We develop a new Bayesian framework based on deep neural networks to be able to extrapolate in space-time using historical data and to quantify uncertainties arising from both noisy and gappy data in physical problems. Specifically, the proposed approach has two stages: (1) prior learning and (2) posterior estimation. At the first stage, we employ the physics-informed Generative Adversarial Networks (PI-GAN) to learn a functional prior either from a prescribed function distribution, e.g., Gaussian process, or from historical data and physics. At the second stage, we employ the Hamiltonian Monte Carlo (HMC) method to estimate the posterior in the latent space of PI-GANs. In addition, we use two different approaches to encode the physics: (1) automatic differentiation, used in the physics-informed neural networks (PINNs) for scenarios with explicitly known partial differential equations (PDEs), and (2) operator regression using the deep operator network (DeepONet) for PDE-agnostic scenarios. We then test the proposed method for (1) meta-learning for one-dimensional regression, and forward/inverse PDE problems (combined with PINNs); (2) PDE-agnostic physical problems (combined with DeepONet), e.g., fractional diffusion as well as saturated stochastic (100-dimensional) flows in heterogeneous porous media; and (3) spatial-temporal regression problems, i.e., inference of a marine riser displacement field. The results demonstrate that the proposed approach can provide accurate predictions as well as uncertainty quantification given very limited scattered and noisy data, since historical data could be available to provide informative priors. In summary, the proposed method is capable of learning flexible functional priors, and can be extended to big data problems using stochastic HMC or normalizing flows since the latent space is generally characterized as low dimensional.


翻译:我们以深层神经网络为基础开发一个新的贝雅斯框架,以便能够利用历史数据在空间时进行外推,并对物理问题中噪音和空白数据产生的不确定性进行量化。具体地说,拟议方法分为两个阶段:(1) 先前学习和(2) 后后期估计。在第一阶段,我们使用物理学知情神经网络(PI-GAN)从规定的函数分布(例如高萨进程)或历史数据与物理数据流(历史数据流)中学习功能。在第二阶段,我们使用汉密尔顿·蒙特卡洛(HMC)方法来估计PI-GANs潜在空间中噪音和空白数据产生的不确定性。我们使用两种不同的方法来编码物理:(1) 物理知情神经网络(PINNNS)使用自动区分,使用明确已知的部分差异方程式(PDE),以及(2) 操作者使用深度操作者网络(DeepONet) 提供PDE-直流,然后测试拟议的方法:(1) 元数据学习一维度回归,以及直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径直的数据流,自PDE数据流以来就具有历史数据流。

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