Despite the immense success of neural networks in modeling system dynamics from data, they often remain physics-agnostic black boxes. In the particular case of physical systems, they might consequently make physically inconsistent predictions, which makes them unreliable in practice. In this paper, we leverage the framework of Irreversible port-Hamiltonian Systems (IPHS), which can describe most multi-physics systems, and rely on Neural Ordinary Differential Equations (NODEs) to learn their parameters from data. Since IPHS models are consistent with the first and second principles of thermodynamics by design, so are the proposed Physically Consistent NODEs (PC-NODEs). Furthermore, the NODE training procedure allows us to seamlessly incorporate prior knowledge of the system properties in the learned dynamics. We demonstrate the effectiveness of the proposed method by learning the thermodynamics of a building from the real-world measurements and the dynamics of a simulated gas-piston system. Thanks to the modularity and flexibility of the IPHS framework, PC-NODEs can be extended to learn physically consistent models of multi-physics distributed systems.


翻译:尽管神经网络在数据模拟系统动态方面取得了巨大成功,但它们往往仍然是物理-不可知黑盒,在物理系统的特殊情况下,它们可能因此作出物理上不一致的预测,从而使其在实践中不可靠。在本文件中,我们利用可逆港口-Hamiltonian系统(IPHS)的框架,这个框架可以描述大多数多物理系统,并依靠神经普通差异等同系统从数据中学习参数。由于IPHS模型设计符合热动力学的第一和第二原则,拟议的物理上一致的NODs(PC-NODs)也是这样。此外,NODE培训程序使我们能够在所学的动态中无缝地纳入对系统属性的先前知识。我们通过从现实世界的测量和模拟气孔系统的动态中学习建筑物的热力学,展示了拟议方法的有效性。由于IPHS框架的模块性和灵活性,PC-NODs可以扩展为学习多物理分布系统的物理上一致模型。

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