机器学习中的不确定性量化（UQ）目前正在引起越来越多的研究兴趣，这是由于深度神经网络在不同领域的快速部署，例如计算机视觉，自然语言处理以及对风险敏感应用程序中可靠的工具的需求。最近，还开发了各种机器学习模型，以解决科学计算领域的问题，并适用于计算科学和工程（CSE）。物理知识的神经网络和深层操作员网络是两个这样的模型，用于求解部分微分方程和学习操作员映射。在这方面，[45]中提供了专门针对科学机器学习（SCIML）模型量身定制的UQ方法的全面研究。然而，尽管具有理论上的优点，但这些方法的实施并不简单，尤其是在大规模的CSE应用程序中，阻碍了他们在研究和行业环境中的广泛采用。在本文中，我们提出了一个开源python图书馆（https://github.com/crunch-uq4mi），称为Neuraluq，并伴有教育教程，用于以方便且结构化的方式采用SCIML的UQ方法。该图书馆既专为教育和研究目的，都支持多种现代UQ方法和SCIML模型。它基于简洁的工作流程，并促进了用户的灵活就业和易于扩展。我们首先提出了神经脉的教程，随后在四个不同的示例中证明了其适用性和效率，涉及动态系统以及高维参数和时间依赖性PDE。

物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。

Despite great progress in simulating multiphysics problems using the numerical discretization of partial differential equations (PDEs), one still cannot seamlessly incorporate noisy data into existing algorithms, mesh generation remains complex, and high-dimensional problems governed by parameterized PDEs cannot be tackled. Moreover, solving inverse problems with hidden physics is often prohibitively expensive and requires different formulations and elaborate computer codes. Machine learning has emerged as a promising alternative, but training deep neural networks requires big data, not always available for scientific problems. Instead, such networks can be trained from additional information obtained by enforcing the physical laws (for example, at random points in the continuous space-time domain). Such physics-informed learning integrates (noisy) data and mathematical models, and implements them through neural networks or other kernel-based regression networks. Moreover, it may be possible to design specialized network architectures that automatically satisfy some of the physical invariants for better accuracy, faster training and improved generalization. Here, we review some of the prevailing trends in embedding physics into machine learning, present some of the current capabilities and limitations and discuss diverse applications of physics-informed learning both for forward and inverse problems, including discovering hidden physics and tackling high-dimensional problems.

Physics-Informed Neural Networks (PINNs) are gaining popularity as a method for solving differential equations. While being more feasible in some contexts than the classical numerical techniques, PINNs still lack credibility. A remedy for that can be found in Uncertainty Quantification (UQ) which is just beginning to emerge in the context of PINNs. Assessing how well the trained PINN complies with imposed differential equation is the key to tackling uncertainty, yet there is lack of comprehensive methodology for this task. We propose a framework for UQ in Bayesian PINNs (B-PINNs) that incorporates the discrepancy between the B-PINN solution and the unknown true solution. We exploit recent results on error bounds for PINNs on linear dynamical systems and demonstrate the predictive uncertainty on a class of linear ODEs.

我们制定了一类由物理驱动的深层变量模型（PDDLVM），以学习参数偏微分方程（PDES）的参数到解决方案（正向）和解决方案到参数（逆）图。我们的公式利用有限元方法（FEM），深神经网络和概率建模来组装一个深层概率框架，在该框架中，向前和逆图通过连贯的不确定性量化近似。我们的概率模型明确合并了基于参数PDE的密度和可训练的解决方案到参数网络，而引入的摊销变异家庭假定参数到解决方案网络，所有这些网络均经过联合培训。此外，所提出的方法不需要任何昂贵的PDE解决方案，并且仅在训练时间内对物理信息进行了信息，该方法允许PDE的实时仿真和培训后的逆问题解决方案的产生，绕开了对FEM操作的需求，以相当的准确性，以便于FEM解决方案。提出的框架进一步允许无缝集成观察到的数据，以解决反问题和构建生成模型。我们证明了方法对非线性泊松问题，具有复杂3D几何形状的弹性壳以及整合通用物理信息信息的神经网络（PINN）体系结构的有效性。与传统的FEM求解器相比，训练后，我们最多达到了三个数量级的速度，同时输出连贯的不确定性估计值。

