In this work, we propose a new Gaussian process regression (GPR) method: physics information aided Kriging (PhIK). In the standard data-driven Kriging, the unknown function of interest is usually treated as a Gaussian process with assumed stationary covariance with hyperparameters estimated from data. In PhIK, we compute the mean and covariance function from realizations of available stochastic models, e.g., from realizations of governing stochastic partial differential equations solutions. Such constructed Gaussian process generally is non-stationary, and does not assume a specific form of the covariance function. Our approach avoids the optimization step in data-driven GPR methods to identify the hyperparameters. More importantly, we prove that the physical constraints in the form of a deterministic linear operator are guaranteed in the resulting prediction. We also provide an error estimate in preserving the physical constraints when errors are included in the stochastic model realizations. To reduce the computational cost of obtaining stochastic model realizations, we propose a multilevel Monte Carlo estimate of the mean and covariance functions. Further, we present an active learning algorithm that guides the selection of additional observation locations. The efficiency and accuracy of PhIK are demonstrated for reconstructing a partially known modified Branin function, studying a three-dimensional heat transfer problem and learning a conservative tracer distribution from sparse concentration measurements.


翻译:在这项工作中,我们提出了一个新的高斯进程回归(GPR)方法:物理信息帮助了克里金(PhIK) 。在标准的数据驱动克里金(PhIK) 中,关注的未知功能通常被视为高斯进程,假设与数据估计的超参数存在固定的共差。在PhIK 中,我们从现有随机模型的实现中计算出从现有随机模型实现的中值和共差函数,例如,从对随机偏差部分差异方程解决方案的实现中得出的物理和共差函数。这种构建的高斯进程一般是非静止的,不采取特定形式的共变差函数。在数据驱动的GPR方法中,我们的方法避免了数据驱动GPR方法的优化步骤,以识别超参数。更重要的是,我们证明,在由此得出的预测中,以确定性线操作者为形式的物理限制得到了保障。我们还提供了在将错误包含在随机偏差模型实现中时保留物理制约的错误估计。为了降低获得随机模型实现的计算成本,并且不采取特定形式的共差差差函数。我们建议了一个多层次的精确度观测功能,我们建议了一个用于学习中程的高级的精确度的精确度评估。

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