Machine learning (ML) approaches have shown promising results for predicting molecular properties relevant for chemical process design. However, they are often limited by scarce experimental property data and lack thermodynamic consistency. As such, thermodynamics-informed ML, i.e., incorporating thermodynamic relations into the loss function as regularization term for training, has been proposed. We herein transfer the concept of thermodynamics-informed graph neural networks (GNNs) from the Gibbs-Duhem to the Clapeyron equation, predicting several pure component properties in a multi-task manner, namely: vapor pressure, liquid molar volume, vapor molar volume and enthalpy of vaporization. We find improved prediction accuracy of the Clapeyron-GNN compared to the single-task learning setting, and improved approximation of the Clapeyron equation compared to the purely data-driven multi-task learning setting. In fact, we observe the largest improvement in prediction accuracy for the properties with the lowest availability of data, making our model promising for practical application in data scarce scenarios of chemical engineering practice.


翻译:机器学习方法在预测化学过程设计相关的分子性质方面已展现出良好前景。然而,这些方法常受限于稀缺的实验性质数据,且缺乏热力学一致性。为此,研究者提出了热力学知情的机器学习方法,即将热力学关系作为正则化项纳入损失函数进行训练。本文将该思想从吉布斯-杜亥姆方程拓展至克拉珀龙方程,构建了热力学知情的图神经网络,以多任务方式预测纯组分的多项性质:蒸汽压、液体摩尔体积、蒸汽摩尔体积和汽化焓。研究发现,相较于单任务学习,克拉珀龙图神经网络具有更高的预测精度;相较于纯数据驱动的多任务学习,其对克拉珀龙方程的逼近程度更优。值得注意的是,在数据可获得性最低的性质预测任务中,我们观察到最显著的精度提升,这使得该模型在化学工程实践中数据稀缺的场景下具有广阔的应用前景。

0
下载
关闭预览

相关内容

人工神经网络(Artificial Neural Network,即ANN ),是20世纪80 年代以来人工智能领域兴起的研究热点。它从信息处理角度对人脑神经元网络进行抽象, 建立某种简单模型,按不同的连接方式组成不同的网络。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型,由大量的节点(或称神经元)之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数,称为激励函数(activation function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值,称之为权重,这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式,权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近,也可能是对一种逻辑策略的表达。 最近十多年来,人工神经网络的研究工作不断深入,已经取得了很大的进展,其在模式识别、智能机器人、自动控制、预测估计、生物、医学、经济等领域已成功地解决了许多现代计算机难以解决的实际问题,表现出了良好的智能特性。
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
42+阅读 · 2019年8月9日
【深度学习基础】4. Recurrent Neural Networks
微信AI
16+阅读 · 2017年7月19日
国家自然科学基金
21+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
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
7+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
49+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 3月14日
VIP会员
最新内容
最新“指挥控制”领域出版物合集(简介)
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:19
面向军事作战需求开发的人工智能(RAIMOND)
专知会员服务
3+阅读 · 今天15:13
软件定义多域战术网络:基础与未来方向(综述)
水下战战术决策中的气象与海洋预报(50页报告)
远程空中优势:新一代超视距导弹的兴起
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
大语言模型溯因推理的统一分类学与综述
专知会员服务
0+阅读 · 今天12:07
相关VIP内容
相关基金
国家自然科学基金
21+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
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
7+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
49+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员