学习动态是机器学习（ML）的许多重要应用的核心，例如机器人和自主驾驶。在这些设置中，ML算法通常需要推理使用高维观察的物理系统，例如图像，而不访问底层状态。最近，已经提出了几种方法将从经典机制的前沿集成到ML模型中，以解决图像的物理推理的挑战。在这项工作中，我们清醒了这些模型的当前功能。为此，我们介绍一套由17个数据集组成的套件，该数据集基于具有呈现各种动态的物理系统的视觉观测。我们对几种强大的基线进行了彻底的和详细比较了物理启发方法的主要类别。虽然包含物理前沿的模型通常可以学习具有所需特性的潜在空间，但我们的结果表明这些方法无法显着提高标准技术。尽管如此，我们发现使用连续和时间可逆动力学的使用效益所有课程的模型。

最近提出的一类模型试图使用哈密顿力学所通知的前沿，从高维观察中学习潜在动态的潜在动态。虽然这些模型在机器人或自主驾驶等领域具有重要潜在应用，但目前没有好方法来评估它们的性能：现有方法主要依赖于图像重建质量，这并不总是反映学习潜在动态的质量。在这项工作中，我们经验突出了现有措施的问题，并制定了一套新措施，包括依赖母亲哈密顿动态的二进制指标，我们称之为符号度量或次称。我们的措施利用了汉密尔顿动态的已知属性，并且更符合模型捕获潜在动态的能力而不是重建误差。使用Symetric，我们识别一组架构选择，可以显着提高先前提出的模型的性能，用于从像素，Hamiltonian生成网络（HGN）从像素推断潜在动态。与原始HGN不同，新的HGN ++能够在某些数据集中发现具有物理有意义的潜伏的可解释的相位空间。此外，它在不同范围的13个数据集上的卷展栏上是稳定的，在一个不同的13个数据集上产生基本上无限长度的卷展栏，在数据集的子集上没有质量下降。

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。

Even though neural networks enjoy widespread use, they still struggle to learn the basic laws of physics. How might we endow them with better inductive biases? In this paper, we draw inspiration from Hamiltonian mechanics to train models that learn and respect exact conservation laws in an unsupervised manner. We evaluate our models on problems where conservation of energy is important, including the two-body problem and pixel observations of a pendulum. Our model trains faster and generalizes better than a regular neural network. An interesting side effect is that our model is perfectly reversible in time. Ideal mass-spring system Noisy observations Baseline NN Prediction Prediction Hamiltonian NN Figure 1: Learning the Hamiltonian of a mass-spring system. The variables q and p correspond to position and momentum coordinates. As there is no friction, the baseline's inner spiral is due to model errors. By comparison, the Hamiltonian Neural Network learns to exactly conserve a quantity that is analogous to total energy. Preprint. Under review.

用神经网络对物理系统的动力学建模的最新方法强制执行拉格朗日式或哈密顿结构，以改善预测和泛化。但是，当将坐标嵌入高维数据（例如图像）中时，这些方法要么失去解释性，要么只能应用于一个特定示例。我们介绍了一种新的无监督神经网络模型，该模型从图像中学习拉格朗日动态，并具有受益于预测和控制的解释性。该模型在广义坐标上渗透Lagrangian动力学，这些动力学是通过坐标感知的变异自动编码器（VAE）同时学习的。 VAE旨在说明由飞机中多个刚体组成的物理系统的几何形状。通过推断可解释的拉格朗日动力学，该模型学习了物理系统属性，例如动力学和势能，从而可以长期预测图像空间中的动力学和基于能量控制器的合成。

在许多现实世界中，当不二维测量值时，可能会提供自由旋转3D刚体（例如卫星）的图像观察。但是，图像数据的高维度排除了学习动力学和缺乏解释性的使用，从而降低了标准深度学习方法的有用性。在这项工作中，我们提出了一个物理知识的神经网络模型，以估计和预测图像序列中的3D旋转动力学。我们使用多阶段预测管道实现了这一目标，该管道将单个图像映射到潜在表示同构为$ \ Mathbf {so}（3）$，从潜在对计算角速度，并使用Hamiltonian Motion使用Hamiltonian运动方程来预测未来的潜在状态博学的哈密顿人的代表。我们证明了方法对新的旋转刚体数据集的功效，该数据集具有旋转立方体和矩形棱镜序列，并具有均匀且不均匀的密度。

深度学习模型能够近似一个特定的动力系统，但在学习通用动力学方面挣扎，在该动态系统中，动态系统遵守了相同的物理定律，但包含不同数量的元素（例如，双重和三铅系统）。为了缓解这个问题，我们提出了模块化拉​​格朗日网络（ModLanet），这是一个具有模块化和物理诱导偏置的结构神经网络框架。该框架使用模块化对每个元素的能量进行建模，然后通过拉格朗日力学构建目标动态系统。模块化有益于重复训练的网络和减少网络和数据集的规模。结果，我们的框架可以从更简单的系统的动力学中学习，并扩展到更复杂的框架，使用其他相关的物理信息神经网络是不可行的。我们研究了使用小型培训数据集建模双体螺旋形或三体系统的框架，与同行相比，我们的模型实现了最佳的数据效率和准确性性能。我们还将模型重新组织为建模多体型和多体系统的扩展，展示了我们框架的可重复使用功能。

