This work is the first to employ and adapt the image-to-image translation concept based on conditional generative adversarial networks (cGAN) towards learning a forward and an inverse solution operator of partial differential equations (PDEs). Even though the proposed framework could be applied as a surrogate model for the solution of any PDEs, here we focus on steady-state solutions of coupled hydro-mechanical processes in heterogeneous porous media. Strongly heterogeneous material properties, which translate to the heterogeneity of coefficients of the PDEs and discontinuous features in the solutions, require specialized techniques for the forward and inverse solution of these problems. Additionally, parametrization of the spatially heterogeneous coefficients is excessively difficult by using standard reduced order modeling techniques. In this work, we overcome these challenges by employing the image-to-image translation concept to learn the forward and inverse solution operators and utilize a U-Net generator and a patch-based discriminator. Our results show that the proposed data-driven reduced order model has competitive predictive performance capabilities in accuracy and computational efficiency as well as training time requirements compared to state-of-the-art data-driven methods for both forward and inverse problems.


翻译:这项工作首先采用和调整基于有条件的基因对抗网络(cGAN)的图像到图像翻译概念,以学习部分差异方程式(PDE)的前方和反反方解决方案操作员。 尽管拟议的框架可以用作解决任何PDE的代用模型,但我们在此侧重于在多孔多孔的媒体中采用混合水力-机械工艺的稳态解决方案。强大的差异化物质特性将PDE系数和解决方案中不连续的特征转化成异质性,需要为这些问题的前方和反面解决方案提供专门技术。此外,使用标准的减少顺序模型技术,空间差异系数的超异化非常困难。在这项工作中,我们通过采用图像到图像转换概念来学习前方和反面解决方案操作员,并利用U-网络生成器和偏差式歧视器,克服了这些挑战。我们的结果显示,拟议的由数据驱动的减少顺序模型在准确性和计算效率方面具备有竞争力的预测性性能,并且与前方数据驱动方法和前向数据驱动方法相比,也是培训时间要求。

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