We present a ''physics-enhanced deep-surrogate'' (''PEDS'') approach towards developing fast surrogate models for complex physical systems, which is described by partial differential equations (PDEs) and similar models. Specifically, a unique combination of a low-fidelity, explainable physics simulator and a neural network generator is proposed, which is trained end-to-end to globally match the output of an expensive high-fidelity numerical solver. We consider low-fidelity models derived from coarser discretizations and/or by simplifying the physical equations, which are several orders of magnitude faster than a high-fidelity ''brute-force'' PDE solver. The neural network generates an approximate input, which is adaptively mixed with a downsampled guess and fed into the low-fidelity simulator. In this way, by incorporating the limited physical knowledge from the differentiable low-fidelity model ''layer'', we ensure that the conservation laws and symmetries governing the system are respected by the design of our hybrid system. Experiments on three test problems -- diffusion, reaction-diffusion, and electromagnetic scattering models -- show that a PEDS surrogate can be up to 3$\times$ more accurate than a ''black-box'' neural network with limited data ($\approx 10^3$ training points), and reduces the data needed by at least a factor of 100 for a target error of $5\%$, comparable to fabrication uncertainty. PEDS even appears to learn with a steeper asymptotic power law than black-box surrogates. In summary, PEDS provides a general, data-driven strategy to bridge the gap between a vast array of simplified physical models with corresponding brute-force numerical solvers, offering accuracy, speed, data efficiency, as well as physical insights into the process.


翻译:我们提出了一个“ 物理增强” 的“ 物理增强的深表面解析器 ” (“ PEDS ” ) 方法, 用于为复杂的物理系统开发快速代谢模型, 以部分差异方程式( PDEs ) 和类似的模型来描述。 具体地说, 提出了一种独特的组合, 包括低纤维性、 可解释的物理模拟器和神经网络生成器, 这是一种经过训练的端对端方法, 以匹配昂贵的高纤维数字解析器的输出。 我们考虑的是, 由分解离散和( ) 简化物理方程式产生的低纤维模型。 相对保守性模型的低纤维化模型和( ) 简化物理方程式产生的低纤维化模型模型模型, 等一些数量级的不确定性, 比高纤维化“ bright- Formations” 更快, 网络生成了一个大概的组合输入器, 以更低纤维化的猜测和低纤维化数据流流化数据, 以不同货币的物理知识作为基础, 我们确保保存法和最接近的内值的内值的内基数据, 的内基- 流数据在运行中, 测试系统上, 测试中, 需要一个更精确的系统, 将一个更精确的内化数据到更精确的内基化数据到更能的内化数据到更精确的系统,, 以显示的系统, 的内化数据到更能的内化数据, 的内化数据, 演示到更能到更能到更能 。

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