Wildland fires pose a terrifying natural hazard, underscoring the urgent need to develop data-driven and physics-informed digital twins for wildfire prevention, monitoring, intervention, and response. In this direction of research, this work introduces a physics-informed neural network (PiNN) designed to learn the unknown parameters of an interpretable wildfire spreading model. The considered modeling approach integrates fundamental physical laws articulated by key model parameters essential for capturing the complex behavior of wildfires. The proposed machine learning framework leverages the theory of artificial neural networks with the physical constraints governing wildfire dynamics, including the first principles of mass and energy conservation. Training of the PiNN for physics-informed parameter identification is realized using synthetic data on the spatiotemporal evolution of one- and two-dimensional firefronts, derived from a high-fidelity simulator, as well as empirical data (ground surface thermal images) from the Troy Fire that occurred on June 19, 2002, in California. The parameter learning results demonstrate the predictive ability of the proposed PiNN in uncovering the unknown coefficients of the wildfire model in one- and two-dimensional fire spreading scenarios as well as the Troy Fire. Additionally, this methodology exhibits robustness by identifying the same parameters even in the presence of noisy data. By integrating this PiNN approach into a comprehensive framework, the envisioned physics-informed digital twin will enhance intelligent wildfire management and risk assessment, providing a powerful tool for proactive and reactive strategies.


翻译:野火是一种令人恐惧的自然灾害,凸显了开发数据驱动和物理信息化的数字孪生系统以实现野火预防、监测、干预和响应的迫切需求。在此研究方向下,本文提出了一种基于物理信息的神经网络(PiNN),旨在学习一个可解释的野火蔓延模型中的未知参数。所考虑的建模方法整合了由关键模型参数阐述的基本物理定律,这些参数对于捕捉野火的复杂行为至关重要。所提出的机器学习框架将人工神经网络理论与支配野火动力学的物理约束相结合,包括质量和能量守恒的第一性原理。PiNN的训练用于基于物理信息的参数识别,其实现依赖于从高保真模拟器生成的一维和二维火锋时空演化的合成数据,以及来自2002年6月19日发生在加利福尼亚州的Troy火灾的经验数据(地表热成像)。参数学习结果表明,所提出的PiNN在一维和二维火蔓延场景以及Troy火灾中,具备揭示野火模型未知系数的预测能力。此外,该方法即使在存在噪声数据的情况下也能识别出相同的参数,从而展现出鲁棒性。通过将此PiNN方法整合到一个综合框架中,所设想的基于物理信息的数字孪生系统将提升智能野火管理和风险评估水平,为主动和被动策略提供有力工具。

0
下载
关闭预览

相关内容

神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
【AAAI2022】面向多标签分类的端到端概率标签特征学习
专知会员服务
32+阅读 · 2022年1月27日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
论文浅尝 | 利用 RNN 和 CNN 构建基于 FreeBase 的问答系统
开放知识图谱
11+阅读 · 2018年4月25日
详述DeepMind wavenet原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
12+阅读 · 2017年6月26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
3+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
0+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
Arxiv
0+阅读 · 2024年10月31日
VIP会员
相关VIP内容
【AAAI2022】面向多标签分类的端到端概率标签特征学习
专知会员服务
32+阅读 · 2022年1月27日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7月6日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
论文浅尝 | 利用 RNN 和 CNN 构建基于 FreeBase 的问答系统
开放知识图谱
11+阅读 · 2018年4月25日
详述DeepMind wavenet原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
12+阅读 · 2017年6月26日
相关基金
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
3+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
0+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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员