Data-driven models such as neural networks are being applied more and more to safety-critical applications, such as the modeling and control of cyber-physical systems. Despite the flexibility of the approach, there are still concerns about the safety of these models in this context, as well as the need for large amounts of potentially expensive data. In particular, when long-term predictions are needed or frequent measurements are not available, the open-loop stability of the model becomes important. However, it is difficult to make such guarantees for complex black-box models such as neural networks, and prior work has shown that model stability is indeed an issue. In this work, we consider an aluminum extraction process where measurements of the internal state of the reactor are time-consuming and expensive. We model the process using neural networks and investigate the role of including skip connections in the network architecture as well as using l1 regularization to induce sparse connection weights. We demonstrate that these measures can greatly improve both the accuracy and the stability of the models for datasets of varying sizes.

随着数据的不断增加，将现代机器学习方法应用于建模和控制等领域的兴趣爆炸。但是，尽管这种黑盒模型具有灵活性和令人惊讶的准确性，但仍然很难信任它们。结合两种方法的最新努力旨在开发灵活的模型，这些模型仍然可以很好地推广。我们称为混合分析和建模（HAM）的范式。在这项工作中，我们调查了使用数据驱动模型纠正基于错误的物理模型的纠正源术语方法（COSTA）。这使我们能够开发出可以进行准确预测的模型，即使问题的基本物理学尚未得到充分理解。我们将Costa应用于铝电解电池中的Hall-H \'Eroult工艺。我们证明该方法提高了准确性和预测稳定性，从而产生了总体可信赖的模型。

人工神经网络今天具有广泛的应用程序，因为它们的高度灵活性和从数据中建模非线性功能的能力。但是，由于其黑盒性质，从小型数据集概括的能力差以及在培训期间的不一致的融合，神经网络的可信度受到限制。铝电解是一个复杂的非线性过程，具有许多相互关联的子处理。人工神经网络可能非常适合对铝电解过程进行建模，但是此过程的安全性最关键的性质需要值得信赖的模型。在这项工作中，稀疏的神经网络经过训练，以建模铝电解模拟器的系统动力学。与相应的密集神经网络相比，稀疏模型结构的模型复杂性显着降低。我们认为这使模型更容易解释。此外，实证研究表明，稀疏模型比密集的神经网络从小型训练集中概括得更好。此外，训练具有不同参数初始化的稀疏神经网络的合奏表明，模型会收敛到具有相似学习的输入特征的相似模型结构。

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。

最近的研究表明，监督学习可以是为高维非线性动态系统设计最佳反馈控制器的有效工具。但是这些神经网络（NN）控制器的行为仍未得到很好的理解。在本文中，我们使用数值模拟来证明典型的测试精度度量没有有效地捕获NN控制器稳定系统的能力。特别是，具有高测试精度的一些NN不能稳定动态。为了解决这个问题，我们提出了两个NN架构，该架构在局部地近似线性二次调节器（LQR）。数值模拟确认了我们的直觉，即建议的架构可靠地产生稳定反馈控制器，而不会牺牲最佳状态。此外，我们介绍了描述这种NN控制系统的一些稳定性特性的初步理论结果。

在许多学科中，动态系统的数据信息预测模型的开发引起了广泛的兴趣。我们提出了一个统一的框架，用于混合机械和机器学习方法，以从嘈杂和部分观察到的数据中识别动态系统。我们将纯数据驱动的学习与混合模型进行比较，这些学习结合了不完善的域知识。我们的公式与所选的机器学习模型不可知，在连续和离散的时间设置中都呈现，并且与表现出很大的内存和错误的模型误差兼容。首先，我们从学习理论的角度研究无内存线性（W.R.T.参数依赖性）模型误差，从而定义了过多的风险和概括误差。对于沿阵行的连续时间系统，我们证明，多余的风险和泛化误差都通过与T的正方形介于T的术语（指定训练数据的时间间隔）的术语界定。其次，我们研究了通过记忆建模而受益的方案，证明了两类连续时间复发性神经网络（RNN）的通用近似定理：两者都可以学习与内存有关的模型误差。此外，我们将一类RNN连接到储层计算，从而将学习依赖性错误的学习与使用随机特征在Banach空间之间进行监督学习的最新工作联系起来。给出了数值结果（Lorenz '63，Lorenz '96多尺度系统），以比较纯粹的数据驱动和混合方法，发现混合方法较少，渴望数据较少，并且更有效。最后，我们从数值上证明了如何利用数据同化来从嘈杂，部分观察到的数据中学习隐藏的动态，并说明了通过这种方法和培训此类模型来表示记忆的挑战。

