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基于内嵌物理信息神经网络求解空间分数阶扩散方程
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作者 王肖 王自强 《贵州科学》 2023年第6期55-58,共4页
利用内嵌物理信息神经网络方法(PINN)求解一类具有分数拉普拉斯算子的空间分数阶扩散方程,获得分数阶偏微分方程的数值解。首先将分数阶导数项采用有限差分离散算子后嵌入PINN进行求解,并借助自动微分技术进行求导;然后建立了训练误差函... 利用内嵌物理信息神经网络方法(PINN)求解一类具有分数拉普拉斯算子的空间分数阶扩散方程,获得分数阶偏微分方程的数值解。首先将分数阶导数项采用有限差分离散算子后嵌入PINN进行求解,并借助自动微分技术进行求导;然后建立了训练误差函数,并给出方程初边值问题的相关算法,分析了神经网络的学习速率和数值误差;其次,给出数值例子,验证了用该方法求解空间分数阶扩散方程的有效性。 展开更多
关键词 内嵌物理信息神经网络 分数拉普拉斯 有限差分 自动微分
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基于硬约束和物理信息神经网络结合的天然气管网仿真新方法
2
作者 金凤 郭祎 +7 位作者 张岩 马秀云 刘斌 焦健丰 殷雄 徐海龙 宫敬 温凯 《天然气工业》 北大核心 2025年第1期164-174,共11页
随着天然气管网互联互通成环成网,需要利用仿真技术模拟各种工况下的管网运行状态,以提升管网的供气能力,进而降低管网运行成本。现有的智能化仿真方法过于依赖数据驱动,忽略了天然气流动机理,导致精度与稳定性较差且结果不可解释。为此... 随着天然气管网互联互通成环成网,需要利用仿真技术模拟各种工况下的管网运行状态,以提升管网的供气能力,进而降低管网运行成本。现有的智能化仿真方法过于依赖数据驱动,忽略了天然气流动机理,导致精度与稳定性较差且结果不可解释。为此,从机理角度分析了天然气流动基本控制方程与管网拓扑结构,将机理信息耦合至深度学习的损失函数指导结构设计与训练,形成了天然气管网物理信息神经网络PINN(Physics-Informed Neural Network)仿真模型;然后描述了输入输出变量之间的耦合关系,设计边界条件嵌入训练硬约束模式,建立了硬约束和物理信息神经网络结合BHC-PINN(Boundary Hard-Constraint Physics-Informed NeuralNetwork)的模型,实现了天然气管网全时空状态的仿真监测。研究结果表明:(1) PINN模型将管道与拓扑结构的机理信息耦合进损失函数以提高模型的可解释性,并借助管网进出口冗余数据提高了准确性,实现了对管网压力流量的准确监测;(2)建立的边界硬约束模式,使神经网络的输出强制满足边界条件,得到的流量和压力仿真误差分别从2.1%和0.32%下降低至1.5%和0.082%,训练的效率和速度分别提高了48.5%和55.9%;(3) BHC-PINN能实现管网任意位置气体流动状态的观测,对于中间阀室压力的仿真最大误差为0.2%。结论认为,该新方法能准确仿真天然气管网内流动状态,增强了数据驱动模型的可解释性,并为天然气管网瞬态仿真提供了数据加机理混合驱动的新思路。 展开更多
关键词 天然气管道 水力瞬态仿真 物理信息神经网络 硬约束模式
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基于物理信息神经网络的多介质非线性瞬态热传导问题研究
3
作者 陈豪龙 唐欣越 +2 位作者 王润华 周焕林 柳占立 《力学学报》 北大核心 2025年第1期89-102,共14页
文章基于物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN)求解多介质非线性瞬态热传导问题.根据多介质热物性参数的不同,将求解区域划分成多个子域,在每个子域中单独应用PINN,不同子域通过公共界面的通量连续性条件相联系.利... 文章基于物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN)求解多介质非线性瞬态热传导问题.根据多介质热物性参数的不同,将求解区域划分成多个子域,在每个子域中单独应用PINN,不同子域通过公共界面的通量连续性条件相联系.