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融合精细化气象因素与物理约束的深度学习模型在短期风电功率预测中的应用 被引量:7
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作者 邬永 王冰 +1 位作者 陈玉全 姜华 《电网技术》 EI CSCD 北大核心 2024年第4期1455-1465,I0022,I0023,I0024,共14页
现有基于深度学习方法的风电功率预测是一种以气象数据为输入的间接预测,其预测精度依赖于气象预报的准确率,然而现有气象预报资料普遍存在分辨率低,预报模式不稳定的问题。同时,深度学习模型完全依赖数据驱动,缺乏物理规律的指导,预测... 现有基于深度学习方法的风电功率预测是一种以气象数据为输入的间接预测,其预测精度依赖于气象预报的准确率,然而现有气象预报资料普遍存在分辨率低,预报模式不稳定的问题。同时,深度学习模型完全依赖数据驱动,缺乏物理规律的指导,预测精度难以进一步提升。因此,提出一种精细化气象因素与物理深度学习相结合的方法。首先,通过降尺度与多模式集成技术,对数值天气预报数据进行处理,改善气象预报产品的低分辨率和准确率问题;其次,基于风电场尾流效应和功率曲线两种物理模型,一方面将物理模型嵌入神经网络损失函数作为正则化项,引入物理约束指导学习过程,以构建物理深度学习网络;另一方面,利用物理模型产生预训练样本,解决观测数据不足的情况,构建预训练模型,为后续有监督学习任务提供支持。最后,通过对某市近海风电场的实际数据进行仿真分析,验证了所提出方法的有效性和优越性。 展开更多
关键词 风电功率 数值天气预报 降尺度 多模式集成 物理深度学习
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基于物理驱动深度学习的结构形状优化设计 被引量:2
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作者 唐和生 李度 +1 位作者 廖洋洋 李荣帅 《湖南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期33-42,共10页
结构形状的优化设计本质上是一类泛函极值求解问题.在求解高维度泛函极值问题时,传统的变分法往往面临着求解目标函数类型有限、求解过程呈现振荡行为等问题.利用深度学习模型的高维非线性映射能力,建立了一种基于物理驱动深度学习的泛... 结构形状的优化设计本质上是一类泛函极值求解问题.在求解高维度泛函极值问题时,传统的变分法往往面临着求解目标函数类型有限、求解过程呈现振荡行为等问题.利用深度学习模型的高维非线性映射能力,建立了一种基于物理驱动深度学习的泛函极值求解模型.首先将描述结构形状优化问题的物理信息(控制方程、初始条件和边界条件等)作为正则化项嵌入深度学习模型中,基于性能目标构建损失函数;采用随机梯度下降法完成深度学习模型的训练,进而实现泛函极值的求解和结构形状的优化设计;通过分析最优曲面和最优拱轴线问题验证模型的有效性,并与遗传算法进行对比,结果表明该模型在小样本的目标任务上具有较高的预测精度和效率.作为一种非参数模型化技术,物理驱动深度学习模型对解决数据采集成本高、难度大的工程问题具有重要意义. 展开更多
关键词 物理驱动深度学习 形状优化设计 泛函极值 遗传算法
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物理驱动深度学习波动数值模拟方法及应用 被引量:7
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作者 陈苏 丁毅 +3 位作者 孙浩 赵密 王进廷 李小军 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期272-282,共11页
近年来,物理先验融合数据的深度学习方法求解以偏微分方程为理论基础的正反演问题已成为交叉学科热点.针对地震工程波动数值模拟,本文阐明了物理驱动深度学习方法PINN的数学概念及实现方式,以无源项一维波动为例,开展了相关理论模型构建... 近年来,物理先验融合数据的深度学习方法求解以偏微分方程为理论基础的正反演问题已成为交叉学科热点.针对地震工程波动数值模拟,本文阐明了物理驱动深度学习方法PINN的数学概念及实现方式,以无源项一维波动为例,开展了相关理论模型构建,并与解析解及有限差分方法进行对比,分析了PINN方法与其他数值算法模拟波场的相对范数误差,验证了物理驱动深度学习方法求解波动问题的可行性.采用物理驱动深度学习方法并结合谱元法形成的稀疏初始波场数据,开展了二维波动数值模拟,实现了自由边界条件及起伏地表等典型工况的模拟,并给出了时序波场分布特性.更换不同的初始条件,测试了神经网络的泛化精度,提出可显著提高网络训练效率的迁移学习方法.通过与谱元法的结果对比,验证了本文方法模拟均质场地、空间不均匀及复杂地形场地波动问题的可靠性.结果表明,物理驱动深度学习方法具备无网格、精细化模拟等优势,并可实现自由地表及侧边界波场透射等数值模拟条件. 展开更多
关键词 物理信息深度学习 神经网络 波动数值模拟 内源波动 边界条件
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物理增强的流场深度学习建模与模拟方法 被引量:16
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作者 金晓威 赖马树金 李惠 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期2616-2629,共14页
流体运动理论上可用Navier-Stokes方程描述,但由于对流项带来的非线性,仅在少数情况可求得方程解析解.对于复杂工程流动问题,数值模拟难以高效精准计算高雷诺数流场,实验或现场测量难以获得流场丰富细节.近年来,人工智能技术快速发展,... 流体运动理论上可用Navier-Stokes方程描述,但由于对流项带来的非线性,仅在少数情况可求得方程解析解.对于复杂工程流动问题,数值模拟难以高效精准计算高雷诺数流场,实验或现场测量难以获得流场丰富细节.近年来,人工智能技术快速发展,深度学习等数据驱动技术可利用灵活网络结构,借助高效优化算法,获得对高维、非线性问题的强大逼近能力,为研究流体力学计算方法带来新机遇.有别于传统图像识别、自然语言处理等典型人工智能任务,深度学习模型预测的流场需满足流体物理规律,如Navier-Stokes方程、典型能谱等.近期,物理增强的流场深度学习建模与模拟方法快速发展,正逐渐成为流体力学全新研究范式:根据流体物理规律选取网络输入特征或设计网络架构的方法称为物理启发的深度学习方法,直接将流体物理规律显式融入网络损失函数或网络架构的方法称为物理融合的深度学习方法.研究内容涵盖流体力学降阶模型、流动控制方程求解领域. 展开更多
