We present a "physics-enhanced deep-surrogate ("PEDS") approach towards developing fast surrogate models for complex physical systems described by partial differential equations (PDEs) and similar models: we show how to combine a low-fidelity "coarse" solver with a neural network that generates "coarsified'' inputs, trained end-to-end to globally match the output of an expensive high-fidelity numerical solver. In this way, by incorporating limited physical knowledge in the form of the low-fidelity model, we find that a PEDS surrogate can be trained with at least $\sim 10\times$ less data than a "black-box'' neural network for the same accuracy. Asymptotically, PEDS appears to learn with a steeper power law than black-box surrogates, and benefits even further when combined with active learning. We demonstrate feasibility and benefit of the proposed approach by using an example problem in electromagnetic scattering that appears in the design of optical metamaterials.


翻译:我们提出了一种“物理增强的深层覆盖(PEDS)”方法,用于开发由部分差异方程(PDEs)和类似模型描述的复杂物理系统快速替代模型:我们展示了如何将低纤维“粗皮”求解器与产生“凝固”投入的神经网络相结合,经过培训的端到端与全球匹配昂贵的高纤维数字求解器的输出。通过采用这种方式,以低纤维模型的形式纳入有限的物理知识,我们发现PEDS代孕可以至少用低于“黑盒”神经网络的数据来进行10倍的培训,以同样准确性为单位。从理论上看,PEDS似乎以比黑盒子的超固化器法更深的法学习,如果与积极学习相结合,甚至更进一步受益。我们通过在设计光学元材料时使用电磁散布中出现的问题来证明拟议方法的可行性和益处。

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在科学,计算和工程学中,黑盒是一种设备,系统或对象,可以根据其输入和输出(或传输特性)对其进行查看,而无需对其内部工作有任何了解。 它的实现是“不透明的”(黑色)。 几乎任何事物都可以被称为黑盒:晶体管,引擎,算法,人脑,机构或政府。为了使用典型的“黑匣子方法”来分析建模为开放系统的事物,仅考虑刺激/响应的行为,以推断(未知)盒子。 该黑匣子系统的通常表示形式是在该方框中居中的数据流程图。黑盒的对立面是一个内部组件或逻辑可用于检查的系统,通常将其称为白盒(有时也称为“透明盒”或“玻璃盒”)。
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