利用偏微分方程、初始条件、边界条件和子域间公共界面连续性条件的残差构建损失函数.通过自动微分算法计算偏微分方程中温度对各输入变量的偏导数.利用链式求导法计算损失函数对权重和偏差的梯度,再根据梯度下降法更新网络参数.为了加速网络收敛,在激活函数中引入训练参数,通过调节激活函数斜率,使网络具有自适应性.文章探讨了PINN在求解多介质非线性瞬态热传导问题中的适用性,并进一步讨论了不同激活函数、学习率、网络结构和损失函数中的各项权重等对PINN计算结果的影响.计算结果表明,PINN在求解多介质非线性瞬态热传导问题时仍具有较高的可靠性和较简洁的求解流程,且不需要对求解域进行人为的前处理,有一定工程应用可行性.文章通过系统的理论分析和数值验证,充分展示了PINN解决复杂热传导问题的可靠性. 展开更多
关键词 物理信息神经网络 非线性瞬态热传导问题 多介质 自适应激活函数
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基于物理信息神经网络的金属多轴疲劳寿命预测进展
4
作者 张颛利 孙兴悦 陈旭 《机械强度》 北大核心 2025年第2期44-52,共9页
材料的多轴疲劳寿命预测研究是保证部件结构完整性的关键要素之一。近年来机器学习尤其是神经网络在疲劳寿命预测领域得到了广泛应用。然而,疲劳数据的不足阻碍了神经网络在疲劳预测中的进一步应用。为了解决这一问题,考虑疲劳先验物理... 材料的多轴疲劳寿命预测研究是保证部件结构完整性的关键要素之一。近年来机器学习尤其是神经网络在疲劳寿命预测领域得到了广泛应用。然而,疲劳数据的不足阻碍了神经网络在疲劳预测中的进一步应用。为了解决这一问题,考虑疲劳先验物理知识的物理信息神经网络逐渐受到关注。首先,概述了机器学习算法的分类及神经网络模型在多轴疲劳寿命预测中的应用。随后,重点对基于物理信息神经网络的材料疲劳寿命预测研究进行了深入探讨。最后,从基于物理信息的输入特征、基于物理信息的损失函数构建和基于物理信息的网络框架开发等3个方面对物理信息神经网络模型的发展进行介绍。相关研究表明,在材料多轴疲劳寿命预测过程中,物理信息神经网络可以表现出更好的物理一致性和预测性能。 展开更多
关键词 物理信息神经网络 多轴疲劳 寿命预测 机器学习
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基于低阶导数物理信息神经网络的流动和传热反演问题研究
5
作者 张贤 胡春 +2 位作者 崔永赫 王秋旺 赵存陆 《空气动力学学报》 北大核心 2025年第1期34-43,I0001,共11页
求解空气动力学领域中流动和传热反演问题对于飞行器设计和飞行环境控制至关重要。然而,传统数值方法在处理这类问题时,往往面临计算复杂性和数据依赖性的挑战。为解决此问题,基于物理信息神经网络(PINN),本文构建了低阶导数物理信息神... 求解空气动力学领域中流动和传热反演问题对于飞行器设计和飞行环境控制至关重要。然而,传统数值方法在处理这类问题时,往往面临计算复杂性和数据依赖性的挑战。为解决此问题,基于物理信息神经网络(PINN),本文构建了低阶导数物理信息神经网络(LPINN),其特点在于仅需有限的实验测量数据,即可有效地解决流动和传热的反演问题。为验证LPINN在反演问题上的应用效果,选择了两种典型的二维流动及传热案例(泊肃叶流动和顶盖驱动方腔流动)进行研究。结果表明,在缺乏明确边界条件的前提下,LPINN能利用稀疏的实验数据,准确预测整个计算区域内的流场和温度场,并能够较为精确地确定控制方程中的雷诺数和佩克莱数。对随机取点、均匀取点和基于先验知识取点3种不同的实验观测点选取方案进行了对比分析,发现基于先验知识取点方案在保证高反演精度的同时,其所需的实验观测点数量最少,这对提高反演问题的求解效率具有积极意义。此外,LPINN在处理反演问题时展现出对实验数据中噪声的高度鲁棒性。 展开更多
关键词 低阶导数 物理信息神经网络 流动与传热 反演问题
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基于时间权重的物理信息神经网络求解非稳态偏微分方程
6
作者 韦昌 樊昱晨 +3 位作者 周永清 刘欣 李驰 王赫阳 《力学学报》 北大核心 2025年第3期755-766,共12页
