The abundance of data has given machine learning considerable momentum in natural sciences and engineering, though modeling of physical processes is often difficult. A particularly tough problem is the efficient representation of geometric boundaries. Triangularized geometric boundaries are well understood and ubiquitous in engineering applications. However, it is notoriously difficult to integrate them into machine learning approaches due to their heterogeneity with respect to size and orientation. In this work, we introduce an effective theory to model particle-boundary interactions, which leads to our new Boundary Graph Neural Networks (BGNNs) that dynamically modify graph structures to obey boundary conditions. The new BGNNs are tested on complex 3D granular flow processes of hoppers, rotating drums and mixers, which are all standard components of modern industrial machinery but still have complicated geometry. BGNNs are evaluated in terms of computational efficiency as well as prediction accuracy of particle flows and mixing entropies. BGNNs are able to accurately reproduce 3D granular flows within simulation uncertainties over hundreds of thousands of simulation timesteps. Most notably, in our experiments, particles stay within the geometric objects without using handcrafted conditions or restrictions.


翻译:数据的丰富给机器学习带来了相当大的动力,尽管对物理过程的建模通常很困难。特别棘手的问题是几何边界的高效表示。三角化的几何边界在工程应用中被广泛理解和应用。然而,由于三角化几何边界在大小和方向上的异质性,将它们集成到机器学习方法中通常很困难。在这项工作中,我们引入了一种有效的理论来建模粒子边界相互作用,从而引发了我们新的Boundary Graph Neural Networks(BGNNs),它们通过动态修改图结构来遵守边界条件。新的BGNNs在广泛使用的三维颗粒流程领域中进行了测试,包括漏斗、旋转鼓和搅拌器,这些都是现代工业机械设计中的标准组件,但其几何形状非常复杂。我们评估了BGNNs在计算效率以及颗粒流动和混合熵预测精度方面的表现。在数十万次模拟时间步骤内,BGNNs能够准确地重现三维颗粒流,在不使用手工条件或限制的情况下,颗粒都保持在几何对象内部。

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