We propose a Koopman-enhanced physics-informed neural network (K--PINN) framework for parameter inference and forecasting in nonlinear epidemic models. This method combines Koopman operator theory and physics-informed learning. It maps epidemic states into a latent observable space where the dynamics evolve approximately linearly while satisfying the governing epidemic equations through automatic differentiation. This integration improves interpretability, parameter identifiability, and long-term predictive stability. We apply the proposed framework to a normalized SEIRSD epidemic model and evaluate it using synthetic monkeypox (Mpox) data and real-world datasets from Germany, Morocco, and Sweden for the SARS-CoV-2 virus. Synthetic trajectories are generated using a structure-preserving, nonstandard finite difference scheme to ensure reliable training data. Numerical results demonstrate that K--PINN achieves more accurate parameter estimation, trajectory reconstruction, and long-term forecasting than classical PINNs and Koopman-EDMD approaches. These results suggest that K--PINN is an effective machine learning framework for epidemic modeling that can be extended to more complex systems.


翻译:我们提出了一种Koopman增强的物理信息神经网络(K--PINN)框架,用于非线性传染病模型中的参数推断与预测。该方法将Koopman算子理论与物理信息学习相结合,通过将传染病状态映射至潜在可观测量空间,使动力学演化近似线性化,同时利用自动微分满足控制传染病方程。这种集成方式提升了模型的可解释性、参数可辨识性及长期预测稳定性。我们将该框架应用于标准化的SEIRSD传染病模型,并利用合成猴痘(Mpox)数据以及来自德国、摩洛哥和瑞典的SARS-CoV-2真实数据集进行验证。合成轨迹通过保持结构的非标准有限差分格式生成,以确保可靠的训练数据。数值结果表明,与经典PINN和Koopman-EDMD方法相比,K--PINN能够实现更精确的参数估计、轨迹重构和长期预测。这些结果表明,K--PINN是一种有效的传染病建模机器学习框架,可扩展至更复杂的系统。

0
下载
关闭预览

相关内容

《复杂系统数据驱动预测建模的数值框架》报告
专知会员服务
17+阅读 · 4月28日
从PINNs到PIKANs:物理信息机器学习的最新进展
专知会员服务
45+阅读 · 2024年10月27日
PubMed GPT : 用于生物医学文本的特定领域大型语言模型
专知会员服务
38+阅读 · 2022年12月19日
【华侨大学】基于混合深度学习算法的疾病预测模型
专知会员服务
97+阅读 · 2020年1月21日
【GNN】MPNN:消息传递神经网络
深度学习自然语言处理
17+阅读 · 2020年4月11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
1+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
1+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
3+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
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
从采集到决策:美军视角下的战术情报范式重构
专知会员服务
1+阅读 · 今天2:42
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
2+阅读 · 今天1:46
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
2+阅读 · 8月1日
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
11+阅读 · 7月31日
《史诗怒火行动:多域前瞻评估》49页报告
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
《英国防部:未来空战系统数字化战略》33页
专知会员服务
5+阅读 · 7月31日
《面向自主飞行网络的智能体人工智能架构》
专知会员服务
7+阅读 · 7月31日
相关VIP内容
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
1+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
1+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
3+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
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员