Deep learning has achieved remarkable success in diverse applications; however, its use in solving partial differential equations (PDEs) has emerged only recently. Here, we present an overview of physics-informed neural networks (PINNs), which embed a PDE into the loss of the neural network using automatic differentiation. The PINN algorithm is simple, and it can be applied to different types of PDEs, including integro-differential equations, fractional PDEs, and stochastic PDEs. Moreover, from the implementation point of view, PINNs solve inverse problems as easily as forward problems. We propose a new residual-based adaptive refinement (RAR) method to improve the training efficiency of PINNs. For pedagogical reasons, we compare the PINN algorithm to a standard finite element method. We also present a Python library for PINNs, DeepXDE, which is designed to serve both as an education tool to be used in the classroom as well as a research tool for solving problems in computational science and engineering. Specifically, DeepXDE can solve forward problems given initial and boundary conditions, as well as inverse problems given some extra measurements. DeepXDE supports complex-geometry domains based on the technique of constructive solid geometry, and enables the user code to be compact, resembling closely the mathematical formulation. We introduce the usage of DeepXDE and its customizability, and we also demonstrate the capability of PINNs and the user-friendliness of DeepXDE for five different examples. More broadly, DeepXDE contributes to the more rapid development of the emerging Scientific Machine Learning field.

Partial differential equations (PDEs) are widely used for description of physical and engineering phenomena. Some key parameters involved in PDEs, which represents certain physical properties with important scientific interpretations, are difficult or even impossible to be measured directly. Estimation of these parameters from noisy and sparse experimental data of related physical quantities is an important task. Many methods for PDE parameter inference involve a large number of evaluations of numerical solution of PDE through algorithms such as finite element method, which can be time-consuming especially for nonlinear PDEs. In this paper, we propose a novel method for estimating unknown parameters in PDEs, called PDE-Informed Gaussian Process Inference (PIGPI). Through modeling the PDE solution as a Gaussian process (GP), we derive the manifold constraints induced by the (linear) PDE structure such that under the constraints, the GP satisfies the PDE. For nonlinear PDEs, we propose an augmentation method that transfers the nonlinear PDE into an equivalent PDE system linear in all derivatives that our PIGPI can handle. PIGPI can be applied to multi-dimensional PDE systems and PDE systems with unobserved components. The method completely bypasses the numerical solver for PDE, thus achieving drastic savings in computation time, especially for nonlinear PDEs. Moreover, the PIGPI method can give the uncertainty quantification for both the unknown parameters and the PDE solution. The proposed method is demonstrated by several application examples from different areas.

基于神经网络的数据驱动操作员学习方案在计算力学中显示出巨大的潜力。 DeWonet是一种这样的神经网络体系结构，由于其出色的预测能力，它广泛赞赏。话虽如此，在确定性框架中设定的deponet架构面临过度拟合，概括不良和其不变形式的风险，因此无法量化与预测相关的不确定性。我们在本文中提出了一种用于操作员学习的跨贝叶斯迪维诺内特（VB-Deeponet），可以在很大程度上减轻deponet架构的这些局限性，并为用户提供有关预测阶段相关不确定性的更多信息。贝叶斯框架中设定的神经网络背后的关键思想是，神经网络的权重和偏见被视为概率分布而不是点估计，并且使用贝叶斯推理来更新其先前的分布。现在，为了管理与近似后验分布相关的计算成本，提出的VB-Deeponet使用\ textIt {变异推理}。与马尔可夫链蒙特卡洛方案不同，变异推理具有考虑高维后分布的能力，同时保持相关的计算成本较低。涵盖力学问题的不同示例，例如扩散反应，重力摆，对流扩散，以说明了所提出的VB-Deeponet的性能，并且在确定性框架中也对Deeponet集进行了比较。

标准的神经网络可以近似一般的非线性操作员，要么通过数学运算符的组合（例如，在对流 - 扩散反应部分微分方程中）的组合，要么仅仅是黑匣子，例如黑匣子，例如一个系统系统。第一个神经操作员是基于严格的近似理论于2019年提出的深层操作员网络（DeepOnet）。从那时起，已经发布了其他一些较少的一般操作员，例如，基于图神经网络或傅立叶变换。对于黑匣子系统，对神经操作员的培训仅是数据驱动的，但是如果知道管理方程式可以在培训期间将其纳入损失功能，以开发物理知识的神经操作员。神经操作员可以用作设计问题，不确定性量化，自主系统以及几乎任何需要实时推断的应用程序中的代替代物。此外，通过将它们与相对轻的训练耦合，可以将独立的预训练deponets用作复杂多物理系统的组成部分。在这里，我们介绍了Deponet，傅立叶神经操作员和图神经操作员的评论，以及适当的扩展功能扩展，并突出显示它们在计算机械师中的各种应用中的实用性，包括多孔媒体，流体力学和固体机制， 。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