物理信息神经网络(physics-informed neural networks,PINN)是一种将深度学习技术与物理模型相结合的计算方法,目前已经成为智能科学计算领域的研究热点.然而,传统的PINN在求解非稳态偏微分方程时,常因忽视动态系统的时间因果关系而出... 物理信息神经网络(physics-informed neural networks,PINN)是一种将深度学习技术与物理模型相结合的计算方法,目前已经成为智能科学计算领域的研究热点.然而,传统的PINN在求解非稳态偏微分方程时,常因忽视动态系统的时间因果关系而出现训练效率低下和预测精度不足等问题.为了解决这些局限性,文章提出了一种基于时间权重的物理信息神经网络(time-weighted physics-informed neural network,TWPINN).该模型通过引入可体现系统动态变化特征的时间权重函数,对损失函数进行了优化,以增强神经网络的时间因果关系.由于初始条件对于准确预测系统的动态行为具有决定性的作用,因此在TWPINN中,权重值会随着时间的推移而呈现单调递减的趋势,以确保模型对早期时间点采样数据赋予更高的重视.此外,TWPINN在训练过程中采用了一种动态权重调整策略,随着迭代次数的增加,模型会逐步调整对后续时间采样点的权重分配.这种策略使模型不仅能够捕捉到系统的初始状态和短期变化,而且显著提高了对长期演变趋势的预测准确性.为了验证TWPINN的性能,文章选取一维非稳态对流方程和一维非稳态反应扩散方程作为测试案例.结果表明,TWPINN在求解这两种方程时均能提供与基准解高度一致的预测结果,并且可以将预测误差控制在较低水平. 展开更多
关键词 物理信息神经网络 时间权重函数 对流方程 反应扩散方程
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基于物理信息神经网络算法的海洋内孤立波研究
7
作者 王一辰 王桂霞 李骞 《内蒙古师范大学学报(自然科学版)》 2025年第2期198-206,共9页
在南海东沙岛附近海域,通过MODIS遥感图像观测到内孤立波(ISW)在从深海向浅海的传播过程中,由于深海与浅海环境条件的差异,表现出不同的动力学特性。首先选用切比雪夫谱方法研究ISW的垂向结构;其次,引入质量和动量守恒量约束条件,改进... 在南海东沙岛附近海域,通过MODIS遥感图像观测到内孤立波(ISW)在从深海向浅海的传播过程中,由于深海与浅海环境条件的差异,表现出不同的动力学特性。首先选用切比雪夫谱方法研究ISW的垂向结构;其次,引入质量和动量守恒量约束条件,改进经典的物理信息神经网络(PINN)算法,以提高算法的可靠性;进一步利用改进的PINN算法,基于阻尼eKdV⁃Burgers模型对深水域、中等深度水域及浅水域的ISW进行对比研究。结果显示,ISW的振幅随着水深的增加而增加,ISW的凹凸型在不同水域有所不同,模拟结果与实际观测到的ISW特征相吻合,表明了模型的有效性和算法的可靠性。 展开更多
关键词 内孤立波 物理信息神经网络 浅滩效应 涡动粘性效应 守恒量
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物理信息神经网络对圆管内层流流动和换热的数值模拟验证与求解效率研究
8
作者 姚嘉晔 陈鹏飞 +1 位作者 洪钢 张尧立 《厦门大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第1期156-168,共13页
[目的]提出了一种将在标准条件下训练的权重和偏置信息加载到模型中的方法,以提升相邻条件下物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN)数值模拟效率.[方法]以二维圆管为对象,流动状态为稳态流动,控制方程为受重力影响的N... [目的]提出了一种将在标准条件下训练的权重和偏置信息加载到模型中的方法,以提升相邻条件下物理信息神经网络(physics-informed neural network,PINN)数值模拟效率.[方法]以二维圆管为对象,流动状态为稳态流动,控制方程为受重力影响的Navier-Stokes方程组,利用解析解对PINN模拟精度进行验证并对超参数进行敏感性分析,进而对圆管内层流流动换热过程进行数值模拟,并利用权重与偏置信息对邻近工况进行预测.[结果]PINN数值模拟具有可行性和准确性,与传统软件Fluent计算结果的相对误差约±5%.载入已有工况权重和偏置信息可以显著提高PINN数值模拟的效率,速度场与温度场同Fluent计算结果的相对误差均小于±5%.[结论]利用PINN可以对流体层流流动换热进行数值模拟,同时可以利用预训练的权重和偏置信息提高数值模拟效率. 展开更多
