In this paper, we propose physics-informed neural operators (PINO) that uses available data and/or physics constraints to learn the solution operator of a family of parametric Partial Differential Equation (PDE). This hybrid approach allows PINO to overcome the limitations of purely data-driven and physics-based methods. For instance, data-driven methods fail to learn when data is of limited quantity and/or quality, and physics-based approaches fail to optimize on challenging PDE constraints. By combining both data and PDE constraints, PINO overcomes all these challenges. Additionally, a unique property that PINO enjoys over other hybrid learning methods is its ability to incorporate data and PDE constraints at different resolutions. This allows us to combine coarse-resolution data, which is inexpensive to obtain from numerical solvers, with higher resolution PDE constraints, and the resulting PINO has no degradation in accuracy even on high-resolution test instances. This discretization-invariance property in PINO is due to neural-operator framework which learns mappings between function spaces and allows evaluation at different resolutions without the need for re-training. Moreover, PINO succeeds in the purely physics setting, where no data is available, while other approaches such as the Physics-Informed Neural Network (PINN) fail due to optimization challenges, e.g. in multi-scale dynamic systems such as Kolmogorov flows. This is because PINO learns the solution operator by optimizing PDE constraints on multiple instances while PINN optimizes PDE constraints of a single PDE instance. Further, in PINO, we incorporate the Fourier neural operator (FNO) architecture which achieves orders-of-magnitude speedup over numerical solvers and also allows us to compute explicit gradients on function spaces efficiently.


翻译:在本文中,我们建议使用现有数据和/或物理限制的物理知情神经操作员(PINO)使用现有数据和/或物理限制来学习模拟部分差异方程(PDE)的解决方案操作员。这种混合方法使PINO能够克服纯数据驱动和物理基础方法的局限性。例如,当数据数量和/或质量有限时,数据驱动方法无法学习,而物理基础方法无法最佳地克服PDE的限制。通过将数据与PDE制约结合起来,PINO克服了所有这些挑战。此外,PINO在其他混合学习方法中享有的独特属性是它能够将数据和PDE限制纳入不同分辨率组的解决方案操作员。这使我们能够将从数字解决方案中获得的低廉的GOIS数据与PDE限制结合起来。因此,PINOI在高分辨率测试中不会降低准确性。PINOI的这种离散性-不均匀性属性是用来学习功能空间之间的绘图和允许对不同分辨率的评估,而无需再加固化的运行者则可以使用PI- 。此外, PNOI 将数据运行者将数据流转化为系统进行更精确的运行,因为SFILILI 的系统会进行更精确的运行,而无法再升级。

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