There is growing interest in using machine learning (ML) methods for structural metamodeling due to the substantial computational cost of traditional simulations. Purely data-driven strategies often face limitations in model robustness, interpretability, and dependency on extensive data. To address these challenges, this paper introduces a novel physics-informed machine learning (PiML) method that integrates scientific principles and physical laws into deep neural networks to model seismic responses of nonlinear structures. The approach constrains the ML model's solution space within known physical bounds through three main features: dimensionality reduction via combined model order reduction and wavelet analysis, long short-term memory (LSTM) networks, and Newton's second law. Dimensionality reduction addresses structural systems' redundancy and boosts efficiency while extracting essential features through wavelet analysis. LSTM networks capture temporal dependencies for accurate time-series predictions. Manipulating the equation of motion helps learn system nonlinearities and confines solutions within physically interpretable results. These attributes allow for model training with sparse data, enhancing accuracy, interpretability, and robustness. Furthermore, a dataset of archetype steel moment resistant frames under seismic loading, available in the DesignSafe-CI Database [1], is considered for evaluation. The resulting metamodel handles complex data better than existing physics-guided LSTM models and outperforms other non-physics data-driven networks.


翻译:由于传统模拟计算成本高昂,利用机器学习方法构建结构元模型日益受到关注。纯数据驱动策略往往面临模型鲁棒性、可解释性不足以及依赖海量数据等问题。为应对这些挑战,本文提出了一种新型基于物理信息的机器学习方法,将科学原理与物理定律融入深度神经网络,以模拟非线性结构的地震响应。该方法通过三大核心特征将机器学习模型的解空间约束在已知物理边界内:结合模型降阶与小波分析的降维技术、长短期记忆网络及牛顿第二定律。降维技术通过小波分析提取关键特征,降低结构系统冗余性并提升效率;LSTM网络捕获时序依赖关系以实现精准时间序列预测;对运动方程的操控有助于学习系统非线性并确保解具有物理可解释性。这些特性使得模型仅需稀疏数据即可训练,同时提升精度、可解释性与鲁棒性。此外,本研究采用DesignSafe-CI数据库[1]中地震荷载作用下标准钢框架结构数据集进行评估。结果表明,与现有物理引导型LSTM模型及其他非物理数据驱动网络相比,该元模型能更有效处理复杂数据。

0
下载
关闭预览

相关内容

机器学习(Machine Learning)是一个研究计算学习方法的国际论坛。该杂志发表文章,报告广泛的学习方法应用于各种学习问题的实质性结果。该杂志的特色论文描述研究的问题和方法,应用研究和研究方法的问题。有关学习问题或方法的论文通过实证研究、理论分析或与心理现象的比较提供了坚实的支持。应用论文展示了如何应用学习方法来解决重要的应用问题。研究方法论文改进了机器学习的研究方法。所有的论文都以其他研究人员可以验证或复制的方式描述了支持证据。论文还详细说明了学习的组成部分,并讨论了关于知识表示和性能任务的假设。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ml/
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
35+阅读 · 2021年1月27日
Arxiv
18+阅读 · 2019年3月28日
Arxiv
15+阅读 · 2018年2月4日
VIP会员
最新内容
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
0+阅读 · 30分钟前
加沙、乌克兰和伊朗冲突:人工智能如何改变冲突
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
5+阅读 · 6月9日
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
7+阅读 · 6月9日
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
5+阅读 · 6月9日
《美空军条令出版物 4-0,维持》
专知会员服务
5+阅读 · 6月9日
《基于仿真的空军任务规划优化》
专知会员服务
4+阅读 · 6月9日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员