Hybrid Analysis and Modeling (HAM) is an emerging modeling paradigm which aims to combine physics-based modeling (PBM) and data-driven modeling (DDM) to create generalizable, trustworthy, accurate, computationally efficient and self-evolving models. Here, we introduce, justify and demonstrate a novel approach to HAM -- the Corrective Source Term Approach (CoSTA) -- which augments the governing equation of a PBM model with a corrective source term generated by a deep neural network (DNN). In a series of numerical experiments on one-dimensional heat diffusion, CoSTA is generally found to outperform comparable DDM and PBM models in terms of accuracy -- often reducing predictive errors by several orders of magnitude -- while also generalizing better than pure DDM. Due to its flexible but solid theoretical foundation, CoSTA provides a modular framework for leveraging novel developments within both PBM and DDM, and due to the interpretability of the DNN-generated source term within the PBM paradigm, CoSTA can be a potential door-opener for data-driven techniques to enter high-stakes applications previously reserved for pure PBM.


翻译:混合分析和建模(HAM)是一个新兴的模型模式,旨在将基于物理的模型(PBM)和数据驱动模型(DDM)结合起来,以创建通用的、可信赖的、准确的、计算高效的和自我演化的模式。在这里,我们引入、论证和展示一种新颖的HAM方法 -- -- 纠正源代码周期方法(CoSTA) -- -- 以深层神经网络生成的纠正源术语来强化PBM模型的治理方程式。 在关于单维热扩散的一系列数字实验中,CSTA通常在准确性方面优于可比较的DDM和PBM模型(DM)的模型 -- -- 往往将预测错误减少若干数量级 -- -- 同时也比纯DDDM更好。 CoSTA由于灵活而牢固的理论基础,为利用PBM和DDMM的新开发提供了模块,并且由于DNN所生成的源术语在PBM模式中可解释性,CSTA可以成为数据驱动技术进入以前保留用于纯PBM的高级应用的高级技术的门开关。

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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/
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