Wavelet Neural Operator for solving parametric partial differential equations in computational mechanics problems

偏微分方程 小波 数学 应用数学 计算力学 操作员(生物学) 数学分析 计算机科学 有限元法 人工智能 结构工程 工程类 化学 抑制因子 基因 转录因子 生物化学
作者
Tapas Tripura,Souvik Chakraborty
出处
期刊:Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering [Elsevier BV]
卷期号:404: 115783-115783 被引量:158
标识
DOI:10.1016/j.cma.2022.115783
摘要

With massive advancements in sensor technologies and Internet-of-things (IoT), we now have access to terabytes of historical data; however, there is a lack of clarity on how to best exploit the data to predict future events. One possible alternative in this context is to utilize an operator learning algorithm that directly learns the nonlinear mapping between two functional spaces; this facilitates real-time prediction of naturally arising complex evolutionary dynamics. In this work, we introduce a novel operator learning algorithm referred to as the Wavelet Neural Operator (WNO) that blends integral kernel with wavelet transformation. WNO harnesses the superiority of the wavelets in time–frequency localization of the functions and enables accurate tracking of patterns in the spatial domain and effective learning of the functional mappings. Since the wavelets are localized in both time/space and frequency, WNO can provide high spatial and frequency resolution. This offers learning of the finer details of the parametric dependencies in the solution for complex problems. The efficacy and robustness of the proposed WNO are illustrated on a wide array of problems involving Burger’s equation, Darcy flow, Navier–Stokes equation, Allen–Cahn equation, and Wave advection equation. A comparative study with respect to existing operator learning frameworks is presented. Finally, the proposed approach is used to build a digital twin capable of predicting Earth’s air temperature based on available historical data.
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