在广泛的应用程序中，从观察到的数据中识别隐藏的动态是一项重大且具有挑战性的任务。最近，线性多步法方法（LMM）和深度学习的结合已成功地用于发现动力学，而对这种方法进行完整的收敛分析仍在开发中。在这项工作中，我们考虑了基于网络的深度LMM，以发现动态。我们使用深网的近似属性提出了这些方法的错误估计。它指出，对于某些LMMS的家庭，$ \ ell^2 $网格错误由$ O（H^p）$的总和和网络近似错误，其中$ h $是时间步长和$P $是本地截断错误顺序。提供了几个物理相关示例的数值结果，以证明我们的理论。

本文旨在讨论和分析控制设计应用中经常性神经网络（RNN）的潜力。考虑RNN的主要系列，即神经非线性自回归外源，（NNARX），回波状态网络（ESN），长短短期存储器（LSTM）和门控复发单元（GRU）。目标是双重。首先，为了调查近期RNN培训的结果，可以享受输入到状态稳定性（ISS）和增量输入到状态稳定性（{\ delta} ISS）保证。其次，讨论仍然阻碍RNN进行控制的问题，即它们的鲁棒性，核算和解释性。前者属性与网络的所谓概括能力有关，即即使在视野或扰动的输入轨迹存在下，它们与底层真实植物的一致性。后者与在RNN模型和植物之间提供明确的正式连接的可能性有关。在这种情况下，我们说明了Iss和{\ delta} ISS如何朝着RNN模型的稳健性和可验证代表重大步骤，而可解释性的要求铺平了基于物理的网络的使用方式。还简要讨论了植物模型的模型预测控制器的设计。最后，在模拟化学体系上说明了本文的一些主要话题。

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。

基于预测方法的深度学习已成为时间序列预测或预测的许多应用中的首选方法，通常通常优于其他方法。因此，在过去的几年中，这些方法现在在大规模的工业预测应用中无处不在，并且一直在预测竞赛（例如M4和M5）中排名最佳。这种实践上的成功进一步提高了学术兴趣，以理解和改善深厚的预测方法。在本文中，我们提供了该领域的介绍和概述：我们为深入预测的重要构建块提出了一定深度的深入预测；随后，我们使用这些构建块，调查了最近的深度预测文献的广度。

Identifying coordinate transformations that make strongly nonlinear dynamics approximately linear is a central challenge in modern dynamical systems. These transformations have the potential to enable prediction, estimation, and control of nonlinear systems using standard linear theory. The Koopman operator has emerged as a leading data-driven embedding, as eigenfunctions of this operator provide intrinsic coordinates that globally linearize the dynamics. However, identifying and representing these eigenfunctions has proven to be mathematically and computationally challenging. This work leverages the power of deep learning to discover representations of Koopman eigenfunctions from trajectory data of dynamical systems. Our network is parsimonious and interpretable by construction, embedding the dynamics on a low-dimensional manifold parameterized by these eigenfunctions. In particular, we identify nonlinear coordinates on which the dynamics are globally linear using a modified auto-encoder. We also generalize Koopman representations to include a ubiquitous class of systems that exhibit continuous spectra, ranging from the simple pendulum to nonlinear optics and broadband turbulence. Our framework parametrizes the continuous frequency using an auxiliary network, enabling a compact and efficient embedding, while connecting our models to half a century of asymptotics. In this way, we benefit from the power and generality of deep learning, while retaining the physical interpretability of Koopman embeddings.