Recently, graph neural networks have been gaining a lot of attention to simulate dynamical systems due to their inductive nature leading to zero-shot generalizability. Similarly, physics-informed inductive biases in deep-learning frameworks have been shown to give superior performance in learning the dynamics of physical systems. There is a growing volume of literature that attempts to combine these two approaches. Here, we evaluate the performance of thirteen different graph neural networks, namely, Hamiltonian and Lagrangian graph neural networks, graph neural ODE, and their variants with explicit constraints and different architectures. We briefly explain the theoretical formulation highlighting the similarities and differences in the inductive biases and graph architecture of these systems. We evaluate these models on spring, pendulum, gravitational, and 3D deformable solid systems to compare the performance in terms of rollout error, conserved quantities such as energy and momentum, and generalizability to unseen system sizes. Our study demonstrates that GNNs with additional inductive biases, such as explicit constraints and decoupling of kinetic and potential energies, exhibit significantly enhanced performance. Further, all the physics-informed GNNs exhibit zero-shot generalizability to system sizes an order of magnitude larger than the training system, thus providing a promising route to simulate large-scale realistic systems.

过去几年目睹了在深入学习框架中纳入物理知识的归纳偏见的兴趣增加。特别地，越来越多的文献一直在探索实施能节能的方式，同时使用来自观察时间序列数据的神经网络来学习动态的神经网络。在这项工作中，我们调查了最近提出的节能神经网络模型，包括HNN，LNN，DELAN，SYMODEN，CHNN，CLNN及其变体。我们提供了这些模型背后的理论的紧凑级，并解释了他们的相似之处和差异。它们的性能在4个物理系统中进行了比较。我们指出了利用一些这些节能模型来设计基于能量的控制器的可能性。

Here we present a machine learning framework and model implementation that can learn to simulate a wide variety of challenging physical domains, involving fluids, rigid solids, and deformable materials interacting with one another. Our framework-which we term "Graph Network-based Simulators" (GNS)-represents the state of a physical system with particles, expressed as nodes in a graph, and computes dynamics via learned message-passing. Our results show that our model can generalize from single-timestep predictions with thousands of particles during training, to different initial conditions, thousands of timesteps, and at least an order of magnitude more particles at test time. Our model was robust to hyperparameter choices across various evaluation metrics: the main determinants of long-term performance were the number of message-passing steps, and mitigating the accumulation of error by corrupting the training data with noise. Our GNS framework advances the state-of-the-art in learned physical simulation, and holds promise for solving a wide range of complex forward and inverse problems.

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。

我们提出KeyCLD，这是一个从图像中学习拉格朗日动态的框架。学到的关键点代表图像中的语义标志性，可以直接代表状态动力学。将这种状态解释为笛卡尔坐标，并与明确的自动限制相结合，允许用约束的拉格朗日表达动力学。我们的方法显式地对动能和势能进行了建模，从而允许基于能量的控制。我们是第一个从DM_Control Pendulum，Cartpole和Acrobot环境中的图像中展示Lagrangian动力学学习的人。这是从现实世界图像中学习拉格朗日动力学的迈出的一步，因为以前的文学作品仅适用于在空背景上具有单色形状的简约图像。请参阅我们的项目页面以获取代码和其他结果：https：//rdaems.github.io/keycld/

在本章中，我们确定了基本的几何结构，这些几何结构是采样，优化，推理和自适应决策问题的基础。基于此识别，我们得出了利用这些几何结构来有效解决这些问题的算法。我们表明，在这些领域中自然出现了广泛的几何理论，范围从测量过程，信息差异，泊松几何和几何整合。具体而言，我们解释了（i）如何利用汉密尔顿系统的符合性几何形状，使我们能够构建（加速）采样和优化方法，（ii）希尔伯特亚空间和Stein操作员的理论提供了一种通用方法来获得可靠的估计器，（iii）（iii）（iii）保留决策的信息几何形状会产生执行主动推理的自适应剂。在整个过程中，我们强调了这些领域之间的丰富联系。例如，推论借鉴了抽样和优化，并且自适应决策通过推断其反事实后果来评估决策。我们的博览会提供了基本思想的概念概述，而不是技术讨论，可以在本文中的参考文献中找到。

能量保护是许多物理现象和动态系统的核心。在过去的几年中，有大量作品旨在预测使用神经网络的动力系统运动轨迹，同时遵守能源保护法。这些作品中的大多数受到古典力学的启发，例如哈密顿和拉格朗日力学以及神经普通微分方程。尽管这些作品已被证明在特定领域中分别很好地工作，但缺乏统一的方法，该方法通常不适用，而无需对神经网络体系结构进行重大更改。在这项工作中，我们旨在通过提供一种简单的方法来解决此问题，该方法不仅可以应用于能源持持势的系统，还可以应用于耗散系统，通过在不同情况下以不同的情况在不同情况下以正规化术语形式包括不同的归纳偏见。损失功能。所提出的方法不需要更改神经网络体系结构，并且可以构成验证新思想的基础，因此表明有望在这个方向上加速研究。

