A digital twin is a computer model that represents an individual, for example, a component, a patient or a process. In many situations, we want to gain knowledge about an individual from its data while incorporating imperfect physical knowledge and also learn from data from other individuals. In this paper, we introduce and demonstrate a fully Bayesian methodology for learning between digital twins in a setting where the physical parameters of each individual are of interest. For each individual, the methodology is based on Bayesian calibration with model discrepancy. Through the discrepancy, modelled as a Gaussian process, the imperfect low-fidelity physical model is accounted for. Using ideas from Bayesian hierarchical models, a joint probabilistic model of digital twins is constructed by connecting them through a new level in the hierarchy. For the physical parameters, the methodology can be seen as using a prior distribution in the individual model that is the posterior of the corresponding hyperparameter in the joint model. For learning the imperfect physics between individuals two approaches are introduced, one that assumes the same discrepancy for all individuals and one that can be seen as using a prior learned from all individuals for the parameters of the Gaussian processes representing the discrepancies. Based on recent advances related to physics-informed priors, Hamiltonian Monte Carlo methods and using these for inverse problems we set up an inference methodology that allows our approach to be computational feasible also for physical models based on partial differential equations and individual data that are not aligned. The methodology is demonstrated in two synthetic case studies, a toy example previously used in the literature extended to more individuals and an example based on a cardiovascular differential equation model relevant for the treatment of hypertension.


翻译:数字双胞胎是一种代表个体的计算机模型,例如,一个组件、病人或一个过程。在许多情况下,我们希望从数据中获取有关个人的知识,同时纳入不完善的物理知识,并从其他个人的数据中学习。在本文中,我们引入并展示了一种完全巴伊西亚方法,用于在对每个人的物理参数感兴趣的环境中在数字双胞胎之间学习。对于每个人来说,该方法基于巴伊西亚校准和模型差异的校准。通过这种差异,以高萨进程为模型,计算出不完善的低菲性物理模型。利用巴伊西亚等级模型的理念,通过在结构结构中的新层次将双胞胎联合概率模型构建一个共同的概率模型。对于物理参数来说,该方法可以被视为使用个人模型的先前分布,该模型是联合模型中相应的超常度参数。对于两种方法来说,两种方法的不完美,一种是对所有个人的可行性差异的假设,一种是所有个人之前从个人学到的模型参数,在高亚氏等级的等级模型中,一种是使用我们之前采用的方法,一种更精确的模型,而我们用这些方法来理解之前的更精确的模型,在之前的计算方法中,一种是用来解释的。

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