Residual-based attention in physics-informed neural networks

残余物 人工神经网络 人工智能 计算机科学 统计物理学 材料科学 物理 算法
作者
Sokratis Anagnostopoulos,Juan Diego Toscano,Nikolaos Stergiopulos,George Em Karniadakis
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier BV]
卷期号:421: 116805-116805 被引量:140
标识
DOI:10.1016/j.cma.2024.116805
摘要

Driven by the need for more efficient and seamless integration of physical models and data, physics-informed neural networks (PINNs) have seen a surge of interest in recent years. However, ensuring the reliability of their convergence and accuracy remains a challenge. In this work, we propose an efficient, gradient-less weighting scheme for PINNs that accelerates the convergence of dynamic or static systems. This simple yet effective attention mechanism is a bounded function of the evolving cumulative residuals and aims to make the optimizer aware of problematic regions at no extra computational cost or adversarial learning. We illustrate that this general method consistently achieves one order of magnitude faster convergence than vanilla PINNs and a minimum relative L2 error of O(10−5), on typical benchmarks of the literature. The method is further tested on the inverse solution of the Navier–Stokes within the brain perivascular spaces, where it considerably improves the prediction accuracy. Furthermore, an ablation study is performed for each case to identify the contribution of the components that enhance the vanilla PINN formulation. Evident from the convergence trajectories is the ability of the optimizer to effectively escape from poor local minima or saddle points while focusing on the challenging domain regions, which consistently have a high residual score. We believe that alongside exact boundary conditions and other model reparameterizations, this type of attention mask could be an essential element for fast training of both PINNs and neural operators.
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