Physics-Infused Machine Learning (PIML) architectures aim at integrating machine learning with computationally-efficient, low-fidelity (partial) physics models, leading to improved generalizability, extrapolability, and robustness to noise, compared to pure data-driven approximation models. Recently a new PIML architecture was reported by the same authors, known as Opportunistic Physics-mining Transfer Mapping Architecture or OPTMA, which transfers the original inputs into latent features using a transfer neural network; the partial physics model then uses the latent features to generate the final output that is as close as possible to the high-fidelity output. While gradient-free solvers and back-propagation with supervised learning was earlier used to train OPTMA, that approach is computationally inefficient and challenging to generalize across different problems or popular ML implementations. This paper aims to alleviate these issues by infusing the partial physics model inside the neural network, as described via tensors in the popular ML framework, PyTorch. Such a description also naturally allows auto-differentiation (AD) of the partial physics model, thereby enabling the use of efficient back-propagation methods to train the transfer network. The benefits of the upgraded OPTMA architecture with AD (OPTMA-Net) is demonstrated by applying it to the problem of modeling the sound pressure field created by a hovering unmanned aerial vehicle (UAV). Ground truth data for this problem was obtained from an indoor UAV noise measurement setup. Here, the partial physics model is based on the interference of acoustic pressure waves generated by an arbitrary number of acoustic monopole sources. Case studies show that OPTMA-Net provides generalization performance close to, and extrapolation performance that is 4 times better than, those given by a pure data-driven model.


翻译:机器学习(PIML)架构旨在将机器学习与计算效率高、低不忠(部分)物理模型相结合,从而与纯数据驱动的近似模型相比,提高通用性能、外推性和对噪音的稳健性。最近,同一批作者(称为“机会物理采矿转移绘图架构 ” 或 OTPMA ) 报告了一个新的PIML架构,它们利用一个传输神经网络,将原始输入转移到潜在特征中;部分物理模型然后利用潜在特征生成尽可能接近高不忠诚(部分)物理模型的最终输出。虽然早些时候,在培训ALMMA时使用了无梯度的解析和对噪音的反演进,但这一方法在计算时效率上效率低且具有挑战性,将不同的问题或广受欢迎的 ML实施。 本文的目的是通过在神经网络内应用部分物理模型的变压模型,即PyTorrircht;这种描述自然也使得部分物理模型的自动解析(ADAD) 部分物理模型,从而能够使用无梯流流流流的流压(通过升级的AS-OFAL-Olalalalalalalalalalalalalalalalation) 时间来提供一种自动测试数据测试系统的测试的测试结果。

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