关键词 物理信息神经网络 对流换热 数值模拟
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基于物理信息神经网络的长距离顶管施工顶力预测
9
作者 李博 刘宇翔 +2 位作者 陈建国 杨耀红 张哲 《人民长江》 北大核心 2025年第1期147-155,共9页
长距离顶管施工过程中,准确预测顶力是有效控制施工安全质量及进度的关键问题。基于知识数据融合的机器学习建模方法,将顶力计算物理模型与多层感知机相融合,构建了物理-数据双驱动的物理信息神经网络模型(PINN),用物理机制约束神经网... 长距离顶管施工过程中,准确预测顶力是有效控制施工安全质量及进度的关键问题。基于知识数据融合的机器学习建模方法,将顶力计算物理模型与多层感知机相融合,构建了物理-数据双驱动的物理信息神经网络模型(PINN),用物理机制约束神经网络的训练机制,并引入改进的麻雀搜索算法(ISSA)对模型超参数取值进行优化,建立了ISSA-PINN顶管施工顶力预测模型;以河南省郑开同城东部供水工程顶管施工为例,选取524组工程实测数据验证了模型的有效性。计算结果表明:ISSA-PINN模型具有较高的预测精度,相较于单纯数据驱动模型,在测试集和新数据集中的预测性能分别提升了0.07和0.17,说明物理模型的融入对降低机器模型的过拟合风险和提高泛化能力有积极影响;相比于SSA和粒子群算法,ISSA算法寻优速度更快、适应度更好。研究结果可为顶管工程施工顶力控制提供参考。 展开更多
关键词 顶管施工 顶力预测 物理信息神经网络(PINN) 改进麻雀搜索算法(ISSA)
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基于热传导方程的自适应损失物理信息神经网络算法研究
10
作者 赵洪玉 《现代物理》 2025年第2期21-28,共8页
在热传导方程的研究中,物理信息神经网络(PINN)的应用已初显成效,其损失函数由多个损失项的加权和组成,这些损失项的加权组合对PINN的有效训练具有关键作用。为此,我们引入了一个基于高斯概率模型的损失项定义,通过噪声参数来描述每个... 在热传导方程的研究中,物理信息神经网络(PINN)的应用已初显成效,其损失函数由多个损失项的加权和组成,这些损失项的加权组合对PINN的有效训练具有关键作用。为此,我们引入了一个基于高斯概率模型的损失项定义,通过噪声参数来描述每个损失项的权重,并提出了一种基于极大似然估计原理的自适应损失函数方法,该方法通过不断更新每个训练周期中的噪声参数,实现损失权重的自动分配。采用自适应物理信息神经网络(SalPINN)对一维瞬态热传导方程进行求解,并与传统PINN方法对比,结果显示SalPINN在模拟热传导方程方面表现出更高的精确性和有效性。In the field of research into heat transfer equations, the application of physical information neural network (PINN) has achieved some results. The loss function of PINN consists of a weighted sum of multiple loss terms, and the weighted combination of these loss terms plays an important role in PINN’s effective training. Therefore, we construct a loss term definition based on a Gaussian probability model, where the introduction of noise parameters is used to describe the weight of each loss term. We propose a self-adaptive loss function method based on the maximum likelihood estimation principle to automatically assign loss weights by constantly updating noise