Solute transport in porous media is relevant to a wide range of applications in hydrogeology, geothermal energy, underground CO2 storage, and a variety of chemical engineering systems. Due to the complexity of solute transport in heterogeneous porous media, traditional solvers require high resolution meshing and are therefore expensive computationally. This study explores the application of a mesh-free method based on deep learning to accelerate the simulation of solute transport. We employ Physics-informed Neural Networks (PiNN) to solve solute transport problems in homogeneous and heterogeneous porous media governed by the advection-dispersion equation. Unlike traditional neural networks that learn from large training datasets, PiNNs only leverage the strong form mathematical models to simultaneously solve for multiple dependent or independent field variables (e.g., pressure and solute concentration fields). In this study, we construct PiNN using a periodic activation function to better represent the complex physical signals (i.e., pressure) and their derivatives (i.e., velocity). Several case studies are designed with the intention of investigating the proposed PiNN's capability to handle different degrees of complexity. A manual hyperparameter tuning method is used to find the best PiNN architecture for each test case. Point-wise error and mean square error (MSE) measures are employed to assess the performance of PiNNs' predictions against the ground truth solutions obtained analytically or numerically using the finite element method. Our findings show that the predictions of PiNN are in good agreement with the ground truth solutions while reducing computational complexity and cost by, at least, three orders of magnitude.

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。

在本文中，我们开发了一种物理知识的神经网络（PINN）模型，用于具有急剧干扰初始条件的抛物线问题。作为抛物线问题的一个示例，我们考虑具有点（高斯）源初始条件的对流 - 分散方程（ADE）。在$ d $维的ADE中，在初始条件衰减中的扰动随时间$ t $ as $ t^{ - d/2} $，这可能会在Pinn解决方案中造成较大的近似错误。 ADE溶液中的局部大梯度使该方程的残余效率低下的（PINN）拉丁高立方体采样（常见）。最后，抛物线方程的PINN解对损耗函数中的权重选择敏感。我们提出了一种归一化的ADE形式，其中溶液的初始扰动不会降低幅度，并证明该归一化显着降低了PINN近似误差。我们提出了与通过其他方法选择的权重相比，损耗函数中的权重标准更准确。最后，我们提出了一种自适应采样方案，该方案可显着减少相同数量的采样（残差）点的PINN溶液误差。我们证明了提出的PINN模型的前进，反向和向后ADE的准确性。

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.

两个不混溶的流体的位移是多孔介质中流体流动的常见问题。这种问题可以作为局部微分方程（PDE）构成通常被称为Buckley-Leverett（B-L）问题。 B-L问题是一种非线性双曲守护法，众所周知，使用传统的数值方法难以解决。在这里，我们使用物理信息的神经网络（Pinns）使用非凸版通量函数来解决前向双曲线B-L问题。本文的贡献是双重的。首先，我们通过将Oleinik熵条件嵌入神经网络残差来提出一种Pinn方法来解决双曲线B-L问题。我们不使用扩散术语（人工粘度）在残留损失中，但我们依靠PDE的强形式。其次，我们使用ADAM优化器与基于残留的自适应细化（RAR）算法，实现不加权的超低损耗。我们的解决方案方法可以精确地捕获冲击前并产生精确的整体解决方案。我们报告了一个2 x 10-2的L2验证误差和1x 10-6的L2损耗。所提出的方法不需要任何额外的正则化或加权损失以获得这种准确的解决方案。

物理信息神经网络（PINN）能够找到给定边界值问题的解决方案。我们使用有限元方法（FEM）的几个想法来增强工程问题中现有的PINN的性能。当前工作的主要贡献是促进使用主要变量的空间梯度作为分离神经网络的输出。后来，具有较高衍生物的强形式应用于主要变量的空间梯度作为物理约束。此外，该问题的所谓能量形式被应用于主要变量，作为训练的附加约束。所提出的方法仅需要一阶导数来构建物理损失函数。我们讨论了为什么通过不同模型之间的各种比较，这一点是有益的。基于配方混合的PINN和FE方法具有一些相似之处。前者利用神经网络的复杂非线性插值将PDE及其能量形式最小化及其能量形式，而后者则在元素节点借助Shape函数在元素节点上使用相同。我们专注于异质固体，以显示深学习在不同边界条件下在复杂环境中预测解决方案的能力。针对FEM的解决方案对两个原型问题的解决方案进行了检查：弹性和泊松方程（稳态扩散问题）。我们得出的结论是，通过正确设计PINN中的网络体系结构，深度学习模型有可能在没有其他来源的任何可用初始数据中解决异质域中的未知数。最后，关于Pinn和FEM的组合进行了讨论，以在未来的开发中快速准确地设计复合材料。