在概述中，引入了通用数学对象（映射），并解释了其与模型物理参数化的关系。引入了可用于模拟和/或近似映射的机器学习（ML）工具。ML的应用在模拟现有参数化，开发新的参数化，确保物理约束和控制开发应用程序的准确性。讨论了一些允许开发人员超越标准参数化范式的ML方法。

最近的研究表明，监督学习可能是设计用于高维非线性动态系统的最佳反馈控制器的有效工具。但是神经网络控制器的行为仍然不太了解。特别是，一些具有高测试精度的神经网络甚至无法局部稳定动态系统。为了应对这一挑战，我们提出了几种新型的神经网络体系结构，我们显示出保证局部渐近稳定性，同时保留了学习最佳反馈政策半全球的近似能力。通过两个高维非线性最佳控制问题的数值模拟，将所提出的体系结构与标准的神经网络反馈控制器进行了比较：稳定不稳定的汉堡型部分偏差方程，以及无人驾驶汽车的高度和课程跟踪。模拟表明，即使经过良好的训练，标准的神经网络也可能无法稳定动力学，而所提出的体系结构始终至少在本地稳定。此外，发现拟议的控制器在测试中几乎是最佳的。

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。

由于其高能量强度，建筑物在当前全球能源转型中发挥着重要作用。建筑模型是普遍无处不在的，因为在建筑物的每个阶段都需要它们，即设计，改装和控制操作。基于物理方程式的古典白盒式模型必然遵循物理规律，但其底层结构的具体设计可能会阻碍他们的表现力，从而阻碍他们的准确性。另一方面，黑匣子型号更适合捕获非线性建筑动态，因此通常可以实现更好的准确性，但它们需要大量的数据，并且可能不会遵循物理规律，这是神经网络特别常见的问题（NN）模型。为了抵消这种已知的概括问题，最近介绍了物理知识的NNS，研究人员在NNS的结构中介绍了以底层底层物理法律接地，并避免经典的NN概括问题。在这项工作中，我们介绍了一种新的物理信息的NN架构，被称为身体一致的NN（PCNN），其仅需要过去的运行数据并且没有工程开销，包括在并联运行到经典NN的线性模块中的先前知识。我们正式证明，这些网络是物理上一致的 - 通过设计甚至在看不见的数据 - 关于不同的控制输入和邻近区域的温度。我们在案例研究中展示了他们的表现，其中PCNN比3美元的古典物理型电阻电容模型更好地获得高达50美元的准确性。此外，尽管结构受到约束的结构，但PCNNS在验证数据上对古典NNS对古典NNS进行了类似的性能，使训练数据较少，并保留高表达性以解决泛化问题。

生产精确的天气预报和不确定的不确定性的可靠量化是一个开放的科学挑战。到目前为止，集团预测是最成功的方法，以产生相关预测的方法以及估计其不确定性。集合预测的主要局限性是高计算成本，难以捕获和量化不同的不确定性来源，特别是与模型误差相关的源。在这项工作中，进行概念证据模型实验，以检查培训的ANN的性能，以预测系统的校正状态和使用单个确定性预测作为输入的状态不确定性。我们比较不同的培训策略：一个基于使用集合预测的平均值和传播作为目标的直接培训，另一个依赖于使用确定性预测作为目标的决定性预测，其中来自数据隐含地学习不确定性。对于最后一种方法，提出和评估了两个替代损失函数，基于数据观察似然和基于误差的本地估计来评估另一个丢失功能。在不同的交货时间和方案中检查网络的性能，在没有模型错误的情况下。使用Lorenz'96模型的实验表明，ANNS能够模拟集合预测的一些属性，如最不可预测模式的过滤和预测不确定性的状态相关量化。此外，ANNS提供了在模型误差存在下的预测不确定性的可靠估计。