动态系统参见在物理，生物学，化学等自然科学中广泛使用，以及电路分析，计算流体动力学和控制等工程学科。对于简单的系统，可以通过应用基本物理法来导出管理动态的微分方程。然而，对于更复杂的系统，这种方法变得非常困难。数据驱动建模是一种替代范式，可以使用真实系统的观察来了解系统的动态的近似值。近年来，对数据驱动的建模技术的兴趣增加，特别是神经网络已被证明提供了解决广泛任务的有效框架。本文提供了使用神经网络构建动态系统模型的不同方式的调查。除了基础概述外，我们还审查了相关的文献，概述了这些建模范式必须克服的数值模拟中最重要的挑战。根据审查的文献和确定的挑战，我们提供了关于有前途的研究领域的讨论。

Recent years have witnessed a growth in mathematics for deep learning--which seeks a deeper understanding of the concepts of deep learning with mathematics, and explores how to make it more robust--and deep learning for mathematics, where deep learning algorithms are used to solve problems in mathematics. The latter has popularised the field of scientific machine learning where deep learning is applied to problems in scientific computing. Specifically, more and more neural network architectures have been developed to solve specific classes of partial differential equations (PDEs). Such methods exploit properties that are inherent to PDEs and thus solve the PDEs better than classical feed-forward neural networks, recurrent neural networks, and convolutional neural networks. This has had a great impact in the area of mathematical modeling where parametric PDEs are widely used to model most natural and physical processes arising in science and engineering, In this work, we review such methods and extend them for parametric studies as well as for solving the related inverse problems. We equally proceed to show their relevance in some industrial applications.

现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具，以解决无数的挑战问题。然而，由于深度学习方法作为黑匣子运作，因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集，用于设计，实施，列车，使用和评估贝叶斯神经网络，即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。

逆问题本质上是普遍存在的，几乎在科学和工程的几乎所有领域都出现，从地球物理学和气候科学到天体物理学和生物力学。解决反问题的核心挑战之一是解决他们的不良天性。贝叶斯推论提供了一种原则性的方法来克服这一方法，通过将逆问题提出为统计框架。但是，当推断具有大幅度的离散表示的字段（所谓的“维度的诅咒”）和/或仅以先前获取的解决方案的形式可用时。在这项工作中，我们提出了一种新的方法，可以使用深层生成模型进行有效，准确的贝叶斯反转。具体而言，我们证明了如何使用生成对抗网络（GAN）在贝叶斯更新中学到的近似分布，并在GAN的低维度潜在空间中重新解决所得的推断问题，从而有效地解决了大规模的解决方案。贝叶斯逆问题。我们的统计框架保留了潜在的物理学，并且被证明可以通过可靠的不确定性估计得出准确的结果，即使没有有关基础噪声模型的信息，这对于许多现有方法来说都是一个重大挑战。我们证明了提出方法对各种反问题的有效性，包括合成和实验观察到的数据。

线性系统发生在整个工程和科学中，最著名的是差分方程。在许多情况下，系统的强迫函数尚不清楚，兴趣在于使用对系统的嘈杂观察来推断强迫以及其他未知参数。在微分方程中，强迫函数是自变量（通常是时间和空间）的未知函数，可以建模为高斯过程（GP）。在本文中，我们展示了如何使用GP内核的截断基础扩展，如何使用线性系统的伴随有效地推断成GP的功能。我们展示了如何实现截短的GP的确切共轭贝叶斯推断，在许多情况下，计算的计算大大低于使用MCMC方法所需的计算。我们证明了普通和部分微分方程系统的方法，并表明基础扩展方法与数量适中的基础向量相近。最后，我们展示了如何使用贝叶斯优化来推断非线性模型参数（例如内核长度尺度）的点估计值。

