下,DNN模型的性能将受到基于物理的模型的不确定性以及DNN参数的影响。在本文中,我们量化了这两种不确定性对DNN性能的影响。我们通过所有DNN层进行输入数据的显式不确定性传播,并隐式预测输出不确定性以捕获前者。此外,采用蒙特卡罗dropout方法捕获DNN参数的不确定性。我们将该方法演示为物理模型下电力线的故障检测,使用两种类型的输入数据和三种不同的神经网络架构。我们将具有不确定性感知的概率模型与其确定性对应物的性能进行比较。结果表明,概率模型提供了有关预测置信度的重要信息,并且在性能方面比确定性模型有所提升。

0
下载
关闭预览

相关内容

[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
77+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
【泡泡一分钟】基于运动估计的激光雷达和相机标定方法
泡泡机器人SLAM
25+阅读 · 2019年1月17日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
10+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
30+阅读 · 2021年7月7日
A Comprehensive Survey on Transfer Learning
Arxiv
121+阅读 · 2019年11月7日
Arxiv
53+阅读 · 2018年12月11日
VIP会员
相关VIP内容
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
77+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月18日
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
【泡泡一分钟】基于运动估计的激光雷达和相机标定方法
泡泡机器人SLAM
25+阅读 · 2019年1月17日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
10+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员