我们提出了一种在多孔培养基中使用物理知识的神经网络（PINNS）中多相热力学（THM）过程中的参数鉴定的解决方案策略。我们采用无量纲的理事方程式，特别适合逆问题，我们利用了我们先前工作中开发的顺序多物理Pinn求解器。我们在多个基准问题上验证了所提出的反模型方法，包括Terzaghi的等温固结问题，Barry-Mercer的等温注射产生问题以及非饱和土壤层的非等热整合。我们报告了提出的顺序PINN-THM逆求器的出色性能，从而为将PINNS应用于复杂非线性多物理问题的逆建模铺平了道路。

深入学习被证明是通过物理信息的神经网络（PINNS）求解部分微分方程（PDE）的有效工具。 Pinns将PDE残差嵌入到神经网络的损耗功能中，已成功用于解决各种前向和逆PDE问题。然而，第一代Pinns的一个缺点是它们通常具有许多训练点即使具有有限的准确性。在这里，我们提出了一种新的方法，梯度增强的物理信息的神经网络（GPInns），用于提高Pinns的准确性和培训效率。 GPInns利用PDE残差的梯度信息，并将梯度嵌入损耗功能。我们广泛地测试了GPinns，并证明了GPInns在前进和反向PDE问题中的有效性。我们的数值结果表明，GPInn比贴图更好地表现出较少的训练点。此外，我们将GPIn与基于残留的自适应细化（RAR）的方法组合，一种用于在训练期间自适应地改善训练点分布的方法，以进一步提高GPInn的性能，尤其是具有陡峭梯度的溶液的PDE。

物理知识的神经网络（PINNS）由于能力将物理定律纳入模型，在工程的各个领域都引起了很多关注。但是，对机械和热场之间涉及耦合的工业应用中PINN的评估仍然是一个活跃的研究主题。在这项工作中，我们提出了PINNS在非牛顿流体热机械问题上的应用，该问题通常在橡胶日历过程中考虑。我们证明了PINN在处理逆问题和不良问题时的有效性，这些问题是不切实际的，可以通过经典的数值离散方法解决。我们研究了传感器放置的影响以及无监督点对PINNS性能的分布，即从某些部分数据中推断出隐藏的物理领域的问题。我们还研究了PINN从传感器捕获的测量值中识别未知物理参数的能力。在整个工作中，还考虑了嘈杂测量的效果。本文的结果表明，在识别问题中，PINN可以仅使用传感器上的测量结果成功估算未知参数。在未完全定义边界条件的不足问题中，即使传感器的放置和无监督点的分布对PINNS性能产生了很大的影响，我们表明该算法能够从局部测量中推断出隐藏的物理。

Navier-Stokes方程是描述液体和空气等流体运动的重要部分微分方程。由于Navier-Stokes方程的重要性，有效的数值方案的发展对科学和工程师都很重要。最近，随着AI技术的开发，已经设计了几种方法来整合深层神经网络，以模拟和推断不可压缩的Navier-Stokes方程所控制的流体动力学，这些方程可以以无网状和可不同的方式加速模拟或推断过程。在本文中，我们指出，现有的深入Navier-Stokes知情方法的能力仅限于处理非平滑或分数方程，这在现实中是两种关键情况。为此，我们提出了\ emph {深入的随机涡流方法}（drvm），该方法将神经网络与随机涡流动力学系统相结合，等效于Navier-Stokes方程。具体而言，随机涡流动力学激发了用于训练神经网络的基于蒙特卡洛的损失函数，从而避免通过自动差异计算衍生物。因此，DRVM不仅可以有效地求解涉及粗糙路径，非差异初始条件和分数运算符的Navier-Stokes方程，而且还继承了基于深度学习的求解器的无网格和可区分优势。我们对凯奇问题，参数求解器学习以及2-D和3-D不可压缩的Navier-Stokes方程的逆问题进行实验。所提出的方法为Navier-Stokes方程的仿真和推断提供了准确的结果。特别是对于包括奇异初始条件的情况，DRVM明显胜过现有的PINN方法。

