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基于时空变换且具有可解释结构的神经网络用于分布式参数系统建模

Spatiotemporal Transformation-Based Neural Network With Interpretable Structure for Modeling Distributed Parameter Systems.

作者信息

Wei Peng, Li Han-Xiong

出版信息

IEEE Trans Neural Netw Learn Syst. 2025 Jan;36(1):729-737. doi: 10.1109/TNNLS.2023.3334764. Epub 2025 Jan 7.

DOI:10.1109/TNNLS.2023.3334764
PMID:39052455
Abstract

Many industrial processes can be described by distributed parameter systems (DPSs) governed by partial differential equations (PDEs). In this research, a spatiotemporal network is proposed for DPS modeling without any process knowledge. Since traditional linear modeling methods may not work well for nonlinear DPSs, the proposed method considers the nonlinear space-time separation, which is transformed into a Lagrange dual optimization problem under the orthogonal constraint. The optimization problem can be solved by the proposed neural network with good structural interpretability. The spatial construction method is employed to derive the continuous spatial basis functions (SBFs) based on the discrete spatial features. The nonlinear temporal model is derived by the Gaussian process regression (GPR). Benefiting from spatial construction and GPR, the proposed method enables spatially continuous modeling and provides a reliable output range under the given confidence level. Experiments on a catalytic reaction process and a battery thermal process demonstrate the effectiveness and superiority of the proposed method.

摘要

许多工业过程可以用由偏微分方程(PDEs)控制的分布参数系统(DPSs)来描述。在本研究中,提出了一种无需任何过程知识的用于DPS建模的时空网络。由于传统的线性建模方法可能不适用于非线性DPSs,所提出的方法考虑了非线性时空分离,将其转化为正交约束下的拉格朗日对偶优化问题。该优化问题可以通过所提出的具有良好结构可解释性的神经网络来求解。采用空间构造方法基于离散空间特征推导连续空间基函数(SBFs)。非线性时间模型由高斯过程回归(GPR)推导得出。受益于空间构造和GPR,所提出的方法能够进行空间连续建模,并在给定置信水平下提供可靠的输出范围。在催化反应过程和电池热过程上的实验证明了所提出方法的有效性和优越性。

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