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Physics-Informed Neural Networks for Robust System Identification of Ship Roll Dynamics With Noise Resilience

弹性(材料科学) 鉴定(生物学) 噪音(视频) 人工神经网络 计算机科学 物理 统计物理学 人工智能 植物 生物 热力学 图像(数学)
作者
Tongtong Wang,Robert Skulstad,Houxiang Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:21 (5): 3934-3942 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tii.2025.3534406
摘要

Parameter identification in nonlinear offshore ship dynamics is crucial yet challenging, especially when measurement noise complicates the process. Differential models are particularly susceptible to large errors due to the discrete numerical differentiation of noisy data. To enhance noise resilience and achieve accurate parameter estimates, this article proposes the use of physics-informed neural networks (PINN) to identify ship roll dynamics. Constrained by physical principles, the PINN learns ship parameters with physical interpretability, employing automatic differentiation to circumvent the noise issues inherent in discrete differentiation. Leveraging the periodic nature of roll motion, a novel activation function is introduced to improve training efficiency. Robustness is validated through simulations of ship roll dynamics under regular and random wave excitations at various noise levels. Full-scale experiments conducted in open sea conditions confirm the practical effectiveness of the proposed approach in real-world scenarios.
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