深度学习的繁荣激发了渴望整合这两个领域的计算流体动力学的研究人员和实践者。PINN（物理信息神经网络）方法就是这样的尝试。尽管文献中的大多数报告都显示出应用PINN方法的积极结果，但我们对其进行了实验扼杀了这种乐观。这项工作介绍了我们使用PINN解决两个基本流量问题的不成功的故事：2D Taylor-Green Vortex at $ re = 100 $ = 100 $和2D缸流，$ re re = 200 $。 Pinn方法解决了2D Taylor-Green涡流问题，并以可接受的结果为基础，我们将这种流程作为精度和性能基准。 Pinn方法的准确性需要大约32个小时的训练，以使$ 16 \ times 16 $有限差异模拟的准确性不到20秒。另一方面，2D气缸流甚至没有导致物理溶液。 Pinn方法的表现像稳态的求解器，没有捕获涡流脱落现象。通过分享我们的经验，我们要强调的是，Pinn方法仍然是一种正在进行的工作。需要更多的工作来使Pinn对于现实世界中的问题可行。

在本文中，我们演示并调查了一些挑战，这些挑战阻碍了使用物理知识的神经网络解决复杂问题的方式。特别是，我们可视化受过训练的模型的损失景观，并在存在物理学的情况下对反向传播梯度进行灵敏度分析。我们的发现表明，现有的方法产生了难以导航的高度非凸损失景观。此外，高阶PDE污染了可能阻碍或防止收敛的反向传播梯度。然后，我们提出了一种新的方法，该方法绕过了高阶PDE操作员的计算并减轻反向传播梯度的污染。为此，我们降低了解决方案搜索空间的维度，并通过非平滑解决方案促进学习问题。我们的配方还提供了一种反馈机制，可帮助我们的模型适应地专注于难以学习的领域的复杂区域。然后，我们通过调整Lagrange乘数方法来提出一个无约束的二重问题。我们运用我们的方法来解决由线性和非线性PDE控制的几个具有挑战性的基准问题。

科学和工程学中的一个基本问题是设计最佳的控制政策，这些政策将给定的系统转向预期的结果。这项工作提出了同时求解给定系统状态和最佳控制信号的控制物理信息的神经网络（控制PINNS），在符合基础物理定律的一个阶段框架中。先前的方法使用两个阶段的框架，该框架首先建模然后按顺序控制系统。相比之下，控制PINN将所需的最佳条件纳入其体系结构和损耗函数中。通过解决以下开环的最佳控制问题来证明控制PINN的成功：（i）一个分析问题，（ii）一维热方程，以及（iii）二维捕食者捕食者问题。

地震波的频域模拟在地震反演中起着重要作用，但在大型模型中仍然具有挑战性。作为有效的深度学习方法，最近提出的物理知识的神经网络（PINN）在解决广泛的偏微分方程（PDES）方面取得了成功的应用，并且在这方面仍然有改进的余地。例如，当PDE系数不平滑并描述结构复合介质时，PINN可能导致溶液不准确。在本文中，我们通过使用PINN而不是波方程来求解频域中的声学和Visco声学散射的场波方程，以消除源奇异性。我们首先说明，当在损失函数中未实现边界条件时，非平滑速度模型导致波场不准确。然后，我们在PINN的损耗函数中添加了完美匹配的层（PML）条件，并设计了二次神经网络，以克服PINN中非平滑模型的有害影响。我们表明，PML和二次神经元改善了结果和衰减，并讨论了这种改进的原因。我们还说明，在波场模拟中训练的网络可用于预先训练PDE-Coeff及时改变后另一个波场模拟的神经网络，并相应地提高收敛速度。当两次连续迭代或两个连续的实验之间的模型扰动时，这种预训练策略应在迭代全波形反转（FWI）和时置目标成像中找到应用。

近年来，深入学习技术已被用来解决部分微分方程（PDE），其中物理信息的神经网络（PINNS）出现是解决前向和反向PDE问题的有希望的方法。具有点源的PDE，其表示为管理方程中的DIRAC DELTA函数是许多物理过程的数学模型。然而，由于DIRAC DELTA功能所带来的奇点，它们不能直接通过传统的PINNS方法来解决。我们提出了一种普遍的解决方案，以用三种新颖的技术解决这个问题。首先，DIRAC DELTA功能被建模为连续概率密度函数以消除奇点;其次，提出了下限约束的不确定性加权算法，以平衡点源区和其他区域之间的Pinns损失;第三，使用具有周期性激活功能的多尺度深度神经网络来提高PinnS方法的准确性和收敛速度。我们评估了三种代表性PDE的提出方法，实验结果表明，我们的方法优于基于深度学习的方法，涉及准确性，效率和多功能性。

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.