许多科学领域需要对复杂系统的时间行为的可靠预测。然而，这种强烈的兴趣是通过建模问题阻碍：通常，描述所考虑的系统物理学的控制方程是不可访问的，或者在已知时，它们的解决方案可能需要与预测时间约束不兼容的计算时间。如今，以通用功能格式近似复杂的系统，并从可用观察中通知IT Nihilo已成为一个常见的做法，如过去几年出现的巨大科学工作所示。许多基于深神经网络的成功示例已经可用，尽管易于忽视了模型和保证边缘的概括性。在这里，我们考虑长期内存神经网络，并彻底调查训练集的影响及其结构对长期预测的质量。利用ergodic理论，我们分析了保证物理系统忠实模型的先验的数据量。我们展示了根据系统不变的培训集的知情设计如何以及潜在的吸引子的结构，显着提高了所产生的模型，在积极学习的背景下开放研究。此外，将说明依赖于存储器能够的模型时内存初始化的非琐碎效果。我们的调查结果为有效数据驱动建模的任何复杂动态系统所需的数量和选择提供了基于证据的良好实践。

Learning-enabled control systems have demonstrated impressive empirical performance on challenging control problems in robotics, but this performance comes at the cost of reduced transparency and lack of guarantees on the safety or stability of the learned controllers. In recent years, new techniques have emerged to provide these guarantees by learning certificates alongside control policies -- these certificates provide concise, data-driven proofs that guarantee the safety and stability of the learned control system. These methods not only allow the user to verify the safety of a learned controller but also provide supervision during training, allowing safety and stability requirements to influence the training process itself. In this paper, we provide a comprehensive survey of this rapidly developing field of certificate learning. We hope that this paper will serve as an accessible introduction to the theory and practice of certificate learning, both to those who wish to apply these tools to practical robotics problems and to those who wish to dive more deeply into the theory of learning for control.

传统的基于物理的建模是用于复杂非线性系统（如自动水下车辆（AUV））的控制设计中的耗时瓶颈。相比之下，纯粹的数据驱动模型虽然方便且迅速地获得，但需要大量的观察结果，并且缺乏针对安全至关重要系统的操作保证。利用可用的部分表征动态的数据驱动模型具有在典型的数据限制方案中为高价值复杂系统提供可靠的系统模型，从而避免了数月的数月昂贵的专家建模时间。在这项工作中，我们探索了专家模型和纯数据驱动建模之间的中间场。我们提出了面向控制的参数模型，具有不同水平的域意识，这些模型利用已知的系统结构和先前的物理知识来创建约束的深神经动力学系统模型。我们采用通用微分方程来构建AUV动力学的数据驱动的黑框和灰色框表示。此外，我们探索了一种混合制剂，该制剂明确模拟与不完美的灰色盒模型相关的残余误差。我们将学习模型的预测性能比较了初始条件和控制输入的不同分布的预测性能，以评估其准确性，概括和对控制的适用性。

能源部门的深度脱碳将需要大量的随机可再生能源渗透和大量的网格资产协调。对于面对这种变化而负责维持电网稳定性和安全性的电力系统运营商来说，这是一个具有挑战性的范式。凭借从复杂数据集中学习并提供有关快速时间尺度的预测解决方案的能力，机器学习（ML）得到了很好的选择，可以帮助克服这些挑战，因为在未来几十年中，电力系统转变。在这项工作中，我们概述了与构建可信赖的ML模型相关的五个关键挑战（数据集生成，数据预处理，模型培训，模型评估和模型嵌入），这些模型从基于物理的仿真数据中学习。然后，我们演示如何将单个模块连接在一起，每个模块都克服了各自的挑战，在机器学习管道中的顺序阶段，如何有助于提高训练过程的整体性能。特别是，我们实施了通过反馈连接学习管道的不同元素的方法，从而在模型培训，绩效评估和重新训练之间“关闭循环”。我们通过学习与拟议的北海风能中心系统的详细模型相关的N-1小信号稳定性边缘来证明该框架，其组成模块的有效性及其反馈连接。