論文の概要: Uncertainty Quantification in Multivariable Regression for Material Property Prediction with Bayesian Neural Networks
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.02495v4
- Date: Tue, 14 May 2024 16:34:34 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-05-15 19:40:47.017005
- Title: Uncertainty Quantification in Multivariable Regression for Material Property Prediction with Bayesian Neural Networks
- Title（参考訳）: ベイズニューラルネットワークを用いた材料特性予測のための多変量回帰の不確かさの定量化
- Authors: Longze Li, Jiang Chang, Aleksandar Vakanski, Yachun Wang, Tiankai Yao, Min Xian,
- Abstract要約: 物理インフォームドBNNにおける不確実性定量化(UQ)のアプローチを提案する。
本稿では, 鋼のクリープ破断寿命を予測するためのケーススタディを提案する。
クリープ寿命予測の最も有望なフレームワークは、マルコフ・チェイン・モンテカルロによるネットワークパラメータの後方分布の近似に基づくBNNである。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 37.69303106863453
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: With the increased use of data-driven approaches and machine learning-based methods in material science, the importance of reliable uncertainty quantification (UQ) of the predicted variables for informed decision-making cannot be overstated. UQ in material property prediction poses unique challenges, including the multi-scale and multi-physics nature of advanced materials, intricate interactions between numerous factors, limited availability of large curated datasets for model training, etc. Recently, Bayesian Neural Networks (BNNs) have emerged as a promising approach for UQ, offering a probabilistic framework for capturing uncertainties within neural networks. In this work, we introduce an approach for UQ within physics-informed BNNs, which integrates knowledge from governing laws in material modeling to guide the models toward physically consistent predictions. To evaluate the effectiveness of this approach, we present case studies for predicting the creep rupture life of steel alloys. Experimental validation with three datasets of collected measurements from creep tests demonstrates the ability of BNNs to produce accurate point and uncertainty estimates that are competitive or exceed the performance of the conventional method of Gaussian Process Regression. Similarly, we evaluated the suitability of BNNs for UQ in an active learning application and reported competitive performance. The most promising framework for creep life prediction is BNNs based on Markov Chain Monte Carlo approximation of the posterior distribution of network parameters, as it provided more reliable results in comparison to BNNs based on variational inference approximation or related NNs with probabilistic outputs. The codes are available at: https://github.com/avakanski/Creep-uncertainty-quantification.
- Abstract（参考訳）: 物質科学におけるデータ駆動アプローチと機械学習に基づく手法の利用の増加により、情報決定のための予測変数の信頼性のある不確実性定量化(UQ)の重要性は過大評価されない。
材料特性予測におけるUQは、先進的な材料のマルチスケールおよびマルチフィジカルな性質、多数の要因間の複雑な相互作用、モデルトレーニングのための大規模キュレートデータセットの限定的利用など、ユニークな課題を提起する。
近年、ベイジアンニューラルネットワーク(BNN)がUQの有望なアプローチとして登場し、ニューラルネットワーク内の不確実性を捉えるための確率的フレームワークを提供している。
そこで本研究では,物質モデリングにおける規制法則から知識を統合し,モデルを物理的に一貫した予測へと導く,物理インフォームドBNNにおけるUQのアプローチを提案する。
本手法の有効性を評価するために, 鋼のクリープ破断寿命を予測するケーススタディを提案する。
クリープ試験から収集した3つのデータセットによる実験的検証は、従来のガウス過程回帰法の性能を上回り、競争力のある正確な点と不確実性の推定値を生成するBNNの能力を実証している。
同様に、アクティブラーニングアプリケーションにおけるBNNのUQに対する適合性を評価し、競合性能を報告した。
最も有望なクリープ寿命予測フレームワークはマルコフ・チェイン・モンテ・カルロによるネットワークパラメータの後方分布の近似に基づくBNNである。
コードは、https://github.com/avakanski/Creep-uncertainty-quantification.comで入手できる。
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