We propose characteristic-informed neural networks (CINN), a simple and efficient machine learning approach for solving forward and inverse problems involving hyperbolic PDEs. Like physics-informed neural networks (PINN), CINN is a meshless machine learning solver with universal approximation capabilities. Unlike PINN, which enforces a PDE softly via a multi-part loss function, CINN encodes the characteristics of the PDE in a general-purpose deep neural network trained with the usual MSE data-fitting regression loss and standard deep learning optimization methods. This leads to faster training and can avoid well-known pathologies of gradient descent optimization of multi-part PINN loss functions. If the characteristic ODEs can be solved exactly, which is true in important cases, the output of a CINN is an exact solution of the PDE, even at initialization, preventing the occurrence of non-physical outputs. Otherwise, the ODEs must be solved approximately, but the CINN is still trained only using a data-fitting loss function. The performance of CINN is assessed empirically in forward and inverse linear hyperbolic problems. These preliminary results indicate that CINN is able to improve on the accuracy of the baseline PINN, while being nearly twice as fast to train and avoiding non-physical solutions. Future extensions to hyperbolic PDE systems and nonlinear PDEs are also briefly discussed.

当通过差异模型研究流行动力学时，要了解现象并模拟预测场景所需的参数需要微妙的校准阶段，通常会因官方来源报告的稀缺性和不确定性而变得更加挑战。在这种情况下，通过嵌入控制物理现象在学习过程中的差异模型的知识，可以有效解决数据驱动的学习的逆问题，并解决相应的流行病问题，从而使物理知识的神经网络（PINN）（PINN）（PINN）（PINNS）。 。然而，在许多情况下，传染病的空间传播的特征是在多尺度PDE的不同尺度上的个体运动。这反映了与城市和邻近区域内动态有关的区域或领域的异质性。在存在多个量表的情况下，PINN的直接应用通常会导致由于神经网络损失函数中差异模型的多尺度性质而导致的结果差。为了使神经网络相对于小规模统一运行，希望神经网络满足学习过程中的渐近保护（AP）特性。为此，我们考虑了一类新的AP神经网络（APNNS），用于多尺度双曲线传输模型的流行病扩散模型，由于损失函数的适当配方，它能够在系统的不同尺度上均匀地工作。一系列针对不同流行病的数值测试证实了所提出的方法的有效性，在处理多尺度问题时，突出了AP在神经网络中的重要性，尤其是在存在稀疏和部分观察到的系统的情况下。

物理知识的神经网络（PINNS）最近由于解决前进和反向问题的能力而受到了很多关注。为了训练与PINN相关的深层神经网络，通常会使用不同损失项的加权总和构建总损耗函数，然后尝试将其最小化。这种方法通常会成为解决刚性方程式的问题，因为它不能考虑自适应增量。许多研究报告说，PINN的性能不佳及其在模拟僵硬的普通差分条件（ODE）条件下模拟僵硬的化学活动问题方面的挑战。研究表明，刚度是PINN在模拟刚性动力学系统中失败的主要原因。在这里，我们通过提出减少损失函数的弱形式来解决这个问题，这导致了新的PINN结构（进一步称为还原Pinn），该结构利用降低的集成方法来使Pinn能够求解僵硬的化学动力学。所提出的还原细菌可以应用于涉及僵硬动力学的各种反应扩散系统。为此，我们将初始价值问题（IVP）转换为它们的等效积分形式，并使用物理知识的神经网络求解所得的积分方程。在我们派生的基于积分的优化过程中，只有一个术语，而没有明确合并与普通微分方程（ODE）和初始条件（ICS）相关的损失项。为了说明减少细菌的功能，我们用它来模拟多个僵硬/轻度的二阶频率。我们表明，还原的Pinn可准确捕获刚性标量颂歌的溶液。我们还针对线性ODES的硬质系统验证了还原的Pinn。

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.