关键词 物理增强的深度学习 降阶模型 方程求解 湍流
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深切V型峡谷物理驱动人工智能波动模拟
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作者 栾绍凯 陈苏 +3 位作者 丁毅 金立国 王巨科 李小军 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期1246-1253,共8页
高山峡谷区场地地震效应是地震工程领域研究热点。V形峡谷引起的圆柱形SH波散射和衍射波函数的级数解已较为成熟,并为众多河谷区重大工程提供了合理、科学的地震动输入。采用物理驱动深度学习方法结合与解析结果的对比分析,近一步明确了... 高山峡谷区场地地震效应是地震工程领域研究热点。V形峡谷引起的圆柱形SH波散射和衍射波函数的级数解已较为成熟,并为众多河谷区重大工程提供了合理、科学的地震动输入。采用物理驱动深度学习方法结合与解析结果的对比分析,近一步明确了V型河谷地形地震反应特性及复杂波场空间分布。此方法主要关注稀疏样本及可诠释性人工智能,结合强形式自动微分和软约束边界条件嵌入,建立深度神经网络实现半无限域地震传播模型。采用时间域分解策略,实现不同给定波场工况下V型河谷高精度预测。通过与解析解对比,评估了所提出的物理驱动人工智能方法的精度和效率。结果表明,物理驱动人工智能方法可应用于地形效应分析,柱面SH波在V型峡谷底端发生显著衰减与振荡,边缘区呈现放大效应。 展开更多
关键词 物理驱动深度学习 河谷地震 波动模拟 科学人工智能
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基于物理信息深度学习的交叉口车辆轨迹补全方法
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作者 郑立勇 孙剑 +3 位作者 饶红玉 邵健轩 赵威 郝勇刚 《交通运输系统工程与信息》 2025年第4期116-125,共10页
车辆轨迹数据在智能交通系统中有着诸多应用,但其实际应用效果常常受数据缺失问题影响。雷达和视频融合感知技术的迅速发展虽然实现了车辆轨迹数据的全天候采集,但在交叉口场景中仍然面临雷达对排队静止目标不敏感,大型车辆遮挡等原因... 车辆轨迹数据在智能交通系统中有着诸多应用,但其实际应用效果常常受数据缺失问题影响。雷达和视频融合感知技术的迅速发展虽然实现了车辆轨迹数据的全天候采集,但在交叉口场景中仍然面临雷达对排队静止目标不敏感,大型车辆遮挡等原因导致数据缺失问题。针对交叉口车辆轨迹数据缺失,本文提出一种基于物理信息深度学习的补全算法(Transformer-Full-Velocity-Difference, TF-FVD),将FVD跟驰模型的监督信号引入到Transformer模型的训练过程中,并增加信号灯状态编码模块以考虑交通信号约束。基于雷视轨迹数据集的实验结果表明:FVD模型监督信号和信号灯状态编码模块的引入分别带来了11.6%和15.6%的精度提升;在SinD(Signalized INtersection Dataset)公开数据集中,本文提出的TF-FVD模型较纯数据驱动SOTA(State of the Art)算法精度提升了25.3%;基于补全轨迹计算的车辆延误时间分布误差降低了9.14%,体现了其在实际应用中的价值。 展开更多
关键词 交通工程 车辆轨迹补全 物理信息深度学习 雷视融合感知
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面向结构地震响应预测的Phy-LInformers方法 被引量:1
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作者 郭茂祖 张欣欣 +1 位作者 赵玲玲 张庆宇 《智能系统学报》 CSCD 北大核心 2024年第4期1027-1041,共15页
为了准确评估建筑结构在地震作用下的动力特性和延性性能并促进韧性城乡的建设,本文提出了一种名为Phy-LInformers的深度学习框架,该框架综合运用了长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)、Transformer类模型Informer以及物理先... 为了准确评估建筑结构在地震作用下的动力特性和延性性能并促进韧性城乡的建设,本文提出了一种名为Phy-LInformers的深度学习框架,该框架综合运用了长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)、Transformer类模型Informer以及物理先验知识,以实现对建筑结构非线性地震响应的精确预测。该框架的核心思想是结合Informer的编码(Encoder)和解码(Decoder)结构,在Decoder部分引入了LSTM以预测建筑物先前的历史状态信息。同时,通过将现有的物理知识(例如预测变量之间的状态依赖关系和运动控制方程等)编码到损失函数中,对Phy-LInformers进行指导并约束其学习空间,同时提高有限训练数据下深度学习模型的预测性能。随后,通过2个模拟数据算例验证所提框架的性能。结果表明,所提出的Phy-LInformers是一种鲁棒性良好、预测性能优秀的非线性地震响应预测方法,即使在训练样本非常少(例如仅有10条)的情况下依然能准确预测结构在地震作用下的动力响应。这一特性使得Phy-LInformers在工程实践中具有可行性,并且在建筑结构抗震性能评价领域展现出良好的应用前景。 展开更多
关键词 地震响应预测 物理知识 物理驱动的深度学习 时间序列预测 少样本学习 INFORMER 长短期记忆网络 Phy-LInformers
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