我们提出了一种基于深度学习的代理模型，用于解决高维不确定性量化和不确定性传播问题。通过将众所周知的U-Net架构与高斯门控线性网络（GGLN）集成并称为所界线线性网络引起的U-Net或Glu-Net，通过将众所周知的U-Net架构进行了开发了建议的深度学习架构。所提出的Glu-Net将不确定性传播问题视为图像回归的图像，因此是极其数据效率。此外，它还提供了预测性不确定性的估计。 Glu-Net的网络架构不太复杂，参数比当代作品较少44 \％。我们说明了所提议的Glu-net在稀疏数据场景下在不确定性下解决达西流动问题的表现。我们认为随机输入维度最高可达4225.使用香草蒙特卡罗模拟产生基准结果。即使没有关于输入的结构的信息提供对网络的结构的信息，我们也观察到所提出的Glu-Net是准确的，非常有效。通过改变训练样本大小和随机输入维度来进行案例研究以说明所提出的方法的稳健性。

深度学习方法的应用加快了挑战性电流问题的分辨率，最近显示出令人鼓舞的结果。但是，电力系统动力学不是快照，稳态操作。必须考虑这些动力学，以确保这些模型提供的最佳解决方案遵守实用的动力约束，避免频率波动和网格不稳定性。不幸的是，由于其高计算成本，基于普通或部分微分方程的动态系统模型通常不适合在控制或状态估计中直接应用。为了应对这些挑战，本文介绍了一种机器学习方法，以近乎实时近似电力系统动态的行为。该拟议的框架基于梯度增强的物理知识的神经网络（GPINNS），并编码有关电源系统的基本物理定律。拟议的GPINN的关键特征是它的训练能力而无需生成昂贵的培训数据。该论文说明了在单机无限总线系统中提出的方法在预测转子角度和频率的前进和反向问题中的潜力，以及不确定的参数，例如惯性和阻尼，以展示其在一系列电力系统应用中的潜力。

We propose a novel model agnostic data-driven reliability analysis framework for time-dependent reliability analysis. The proposed approach -- referred to as MAntRA -- combines interpretable machine learning, Bayesian statistics, and identifying stochastic dynamic equation to evaluate reliability of stochastically-excited dynamical systems for which the governing physics is \textit{apriori} unknown. A two-stage approach is adopted: in the first stage, an efficient variational Bayesian equation discovery algorithm is developed to determine the governing physics of an underlying stochastic differential equation (SDE) from measured output data. The developed algorithm is efficient and accounts for epistemic uncertainty due to limited and noisy data, and aleatoric uncertainty because of environmental effect and external excitation. In the second stage, the discovered SDE is solved using a stochastic integration scheme and the probability failure is computed. The efficacy of the proposed approach is illustrated on three numerical examples. The results obtained indicate the possible application of the proposed approach for reliability analysis of in-situ and heritage structures from on-site measurements.

我们开发了一种基于嘈杂观测值的时空动力学模型的完全贝叶斯学习和校准的方法。通过将观察到的数据与机械系统的模拟计算机实验融合信息来实现校准。联合融合使用高斯和非高斯州空间方法以及高斯工艺回归。假设动态系统受到有限的输入收集的控制，高斯过程回归通过许多训练运行来了解这些参数的效果，从而推动了时空状态空间组件的随机创新。这可以在空间和时间上对动态进行有效的建模。通过减少的高斯过程和共轭模型规范，我们的方法适用于大规模校准和反问题。我们的方法是一般，可扩展的，并且能够学习具有潜在模型错误指定的各种动力系统。我们通过解决普通和部分非线性微分方程的分析中产生的反问题来证明这种灵活性，此外，还可以在网络上生成时空动力学的黑盒计算机模型。

操作员的学习框架由于其能够在两个无限尺寸功能空间之间学习非线性图和神经网络的利用能力，因此最近成为应用机器学习领域中最相关的领域之一。尽管这些框架在建模复杂现象方面具有极大的能力，但它们需要大量数据才能成功培训，这些数据通常是不可用或太昂贵的。但是，可以通过使用多忠诚度学习来缓解此问题，在这种学习中，通过使用大量廉价的低保真数据以及少量昂贵的高保真数据来训练模型。为此，我们开发了一个基于小波神经操作员的新框架，该框架能够从多保真数据集中学习。通过解决不同的问题，需要在两个忠诚度之间进行有效的相关性学习来证明开发模型的出色学习能力。此外，我们还评估了开发框架在不确定性定量中的应用。从这项工作中获得的结果说明了拟议框架的出色表现。