Despite the high economic relevance of Foundation Industries, certain components like Reheating furnaces within their manufacturing chain are energy-intensive. Notable energy consumption reduction could be obtained by reducing the overall heating time in furnaces. Computer-integrated Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI) powered control systems in furnaces could be enablers in achieving the Net-Zero goals in Foundation Industries for sustainable manufacturing. In this work, due to the infeasibility of achieving good quality data in scenarios like reheating furnaces, classical Hottel's zone method based computational model has been used to generate data for ML and Deep Learning (DL) based model training via regression. It should be noted that the zone method provides an elegant way to model the physical phenomenon of Radiative Heat Transfer (RHT), the dominating heat transfer mechanism in high-temperature processes inside heating furnaces. Using this data, an extensive comparison among a wide range of state-of-the-art, representative ML and DL methods has been made against their temperature prediction performances in varying furnace environments. Owing to their holistic balance among inference times and model performance, DL stands out among its counterparts. To further enhance the Out-Of-Distribution (OOD) generalization capability of the trained DL models, we propose a Physics-Informed Neural Network (PINN) by incorporating prior physical knowledge using a set of novel Energy-Balance regularizers. Our setup is a generic framework, is geometry-agnostic of the 3D structure of the underlying furnace, and as such could accommodate any standard ML regression model, to serve as a Digital Twin of the underlying physical processes, for transitioning Foundation Industries towards Industry 4.0.


翻译:尽管基础工业具有很高的经济重要性,但其制造链中的某些组件(如加热炉)是能源密集型的。通过减少炉内的整体加热时间,可以显著降低能源消耗。计算机集成的机器学习(ML)和人工智能(AI)驱动的炉内控制系统,有望帮助基础工业实现可持续制造的净零排放目标。在本研究中,由于在加热炉等场景中难以获得高质量数据,我们采用基于经典Hottel区域法的计算模型来生成数据,用于通过回归训练基于机器学习(ML)和深度学习(DL)的模型。需要注意的是,区域法提供了一种优雅的方式来模拟辐射传热(RHT)这一物理现象,而辐射传热是加热炉高温过程中的主导传热机制。利用这些数据,我们对广泛的最先进代表性机器学习和深度学习方法在不同炉内环境下的温度预测性能进行了全面比较。由于在推理时间和模型性能之间取得了整体平衡,深度学习在同类方法中脱颖而出。为了进一步增强训练好的深度学习模型在分布外(OOD)泛化能力,我们提出了一种物理信息神经网络(PINN),通过使用一组新颖的能量平衡正则化器将先验物理知识融入其中。我们的框架是一个通用框架,与底层炉体的三维结构几何无关,因此可以容纳任何标准机器学习回归模型,作为底层物理过程的数字孪生,推动基础工业向工业4.0转型。

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/
Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
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
【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
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
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29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
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26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
3+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
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
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
3+阅读 · 今天14:33
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
5+阅读 · 今天6:43
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:38
《美空军条令出版物 4-0,维持》
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:32
《基于仿真的空军任务规划优化》
专知会员服务
4+阅读 · 今天6:21
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
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3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
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29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
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26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
3+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
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