論文の概要: Physics-Based Dynamic Models Hybridisation Using Physics-Informed Neural Networks

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.07514v2
• Date: Tue, 24 Dec 2024 13:40:21 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-25 16:57:55.83856
• Title: Physics-Based Dynamic Models Hybridisation Using Physics-Informed Neural Networks
• Title（参考訳）: 物理インフォームドニューラルネットワークを用いた物理モデルと動的ハイブリッド化
• Authors: Branislava Lalic, Dinh Viet Cuong, Mina Petric, Vladimir Pavlovic, Ana Firanj Sremac, Mark Roantree,
• Abstract要約: 物理に基づく力学モデル(PBDM)は複雑な力学系の単純化された表現である。 ハイブリッド蚊群動態モデルがPBDMと物理インフォームドニューラルネットワーク(PINN)を統合していることを示す。 蚊の個体数予測の困難さを含む,蚊の個体数シミュレーションを改良した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.585625844344932
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Physics-based dynamic models (PBDMs) are simplified representations of complex dynamical systems. PBDMs take specific processes within a complex system and assign a fragment of variables and an accompanying set of parameters to depict the processes. As this often leads to suboptimal parameterisation of the system, a key challenge requires refining the empirical parameters and variables to reduce uncertainties while maintaining the model s explainability and enhancing its predictive accuracy. We demonstrate that a hybrid mosquito population dynamics model, which integrates a PBDM with Physics-Informed Neural Networks (PINN), retains the explainability of the PBDM by incorporating the PINN-learned model parameters in place of its empirical counterparts. Specifically, we address the limitations of traditional PBDMs by modelling the parameters of larva and pupa development rates using a PINN that encodes complex, learned interactions of air temperature, precipitation and humidity. Our results demonstrate improved mosquito population simulations including the difficult-to-predict mosquito population peaks. This opens the possibility of hybridisation concept application on other complex systems based on PBDMs such as cancer growth to address the challenges posed by scarce and noisy data, and to numerical weather prediction and climate modelling to overcome the gap between physics-based and data-driven weather prediction models.
• Abstract（参考訳）: 物理に基づく力学モデル(PBDM)は複雑な力学系の単純化された表現である。 PBDMは複雑なシステム内で特定のプロセスを取り、変数の断片と関連するパラメータのセットを割り当て、プロセスを記述する。 これはしばしばシステムの最適下パラメータ化につながるため、モデルの説明可能性を維持し、予測精度を高めながら不確実性を低減するために経験的パラメータと変数を精査する必要がある。 本研究では,PBDMとPhysical-Informed Neural Networks (PINN)を統合したハイブリッド蚊群動態モデルが,実証的なパラメータの代わりにPINN学習モデルパラメータを組み込むことでPBDMの説明可能性を維持することを示した。 具体的には, 空気温度, 降水量, 湿度の複雑な相互作用を符号化したPINNを用いて, 幼虫と幼虫の発生率のパラメータをモデル化することにより, 従来のPBDMの限界に対処する。 本研究は, 蚊の個体数予測の困難さを含む, 蚊の個体数シミュレーションの改善を実証した。 これにより,PBDMをベースとした他の複雑なシステムへのハイブリダイゼーションの概念の適用が可能となり,不足データやノイズデータによる課題への対処や,物理ベースの気象予測モデルとデータ駆動気象予測モデルとのギャップを克服するための数値気象予測と気候モデルが実現される。

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