The abundance of data has given machine learning considerable momentum in natural sciences and engineering, though modeling of physical processes is often difficult. A particularly tough problem is the efficient representation of geometric boundaries. Triangularized geometric boundaries are well understood and ubiquitous in engineering applications. However, it is notoriously difficult to integrate them into machine learning approaches due to their heterogeneity with respect to size and orientation. In this work, we introduce an effective theory to model particle-boundary interactions, which leads to our new Boundary Graph Neural Networks (BGNNs) that dynamically modify graph structures to obey boundary conditions. The new BGNNs are tested on complex 3D granular flow processes of hoppers, rotating drums and mixers, which are all standard components of modern industrial machinery but still have complicated geometry. BGNNs are evaluated in terms of computational efficiency as well as prediction accuracy of particle flows and mixing entropies. BGNNs are able to accurately reproduce 3D granular flows within simulation uncertainties over hundreds of thousands of simulation timesteps. Most notably, in our experiments, particles stay within the geometric objects without using handcrafted conditions or restrictions.


翻译:丰富的数据使机器在自然科学和工程学中学习了相当大的动力,尽管物理过程的建模往往是困难的。一个特别棘手的问题是几何边界的有效表示。在工程应用中,三角几何边界是广为人知和无处不在的。然而,由于在大小和方向方面的差异性,很难将它们纳入机器学习方法中。在这项工作中,我们引入了一种有效的理论来模拟粒子-边际相互作用,导致我们新的边界图神经网络(BGNNS)动态地修改图形结构以适应边界条件。新的BGNNS是用复杂的三维颗粒过程来测试的,这些过程都是现代工业机械的标准组成部分,但仍然具有复杂的几何等特征。BGNNS在计算效率以及粒子流动和混合的粒子的预测准确性方面得到了评估。BGNNS能够准确地复制在模拟数十万个模拟时间段的不确定性范围内的3D粒子流动。最明显的是,我们的实验中,粒子在不使用手造形限制的地球物体内。

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