Recently, a class of machine learning methods called physics-informed neural networks (PINNs) has been proposed and gained great prevalence in solving various scientific computing problems. This approach enables the solution of partial differential equations (PDEs) via embedding physical laws into the loss function of neural networks. Many inverse problems can also be tackled by simply combining the data from real life scenarios with existing PINN algorithms. In this paper, we present a multi-task learning method to improve the training stability of PINNs for linear elastic inverse problems, and the homoscedastic uncertainty is introduced as a basis for weighting losses. Furthermore, we demonstrate an application of PINNs to a practical inverse problem in structural analysis: prediction of external loads of diverse engineering structures based on a limited number of displacement monitoring points. To this end, we first determine a simplified loading scenario at the offline stage. By setting unknown boundary conditions as learnable parameters, PINNs can predict the external loads applied to the structures with the support of enough measurement data. When it comes to the online stage in real engineering projects, transfer learning is employed to fine-tune the pre-trained model from offline stage. Our results show that, even with noisy gappy data, satisfactory results can still be obtained from the PINN model due to the dual regularization of physics laws and prior knowledge, which exhibits better robustness compared to traditional analysis methods. Our approach is capable of bridging the gap between various structures with geometric scaling and under different loading scenarios, and the convergence of training is also accelerated, thus making it possible for PINNs to be applied as surrogate models in actual engineering projects.


翻译:最近,提出了一套称为物理知情神经网络(PINNs)的机器学习方法,在解决各种科学计算问题时,这些方法在解决各种科学计算问题时获得了很大的普及性。这一方法通过将物理定律嵌入神经网络的损失功能,使部分差异方程式(PDEs)得以解决部分差异方程(PDEs)。许多反面问题也可以通过简单地将真实生活情景的数据与现有的PINN算法结合起来来解决。在本文中,我们提出了一个多任务学习方法,以改善PINNs对线性趋近性问题的培训稳定性,同时将同质不确定性不确定性不确定性作为加权损失的基础。此外,我们展示了将PINs应用于结构性分析中一个实用的反向问题:根据有限的迁移监测点预测不同工程结构的外部负荷。我们首先在离线性阶段确定一个简化的装载情景。通过将未知的边界条件设定为可学习的参数,PINNs可以预测在结构中应用的外部负荷,同时支持足够的测距数据。当它进入实际工程模型的在线阶段时,将PINSility Strial Studal Studal 学习结果用于我们之前的精确数据项目。

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《工程》是中国工程院(CAE)于2015年推出的国际开放存取期刊。其目的是提供一个高水平的平台,传播和分享工程研发的前沿进展、当前主要研究成果和关键成果;报告工程科学的进展,讨论工程发展的热点、兴趣领域、挑战和前景,在工程中考虑人与环境的福祉和伦理道德,鼓励具有深远经济和社会意义的工程突破和创新,使之达到国际先进水平,成为新的生产力,从而改变世界,造福人类,创造新的未来。 期刊链接:https://www.sciencedirect.com/journal/engineering
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