parameters in each training cycle. Then, we use self-adaptive loss physical information neural network (SalPINN) to solve the one-dimensional transient heat transfer equation, and compare it with the traditional PINN method, and the results show that SalPINN is more accurate and effective in simulating the heat transfer equation. 展开更多
关键词 热传导方程 物理信息神经网络 自适应损失平衡法
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基于多域物理信息神经网络的复合地层隧道掘进地表沉降预测 被引量:11
11
作者 潘秋景 吴洪涛 +1 位作者 张子龙 宋克志 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期539-551,共13页
复合地层中盾构掘进诱发地表沉降的准确预测是隧道工程安全建设与施工决策的关键问题。基于隧道施工诱发地层变形机制构建隧道收敛变形与掘进位置的联系,并将其耦合至深度神经网络(deep neural network,简称DNN)框架,建立了预测盾构掘... 复合地层中盾构掘进诱发地表沉降的准确预测是隧道工程安全建设与施工决策的关键问题。基于隧道施工诱发地层变形机制构建隧道收敛变形与掘进位置的联系,并将其耦合至深度神经网络(deep neural network,简称DNN)框架,建立了预测盾构掘进诱发地层变形的物理信息神经网络(physics-informed neural network,简称PINN)模型。针对隧道上覆多个地层的地质特征,提出了多域物理信息神经网络(multi-physics-informed neural network,简称MPINN)模型,实现了在统一的框架内对不同地层的物理信息分区域表达。结果表明:MPINN模型高度还原了有限差分法的计算结果,可以准确预测复合地层中隧道开挖诱发的地表沉降;由于融入了物理机制,MPINN模型对隧道施工诱发地表沉降的问题具有普适性,可应用于不同地质和几何条件下隧道诱发地表沉降的预测;基于工程实测数据,提出的MPINN模型准确预测了监测断面的地表沉降曲线,可为复合地层下盾构掘进过程中地表沉降的预测预警提供参考。 展开更多
关键词 物理信息神经网络(PINN) 盾构隧道 地表沉降 机器学习 数据物理驱动
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基于孔压静力触探试验测试数据的原位固结系数物理信息神经网络反演方法 被引量:1
12
作者 李林 左林龙 +1 位作者 胡涛涛 宋博恺 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第10期2889-2899,共11页
固结系数是软基沉降计算和稳定性分析的关键参数,现有固结系数原位测试方法存在耗时长且精度低的缺点。根据孔压静力触探试验(piezoconepenetrationtest,简称CPTU)贯入机制与锥肩超孔隙水压力消散模式,采用圆孔扩张理论和轴对称固结方... 固结系数是软基沉降计算和稳定性分析的关键参数,现有固结系数原位测试方法存在耗时长且精度低的缺点。根据孔压静力触探试验(piezoconepenetrationtest,简称CPTU)贯入机制与锥肩超孔隙水压力消散模式,采用圆孔扩张理论和轴对称固结方程描述CPTU锥肩超孔隙水压力的形成、发展和消散过程,利用神经网络自动微分功能将轴对称固结方程嵌入深度神经网络,通过物理方程损失函数、边界条件损失函数和初始条件损失函数形成神经网络的物理信息约束,同时将CPTU孔压测试数据作为数据驱动项,以最小化超孔隙水压力损失函数为优化目标,建立了CPTU孔压测试数据反演场地原位固结系数的物理信息神经网络(physics-informed neural networks,简称PINNs)模型。通过已有离心模型试验数据反演验证了PINNs模型反演场地原位固结系数的有效性,并利用CPTU孔压测试数据分析了PINNs模型反演原位固结系数的鲁棒性。结果表明:提出的PINNs模型能够有效利用CPTU孔压测试数据快速准确地反演场地原位固结系数;由于模型融入了物理机制约束,所需训练数据量少,且对有噪声的孔压测试数据具有较强的鲁棒性和泛化性能,为准确、快速可靠测试场地原位固结系数提供了有效途径。 展开更多
