In this paper, we propose a probabilistic physics-guided framework, termed Physics-guided Deep Markov Model (PgDMM). The framework is especially targeted to the inference of the characteristics and latent structure of nonlinear dynamical systems from measurement data, where it is typically intractable to perform exact inference of latent variables. A recently surfaced option pertains to leveraging variational inference to perform approximate inference. In such a scheme, transition and emission functions of the system are parameterized via feed-forward neural networks (deep generative models). However, due to the generalized and highly versatile formulation of neural network functions, the learned latent space is often prone to lack physical interpretation and structured representation. To address this, we bridge physics-based state space models with Deep Markov Models, thus delivering a hybrid modeling framework for unsupervised learning and identification for nonlinear dynamical systems. Specifically, the transition process can be modeled as a physics-based model enhanced with an additive neural network component, which aims to learn the discrepancy between the physics-based model and the actual dynamical system being monitored. The proposed framework takes advantage of the expressive power of deep learning, while retaining the driving physics of the dynamical system by imposing physics-driven restrictions on the side of the latent space. We demonstrate the benefits of such a fusion in terms of achieving improved performance on illustrative simulation examples and experimental case studies of nonlinear systems. Our results indicate that the physics-based models involved in the employed transition and emission functions essentially enforce a more structured and physically interpretable latent space, which is essential to generalization and prediction capabilities.


翻译:在本文中,我们提出了一个概率物理指导框架,称为物理引导深马可夫模型(PgDMM),这一框架特别着眼于从测量数据中推断非线性动态系统的特点和潜在结构,从测量数据中推断出非线性动态系统的特征和潜在结构,通常很难精确地推断潜在变量。最近浮现的一个选项涉及利用变异推导法来进行近似推导。在这样一个计划中,该系统的过渡和排放功能通过进料前神经网络(深基因模型)进行参数化。然而,由于神经网络功能的通用和高度灵活配置,所学的潜伏空间往往容易缺乏物理解释和结构化代表。为了解决这一问题,我们将基于物理的空间模型与深马可夫模型进行连接,从而为非线性动态动态系统提供混合模型框架。具体地说,过渡过程可以通过基于物理模型的强化的神经网络组件进行模拟,目的是了解基于物理模型与实际动态网络系统之间的差异,因此,所学的潜在潜在潜在空间变化功能往往缺乏物理解释,而我们所观测到的潜质物理学的动态系统,因此,我们所设计的动力动力动力动力学系统将获得的精确解释。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
专知会员服务
28+阅读 · 2021年8月2日
最新《几何深度学习》教程,100页ppt,Geometric Deep Learning
专知会员服务
100+阅读 · 2020年7月16日
深度强化学习策略梯度教程,53页ppt
专知会员服务
178+阅读 · 2020年2月1日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
152+阅读 · 2019年10月12日
论文浅尝 | GMNN: Graph Markov Neural Networks
开放知识图谱
20+阅读 · 2020年2月14日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
28+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
COLING 2018-最新论文最全分类-整理分享
深度学习与NLP
6+阅读 · 2018年7月6日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
强化学习 cartpole_a3c
CreateAMind
9+阅读 · 2017年7月21日
Arxiv
30+阅读 · 2021年7月7日
Optimization for deep learning: theory and algorithms
Arxiv
104+阅读 · 2019年12月19日
Arxiv
5+阅读 · 2018年5月31日
VIP会员
相关VIP内容
相关资讯
论文浅尝 | GMNN: Graph Markov Neural Networks
开放知识图谱
20+阅读 · 2020年2月14日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
28+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
COLING 2018-最新论文最全分类-整理分享
深度学习与NLP
6+阅读 · 2018年7月6日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Auto-Encoding GAN
CreateAMind
7+阅读 · 2017年8月4日
强化学习族谱
CreateAMind
26+阅读 · 2017年8月2日
强化学习 cartpole_a3c
CreateAMind
9+阅读 · 2017年7月21日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员