最近，与神经网络的时间相关微分方程的解决方案最近引起了很多关注。核心思想是学习控制解决方案从数据演变的法律，该数据可能会被随机噪声污染。但是，与其他机器学习应用相比，通常对手头的系统了解很多。例如，对于许多动态系统，诸如能量或（角度）动量之类的物理量是完全保守的。因此，神经网络必须从数据中学习这些保护定律，并且仅由于有限的训练时间和随机噪声而被满足。在本文中，我们提出了一种替代方法，该方法使用Noether的定理将保护定律本质地纳入神经网络的体系结构。我们证明，这可以更好地预测三个模型系统：在三维牛顿引力潜能中非偏见粒子的运动，Schwarzschild指标中庞大的相对论粒子的运动和两个相互作用的粒子在四个相互作用的粒子系统中的运动方面。

分子动力学模拟是科学的基石，允许从系统的热力学调查以分析复杂的分子相互作用。通常，为了创建扩展的分子轨迹，可以是计算昂贵的过程，例如，在运行$ ab-initio $ simulations时。因此，重复这样的计算以获得更准确的热力学或在由细粒度量子相互作用产生的动态中获得更高的分辨率可以是时间和计算的。在这项工作中，我们探讨了不同的机器学习（ML）方法，以提高在后处理步骤内按需的分子动力学轨迹的分辨率。作为概念证明，我们分析了神经杂物，哈密顿网络，经常性神经网络和LSTM等双向神经网络的表现，以及作为参考的单向变体，用于分子动力学模拟（这里是： MD17数据集）。我们发现Bi-LSTMS是表现最佳的模型;通过利用恒温轨迹的局部时对称，它们甚至可以学习远程相关性，并在分子复杂性上显示高稳健性。我们的模型可以达到轨迹插值中最多10美元^ {-4}的准确度，同时忠实地重建了几个无奈复杂的高频分子振动的全周期，使学习和参考轨迹之间的比较难以区分。该工作中报告的结果可以作为更大系统的基线服务（1），以及（2）用于建造更好的MD集成商。

Lagrangian和Hamiltonian神经网络（分别是LNN和HNN）编码强诱导偏见，使它们能够显着优于其他物理系统模型。但是，到目前为止，这些模型大多仅限于简单的系统，例如摆和弹簧或单个刚体的身体，例如陀螺仪或刚性转子。在这里，我们提出了一个拉格朗日图神经网络（LGNN），可以通过利用其拓扑来学习刚体的动态。我们通过学习以刚体为刚体的棒的绳索，链条和桁架的动力学来证明LGNN的性能。 LGNN还表现出普遍性 - 在链条上训练了一些细分市场的LGNN具有概括性，以模拟具有大量链接和任意链路长度的链条。我们还表明，LGNN可以模拟看不见的混合动力系统，包括尚未接受过培训的酒吧和链条。具体而言，我们表明LGNN可用于建模复杂的现实世界结构的动力学，例如紧张结构的稳定性。最后，我们讨论了质量矩阵的非对角性性质及其在复杂系统中概括的能力。

物理系统通常表示为粒子的组合，即控制系统动力学的个体动力学。但是，传统方法需要了解几个抽象数量的知识，例如推断这些颗粒动力学的能量或力量。在这里，我们提出了一个框架，即拉格朗日图神经网络（LGNN），它提供了强烈的感应偏见，可以直接从轨迹中学习基于粒子系统的拉格朗日。我们在具有约束和阻力的挑战系统上测试我们的方法 - LGNN优于诸如前馈拉格朗日神经网络（LNN）等基线，其性能提高。我们还通过模拟系统模拟系统的两个数量级比受过训练的一个数量级和混合系统大的数量级来显示系统的零弹性通用性，这些数量级是一个独特的功能。与LNN相比，LGNN的图形体系结构显着简化了学习，其性能在少量少量数据上的性能高25倍。最后，我们显示了LGNN的解释性，该解释性直接提供了对模型学到的阻力和约束力的物理见解。因此，LGNN可以为理解物理系统的动力学提供纯粹的填充，这纯粹是从可观察的数量中。

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。

学习包括不同对象之间接触的动态系统的物理结构化表示是机器人技术中基于学习的方法的重要问题。黑盒神经网络可以学会大致表示不连续的动态，但是它们通常需要大量数据，并且在预测更长的时间范围时通常会遭受病理行为。在这项工作中，我们使用深层神经网络和微分方程之间的连接来设计一个深网架构家族，以表示对象之间的接触动态。我们表明，这些网络可以从传统上难以实现黑盒方法和最近启发的神经网络的设置中的嘈杂的观察结果中以数据效率的方式学习不连续的联系事件。我们的结果表明，一种理想化的触摸反馈形式（由生物系统严重依赖）是使这一学习问题可以解决的关键组成部分。加上通过网络体系结构引入的电感偏差，我们的技术可以从观测值中准确学习接触动力学。