关键词 原位固结系数 静力触探 孔压测试数据 固结方程 物理信息神经网络 参数反演
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基于物理信息神经网络的牵引变流器直流支撑电容参数辨识方法
13
作者 向超群 尹雪瑶 +2 位作者 伍珣 曹忠林 刘元才 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第15期4654-4667,共14页
为了解决车载牵引变流系统直流支撑电容器故障预测问题,该文提出一种基于物理信息神经网络的直流支撑电容器参数辨识方法。该方法只需要利用直流环节预充电过程的直流支撑电容器两端电压及采样频率,无需拟合曲线,无需严格对齐时间轴就... 为了解决车载牵引变流系统直流支撑电容器故障预测问题,该文提出一种基于物理信息神经网络的直流支撑电容器参数辨识方法。该方法只需要利用直流环节预充电过程的直流支撑电容器两端电压及采样频率,无需拟合曲线,无需严格对齐时间轴就可以获得较为准确的电容参数辨识结果。与此同时,为了克服在采集数据时因条件所限造成的数据量稀疏与分布不均问题,该文利用循环一致性生成对抗网络算法增强数据,使该方法可以适用于同一拓扑下宽范围电容区间的电容容值预测,降低了模型训练要求。实验结果表明:在正常条件下,该方法的辨识相对误差约在1%以下,并且降低采样频率能够缓解信噪比对该方法的影响。该方法为解决直流支撑电容参数辨识问题提供了新思路。 展开更多
关键词 直流支撑电容器 参数辨识 物理信息神经网络 循环一致性生成对抗网络 直流 环节预充电工况
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基于内嵌物理知识卷积神经网络的电力系统暂态稳定评估 被引量:2
14
作者 陆旭 张理寅 +2 位作者 李更丰 别朝红 段超 《电力系统自动化》 EI CSCD 北大核心 2024年第9期107-119,共13页
针对现有数据驱动的电力系统暂态评估方法依赖大规模数据集且可解释性不足的问题,文中将物理知识嵌入传统数据驱动方法,提出一种基于内嵌物理知识卷积神经网络的电力系统暂态稳定评估方法。该方法考虑大规模风电并网的电力系统,将电力... 针对现有数据驱动的电力系统暂态评估方法依赖大规模数据集且可解释性不足的问题,文中将物理知识嵌入传统数据驱动方法,提出一种基于内嵌物理知识卷积神经网络的电力系统暂态稳定评估方法。该方法考虑大规模风电并网的电力系统,将电力系统暂态稳定物理方程内嵌至神经网络损失函数,通过神经网络直接逼近物理过程,使输出结果满足物理规律,提高暂态稳定评估的可靠性与可解释性。通过数据与知识双驱动,所提方法不依赖大规模训练数据集,依然具有较好的鲁棒性与泛化能力。此外,所提方法通过卷积神经网络进行特征提取与降维,解决拓扑数据无法直接作为神经网络输入的难题。在含风机的IEEE 9节点和IEEE 39节点测试系统上的实验结果表明,所提方法在准确率、计算效率、泛化能力等方面相较现有方法有显著提升。 展开更多
关键词 内嵌物理知识卷积神经网络 知识-数据混合驱动 功角 暂态稳定性 机器学习 可解释性
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课程-迁移学习物理信息神经网络用于长时间非线性波传播模拟 被引量:4
15
作者 郭远 傅卓佳 +2 位作者 闵建 刘肖廷 赵海涛 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期763-773,共11页
由于传统物理信息神经网络(PINN)在长时间模拟时存在计算稳定性差甚至无法获得有效解的难题,文章提出了一种基于课程学习和迁移学习的物理信息神经网络(CTL-PINN),用于长时间非线性波传播模拟.该改进的PINN的主要思想是将原长时间历程... 由于传统物理信息神经网络(PINN)在长时间模拟时存在计算稳定性差甚至无法获得有效解的难题,文章提出了一种基于课程学习和迁移学习的物理信息神经网络(CTL-PINN),用于长时间非线性波传播模拟.该改进的PINN的主要思想是将原长时间历程问题转化成若干个短时间子问题,其求解过程分为3个阶段;在初始阶段,使用传统PINN来获得初始短期子问题的解;在课程学习阶段,使用包含前一步训练信息的传统PINN以时域扩大的方式逐次求解,在迁移学习阶段,使用包含前一步训练信息的传统PINN以时域迁移的方式逐次求解.这种改进的PINN可以避免传统PINN陷入局部最优解的问题.最后通过几个基准算例验证了本文所提出的CTL-PINN方法在模拟长时间非线性波传播过程的有效性和鲁棒性. 展开更多
