Complex dynamical systems are notoriously difficult to model because some degrees of freedom (e.g., small scales) may be computationally unresolvable or are incompletely understood, yet they are dynamically important. For example, the small scales of cloud dynamics and droplet formation are crucial for controlling climate, yet are unresolvable in global climate models. Semi-empirical closure models for the effects of unresolved degrees of freedom often exist and encode important domain-specific knowledge. Building on such closure models and correcting them through learning the structural errors can be an effective way of fusing data with domain knowledge. Here we describe a general approach, principles, and algorithms for learning about structural errors. Key to our approach is to include structural error models inside the models of complex systems, for example, in closure models for unresolved scales. The structural errors then map, usually nonlinearly, to observable data. As a result, however, mismatches between model output and data are only indirectly informative about structural errors, due to a lack of labeled pairs of inputs and outputs of structural error models. Additionally, derivatives of the model may not exist or be readily available. We discuss how structural error models can be learned from indirect data with derivative-free Kalman inversion algorithms and variants, how sparsity constraints enforce a "do no harm" principle, and various ways of modeling structural errors. We also discuss the merits of using non-local and/or stochastic error models. In addition, we demonstrate how data assimilation techniques can assist the learning about structural errors in non-ergodic systems. The concepts and algorithms are illustrated in two numerical examples based on the Lorenz-96 system and a human glucose-insulin model.


翻译:复杂动力系统因其部分自由度(如小尺度过程)可能计算上不可解析或未被完全理解,却具有重要动力学意义而 notoriously 难以建模。例如,云动力学和液滴形成的小尺度过程对气候调控至关重要,但在全球气候模型中无法解析。针对未解析自由度影响的半经验闭合模型通常已存在,并编码了重要的领域特定知识。基于此类闭合模型,通过学习结构误差对其进行修正,可成为融合数据与领域知识的有效途径。本文阐述了一种学习结构误差的通用方法、原理与算法。我们方法的关键在于将结构误差模型内置于复杂系统模型中,例如置于未解析尺度的闭合模型中。这些结构误差通常以非线性方式映射到可观测数据。然而,由于缺乏结构误差模型的输入-输出标签对,模型输出与数据之间的失配仅能间接反映结构误差信息。此外,模型的导数可能不存在或不易获取。我们讨论了如何利用无导数卡尔曼反演算法及其变体从间接数据中学习结构误差模型,稀疏性约束如何强化“不造成损害”原则,以及结构误差建模的多种方式。我们还探讨了使用非局部和/或随机误差模型的优势。此外,我们展示了数据同化技术如何辅助在非遍历系统中学习结构误差。相关概念与算法通过基于Lorenz-96系统和人体葡萄糖-胰岛素模型的两个数值算例进行了说明。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31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
47+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
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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年7月5日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
VIP会员
最新内容
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
4+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
6+阅读 · 6月9日
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
4+阅读 · 6月9日
《美空军条令出版物 4-0,维持》
专知会员服务
4+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
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31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
47+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
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
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员