Deep neural networks (DNNs) are often coupled with physics-based models or data-driven surrogate models to perform fault detection and health monitoring of systems in the low data regime. These models serve as digital twins to generate large quantities of data to train DNNs which would otherwise be difficult to obtain from the real-life system. However, such models can exhibit parametric uncertainty that propagates to the generated data. In addition, DNNs exhibit uncertainty in the parameters learnt during training. In such a scenario, the performance of the DNN model will be influenced by the uncertainty in the physics-based model as well as the parameters of the DNN. In this article, we quantify the impact of both these sources of uncertainty on the performance of the DNN. We perform explicit propagation of uncertainty in input data through all layers of the DNN, as well as implicit prediction of output uncertainty to capture the former. Furthermore, we adopt Monte Carlo dropout to capture uncertainty in DNN parameters. We demonstrate the approach for fault detection of power lines with a physics-based model, two types of input data and three different neural network architectures. We compare the performance of such uncertainty-aware probabilistic models with their deterministic counterparts. The results show that the probabilistic models provide important information regarding the confidence of predictions, while also delivering an improvement in performance over deterministic models.


翻译:深度神经网络(DNNs)常与基于物理的模型或数据驱动的代理模型相结合,以在低数据条件下执行系统的故障检测与健康监控。这些模型作为数字孪生体生成大量数据来训练DNNs,而这类数据若依赖真实系统则难以获取。然而,此类模型可能存在参数不确定性,并传播至生成的数据中。此外,DNNs在训练过程中习得的参数本身也具有不确定性。在此情境下,DNN模型的性能将同时受到基于物理模型的不确定性与自身参数不确定性的影响。本文量化了这两种不确定性来源对DNN性能的影响:一方面通过显式地将输入数据的不确定性经DNN所有层进行传播,并隐式预测输出不确定性以捕捉前者;另一方面采用蒙特卡洛 dropout(Monte Carlo dropout)来捕捉DNN参数的不确定性。我们以电力线路故障检测为例,基于一个物理模型、两种输入数据类型及三种不同神经网络架构演示了该方法,并将此类不确定性感知概率模型与确定性模型的性能进行了对比。结果表明,概率模型不仅提供了关于预测置信度的重要信息,还比确定性模型展现了更优的性能表现。

0
下载
关闭预览

相关内容

[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6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
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
【泡泡一分钟】基于运动估计的激光雷达和相机标定方法
泡泡机器人SLAM
25+阅读 · 2019年1月17日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
11+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
30+阅读 · 2021年7月7日
A Comprehensive Survey on Transfer Learning
Arxiv
121+阅读 · 2019年11月7日
Arxiv
53+阅读 · 2018年12月11日
VIP会员
最新内容
深入Project Maven:为何人工智能在战场上依然失灵
专知会员服务
3+阅读 · 48分钟前
锻造未来士兵:外骨骼、基因工程与赛博格
专知会员服务
0+阅读 · 57分钟前
《无人机蜂群通信技术研究》50页
专知会员服务
4+阅读 · 今天14:55
战力倍增器:自主武器系统与乌克兰及加沙冲突
人工智能赋能战场情报:提速决策进程
专知会员服务
3+阅读 · 7月17日
《拥抱新兴技术:面向未来军官的教育革新》
专知会员服务
7+阅读 · 7月17日
相关VIP内容
[综述]深度学习下的场景文本检测与识别
专知会员服务
78+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6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
IEEE | DSC 2019诚邀稿件 (EI检索)
Call4Papers
10+阅读 · 2019年2月25日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
【泡泡一分钟】基于运动估计的激光雷达和相机标定方法
泡泡机器人SLAM
25+阅读 · 2019年1月17日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
相关基金
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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
11+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员