关键词 课程学习 迁移学习 物理信息神经网络 波传播分析 长时间模拟 非线性
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基于物理信息神经网络的盾构隧道诱发地表沉降预测 被引量:8
16
作者 张子龙 潘秋景 +1 位作者 仉文岗 黄阜 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2024年第4期161-173,共13页
地表沉降是城市复杂环境下盾构隧道施工重点关注的问题。传统机器学习方法在预测隧道施工诱发地表沉降时忽略了其内在的物理机理,存在对训练样本需求量较大的弊端。基于深度神经网络(deep neural networks, DNN)对Verruijt-Booker解的... 地表沉降是城市复杂环境下盾构隧道施工重点关注的问题。传统机器学习方法在预测隧道施工诱发地表沉降时忽略了其内在的物理机理,存在对训练样本需求量较大的弊端。基于深度神经网络(deep neural networks, DNN)对Verruijt-Booker解的围岩位移因子进行修正,构建地表沉降与隧道开挖面空间位置的关联。将修正后的Verruijt-Booker解的物理方程耦合至另一并行的DNN框架中,构建数据-物理双驱动的物理信息神经网络模型(physics-informed neural networks, PINN),从而约束神经网络在满足物理机制的空间中进行训练。算例分析的结果表明:在同等配置的条件下,提出的PINN模型的预测效果显著优于单一数据驱动的传统DNN模型,其外推泛化性能得到显著提升。工程应用的结果表明:PINN模型可以利用施工前期的实测数据,准确预测后续施工过程中开挖面在不同位置时监测断面的地表沉降值。提出的方法有助于提高盾构隧道施工过程中地表沉降控制的智慧化程度,可为工程的潜在风险及施工决策提供预警和指导。 展开更多
关键词 盾构隧道 地表沉降 物理信息神经网络 物理机理 数据物理双驱动
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基于物理信息神经网络的生物质气化产物分布预测方法 被引量:2
17
作者 邓志平 任少君 +2 位作者 翁琪航 朱保宇 司风琪 《动力工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期719-726,共8页
机器学习方法已经在生物质气化建模中展现出广阔的应用前景。然而,机器学习模型主要依赖于实验数据,并不考虑气化中的反应机理,在数据样本不充分的情况下模型所表现出的实际关联特性与机理规律之间存在严重偏差。为此,提出一种基于物理... 机器学习方法已经在生物质气化建模中展现出广阔的应用前景。然而,机器学习模型主要依赖于实验数据,并不考虑气化中的反应机理,在数据样本不充分的情况下模型所表现出的实际关联特性与机理规律之间存在严重偏差。为此,提出一种基于物理信息神经网络(PINN)的生物质气化产物分布预测方法,该方法将真实实验数据与先验机理进行无缝衔接,在人工神经网络(ANN)模型中嵌入边界约束和关键参数间的单调性关系,通过自动微分技术进行辅助优化,实现模型的高效训练。结果表明:PINN模型的决定系数大于0.89,均方根误差小于4%,其总体预测精度要优于随机森林(RF)、支持向量机(SVM)和ANN 3种纯拟合机器学习模型;PINN模型能够严格服从边界约束和先验机理单调性关系,表现出更好的可解释性和泛化能力。 展开更多
关键词 生物质气化 机器学习模型 物理信息神经网络 机理约束
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基于物理信息神经网络的非线性瞬态热传导正/反问题研究 被引量:1
18
作者 陈豪龙 唐欣越 +1 位作者 柳兆涛 周焕林 《重庆大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第12期124-136,共13页
