Data-driven models created by machine learning gain in importance in all fields of design and engineering. They have high potential to assists decision-makers in creating novel artefacts with better performance and sustainability. However, limited generalization and the black-box nature of these models lead to limited explainability and reusability. These drawbacks provide significant barriers retarding adoption in engineering design. To overcome this situation, we propose a component-based approach to create partial component models by machine learning (ML). This component-based approach aligns deep learning to systems engineering (SE). By means of the example of energy efficient building design, we first demonstrate better generalization of the component-based method by analyzing prediction accuracy outside the training data. Especially for representative designs different in structure, we observe a much higher accuracy (R2 = 0.94) compared to conventional monolithic methods (R2 = 0.71). Second, we illustrate explainability by exemplary demonstrating how sensitivity information from SE and rules from low-depth decision trees serve engineering. Third, we evaluate explainability by qualitative and quantitative methods demonstrating the matching of preliminary knowledge and data-driven derived strategies and show correctness of activations at component interfaces compared to white-box simulation results (envelope components: R2 = 0.92..0.99; zones: R2 = 0.78..0.93). The key for component-based explainability is that activations at interfaces between the components are interpretable engineering quantities. In this way, the hierarchical component system forms a deep neural network (DNN) that a priori integrates information for engineering explainability. ...


翻译:由机械学习创造的数据驱动模型在所有设计和工程领域都具有重要性。它们具有很大潜力,可以协助决策者创造具有更好性能和可持续性的新工艺品。然而,这些模型的有限概括性和黑盒性质导致解释性和可再使用性有限。这些缺陷为在工程设计中采用工程设计提供了巨大的障碍。为了克服这种情况,我们提议了一种基于组成部分的方法,通过机器学习(ML)来创建部分组成部分模型。这种基于组成部分的方法将深度学习与系统工程(SE)相匹配。通过节能建筑设计的例子,我们首先通过分析培训数据之外的预测准确性来显示基于组成部分的方法的更普遍化。特别是对于结构上不同的有代表性的设计,我们观察到了比常规单一方法(R2=0.94)更准确得多的精确性(R2=0.94)。 其次,我们通过示范性来说明如何通过机器学习(ML)的敏感信息和低深度决策树的规则为工程服务。第三,我们通过定性和定量的方法来评估解释性,以显示初步知识和数据驱动的衍生战略的匹配性,并显示组件在结构外的准确性。我们观察到了在结构结构结构上的可感动性,即:R9-9xxxxxx

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《工程》是中国工程院(CAE)于2015年推出的国际开放存取期刊。其目的是提供一个高水平的平台,传播和分享工程研发的前沿进展、当前主要研究成果和关键成果;报告工程科学的进展,讨论工程发展的热点、兴趣领域、挑战和前景,在工程中考虑人与环境的福祉和伦理道德,鼓励具有深远经济和社会意义的工程突破和创新,使之达到国际先进水平,成为新的生产力,从而改变世界,造福人类,创造新的未来。 期刊链接:https://www.sciencedirect.com/journal/engineering
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