We introduce Universal Solution Manifold Network (USM-Net), a novel surrogate model, based on Artificial Neural Networks (ANNs), which applies to differential problems whose solution depends on physical and geometrical parameters. Our method employs a mesh-less architecture, thus overcoming the limitations associated with image segmentation and mesh generation required by traditional discretization methods. Indeed, we encode geometrical variability through scalar landmarks, such as coordinates of points of interest. In biomedical applications, these landmarks can be inexpensively processed from clinical images. Our approach is non-intrusive and modular, as we select a data-driven loss function. The latter can also be modified by considering additional constraints, thus leveraging available physical knowledge. Our approach can also accommodate a universal coordinate system, which supports the USM-Net in learning the correspondence between points belonging to different geometries, boosting prediction accuracy on unobserved geometries. Finally, we present two numerical test cases in computational fluid dynamics involving variable Reynolds numbers as well as computational domains of variable shape. The results show that our method allows for inexpensive but accurate approximations of velocity and pressure, avoiding computationally expensive image segmentation, mesh generation, or re-training for every new instance of physical parameters and shape of the domain.


翻译:我们引入了基于人工神经网络(ANNS)的新型替代模型(USM-Net),即通用溶解元件网络(USM-Net),这是一个基于人工神经网络(ANNS)的新替代模型,适用于不同问题,其解决办法取决于物理和几何参数。我们的方法使用一个无网状结构,从而克服传统离散方法所要求的图像分割和网形生成的限制。事实上,我们通过标标标标(如利益点的坐标)来编码几何变异性。在生物医学应用中,这些里程碑可以用临床图像进行廉价处理。我们的方法是非侵入性和模块化的,因为我们选择了数据驱动的损失功能。后者也可以通过考虑额外的制约因素来修改,从而利用现有的物理知识。我们的方法还可以容纳一个通用的协调系统,支持USM-Net学习属于不同地理分布的点之间的对应关系,提高未观测到的地理模型的预测准确性。最后,我们提出了两个数字测试案例,涉及可变的Reynz数字,以及可计算形状的域。结果表明,我们的方法允许以价格但准确的物理结构的每部位数缩缩略度计算,以及避免图像的物理段的计算。

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