Predictive simulations are essential for applications ranging from weather forecasting to material design. The veracity of these simulations hinges on their capacity to capture the effective system dynamics. Massively parallel simulations predict the systems dynamics by resolving all spatiotemporal scales, often at a cost that prevents experimentation. On the other hand, reduced order models are fast but often limited by the linearization of the system dynamics and the adopted heuristic closures. We propose a novel systematic framework that bridges large scale simulations and reduced order models to extract and forecast adaptively the effective dynamics (AdaLED) of multiscale systems. AdaLED employs an autoencoder to identify reduced-order representations of the system dynamics and an ensemble of probabilistic recurrent neural networks (RNNs) as the latent time-stepper. The framework alternates between the computational solver and the surrogate, accelerating learned dynamics while leaving yet-to-be-learned dynamics regimes to the original solver. AdaLED continuously adapts the surrogate to the new dynamics through online training. The transitions between the surrogate and the computational solver are determined by monitoring the prediction accuracy and uncertainty of the surrogate. The effectiveness of AdaLED is demonstrated on three different systems - a Van der Pol oscillator, a 2D reaction-diffusion equation, and a 2D Navier-Stokes flow past a cylinder for varying Reynolds numbers (400 up to 1200), showcasing its ability to learn effective dynamics online, detect unseen dynamics regimes, and provide net speed-ups. To the best of our knowledge, AdaLED is the first framework that couples a surrogate model with a computational solver to achieve online adaptive learning of effective dynamics. It constitutes a potent tool for applications requiring many expensive simulations.


翻译:预测性模拟对从天气预报到材料设计的应用至关重要。这些模拟的真实性取决于其捕捉到的有效系统动态。大规模并行模拟通过解决所有时空尺度来预测系统动态,但是往往代价高妨碍实验。另一方面,简化模型虽然快,但往往由于系统动态的线性化和采用启发式关闭而受限制。我们提出了一个新的系统框架,以建立大规模模拟和简化模型之间的桥梁,从而自适应地提取和预测多尺度系统的有效动态 (AdaLED)。AdaLED采用自动编码器来识别系统动态的简化表示,采用概率循环神经网络 (RNN) 的整体时间推进器。该框架在计算求解器和替代模型之间交替,通过在线训练不断适应新的动态。替代模型和计算求解器之间的转换是通过监测替代模型的预测准确性和不确定性来确定的。该文展示了AdaLED在三个不同系统上的有效性- Van der Pol 振荡器,二维反应扩散方程和二维在不同雷诺数(从400到1200)下通过柱形物体的Navier-Stokes流动,展示了其在线学习有效动态,检测未见过的动态区域并提供净加速的能力。据我们所知,AdaLED是第一个将替代模型和计算求解器结合在一起实现有效动态的在线自适应学习的框架。它构成了一种强大的工具,适用于需要大量昂贵模拟的应用。

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