基于物理信息神经网络(physics-informed neuralnetworks,PINN)求解非线性瞬态热传导问题并识别随温度变化的导热系数。首先,基于热传导问题的控制方程,利用初始条件和边界条件,构建损失函数。然后,应用自动微分算法求解控制方程中温度... 基于物理信息神经网络(physics-informed neuralnetworks,PINN)求解非线性瞬态热传导问题并识别随温度变化的导热系数。首先,基于热传导问题的控制方程,利用初始条件和边界条件,构建损失函数。然后,应用自动微分算法求解控制方程中温度的偏导数。使用梯度下降算法,更新网络参数,最小化损失函数,实现热传导正问题的求解,并讨论了不同隐藏层数、神经元数量和域内数据点数量对计算结果的影响。最后,采用PINN识别随温度变化的导热系数,利用控制方程、测量温度和计算温度的残差构建损失函数,通过梯度下降算法,更新网络参数和导热系数,使其逼近于精确解,并比较了不同的测点数量和测量误差对计算结果的影响。结果表明,PINN能够有效求解非线性瞬态热传导问题并识别与温度相关的导热系数。 展开更多
关键词 反问题 热传导问题 导热系数识别 物理信息神经网络 自动微分算法
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基于物理信息神经网络的燃煤锅炉NO_x排放浓度预测方法 被引量:2
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作者 任少君 朱保宇 +2 位作者 翁琪航 邓志平 司风琪 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第20期8157-8165,I0020,共10页
准确的NO_(x)浓度预测对保障燃煤锅炉安全运行和降低污染物排放具有重要意义。基于机器学习的NO_x排放浓度预测方法计算速度快、拟合精度高,但缺少可解释性,且过度依赖训练样本,在样本不充分的情况下模型泛化能力差。为此,该文提出一种... 准确的NO_(x)浓度预测对保障燃煤锅炉安全运行和降低污染物排放具有重要意义。基于机器学习的NO_x排放浓度预测方法计算速度快、拟合精度高,但缺少可解释性,且过度依赖训练样本,在样本不充分的情况下模型泛化能力差。为此,该文提出一种基于物理信息神经网络的燃煤锅炉NO_x排放浓度预测方法,将煤量、氧量、分离燃尽风(separated overfireair,SOFA)开度与NO_x排放浓度之间的单调关系嵌入到神经网络中,促使模型服从机理约束,避免机器学习过拟合或欠拟合,提升模型在锅炉宽工况条件下的准确性。以某660 MW燃煤锅炉为研究对象,算例分析表明,提出的预测方法明显优于随机森林、支持向量机和神经网络等常规机器学习方法,即使在未知工况下也能遵循参数间单调性关系,具有较好的可解释性和泛化能力。 展开更多
关键词 NO_x排放预测 燃煤锅炉 机器学习 物理信息神经网络 单调性
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基于物理信息与深度神经网络的锂离子电池温度预测 被引量:2
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作者 陈来恩 曾小勇 +2 位作者 曾子豪 成采辰 孙耀科 《中国电力》 CSCD 北大核心 2024年第11期18-25,共8页
准确预测锂离子电池的温度是电池管理系统的关键技术。针对锂离子电池的动态以及时序依赖特性,构建了一种深度神经网络用于锂离子电池的温度预测。该模型可以提取数据的潜在高维特征并适当降维以减少模型复杂度,同时通过长短期记忆单元... 准确预测锂离子电池的温度是电池管理系统的关键技术。针对锂离子电池的动态以及时序依赖特性,构建了一种深度神经网络用于锂离子电池的温度预测。该模型可以提取数据的潜在高维特征并适当降维以减少模型复杂度,同时通过长短期记忆单元层捕获温度的长期依赖关系。此外,通过锂离子电池的开路电压、端电压以及电流实时计算产热率,从而为深度神经网络提供额外的物理信息输入。结果表明,该方法相比于其他方法具有更好的温度预测性能。 展开更多
关键词 锂离子电池 温度预测 产热率 物理信息 深度神经网络
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