OAC Core: Toward a Rigorous and Reliable Scientific Deep Learning Framework for Forward, Inverse, and UQ Problems

OAC 核心:针对正向、逆向和 UQ 问题建立严格可靠的科学深度学习框架

基本信息

  • 批准号:
    2212442
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 60万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

While Deep Learning, a subset of machine learning, has proved to be state-of-the-art approach in many fields of computersciences, it is still in its infancy in computational science and engineering communities. Unlike computational applied math methods in which solution accuracy and reliability are guaranteed, deep learning---in its present state---is often far from providing accuratepredictions for engineering and science applications. For machine learning methods that serve as a basis for design,control, discovery, and decision-making, their solutions must be equipped with the degree of confidence. However, quantifying the uncertainty in machine learning solution remains challenging and an open problem. Thus, there is a critical need to develop reliable, robust, and model-aware deep learning methods to tackle complex, natural, engineered, and science systems in order to continue the pace of scientific discoveries and to promote the progress of science. This project is of immediate practical utility in both machine learning and computational engineering and sciences communities. It aims at solving real-world data-driven problems, which can lead to original scientific discoveries and promote the progress of science. The project open-sourced software developed on top of TensorFlow, Jax, and FEniCS/FireDrake is accessible to a diverse community of computer and computational science and engineering researchers, scientists, faculty, and students. Proposed research will be directly incorporated into the Introduction to machine learning course offered by the PI annually at the University of Texas at Austin. Students from the project contributes to the pipeline of advanced scientists to maintain US competitiveness and leadership in sciences and technologies.The long-term goal of the PI's research program is to develop scalable uncertainty quantification, optimization, mathematical, and parallel computational methods for scientific machine learning. The objective of this project is to: 1) equip deep learning with the underlying mathematical models to improve generalization error, especially for low data regime, 2) achieve comparable accuracy with traditional forward/inverse computational methods while taking a fraction of the cost; and 3) quantify the uncertainty in deep learning for forward/inverse solutions. To that end, the project develops 1) rigorous adaptive architecture design methods, 2) interpretable model-constrained methods to encode mathematical models into deep neural networks for solving forward and inverse problems and science and engineering, and 3) model-constrained statistical approaches for quantifying the uncertainty in neural network predictions. Practical forward and inverse seismic wave propagation---a problem in NSF portfolio---is chosen as the demanding testbed for the developments.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
虽然深度学习是机器学习的一个子集,已被证明是计算机科学许多领域中最先进的方法,但它在计算科学和工程社区中仍处于起步阶段。与保证解决方案准确性和可靠性的计算应用数学方法不同,深度学习-在其目前的状态下-通常远远不能为工程和科学应用提供准确的预测。对于作为设计、控制、发现和决策基础的机器学习方法,其解决方案必须具有一定的置信度。然而,量化机器学习解决方案中的不确定性仍然是一个具有挑战性的问题。因此,迫切需要开发可靠、健壮和模型感知的深度学习方法来处理复杂的、自然的、工程的和科学的系统,以继续科学发现的步伐并促进科学的进步。该项目在机器学习和计算工程和科学领域都具有直接的实用价值。 它旨在解决现实世界中的数据驱动问题,这可以导致原始的科学发现,并促进科学的进步。该项目在TensorFlow、Jax和FeNiCS/FireDrake之上开发的开源软件可供计算机和计算科学与工程研究人员、科学家、教师和学生组成的多元化社区使用。 拟议的研究将直接纳入PI每年在德克萨斯大学奥斯汀分校提供的机器学习课程介绍中。该项目的学生将为美国培养先进的科学家,以保持美国在科学和技术领域的竞争力和领导地位做出贡献。PI研究项目的长期目标是为科学机器学习开发可扩展的不确定性量化、优化、数学和并行计算方法。 该项目的目标是:1)为深度学习配备底层数学模型,以改善泛化误差,特别是在低数据状态下,2)实现与传统正/逆计算方法相当的精度,同时降低成本; 3)量化深度学习中的不确定性,以获得正/逆解决方案。为此,该项目开发了1)严格的自适应架构设计方法,2)可解释的模型约束方法,用于将数学模型编码到深度神经网络中,以解决正向和反向问题以及科学和工程,以及3)模型约束统计方法,用于量化神经网络预测中的不确定性。实际的正向和反向地震波传播-NSF组合中的一个问题-被选为开发的高要求测试平台。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A unified and constructive framework for the universality of neural networks
神经网络通用性的统一和建设性框架
An autoencoder compression approach for accelerating large-scale inverse problems
  • DOI:
    10.1088/1361-6420/acfbe1
  • 发表时间:
    2023-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    J. Wittmer;Jacob Badger;H. Sundar;T. Bui-Thanh
  • 通讯作者:
    J. Wittmer;Jacob Badger;H. Sundar;T. Bui-Thanh
A Model-Constrained Tangent Slope Learning Approach for Dynamical Systems
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  • DOI:
    10.1016/j.cma.2022.115775
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Sriramkrishnan Muralikrishnan;Stephen Shannon;T. Bui-Thanh;J. Shadid
  • 通讯作者:
    Sriramkrishnan Muralikrishnan;Stephen Shannon;T. Bui-Thanh;J. Shadid
On unifying randomized methods for inverse problems
  • DOI:
    10.1088/1361-6420/acd36e
  • 发表时间:
    2023-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    J. Wittmer;K. Giri;Hai Viet Nguyen;T. Bui-Thanh
  • 通讯作者:
    J. Wittmer;K. Giri;Hai Viet Nguyen;T. Bui-Thanh
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  • 作者:
    Lin, Youzuo;Le, Ellen B.;Tan Bui-Thanh
  • 通讯作者:
    Tan Bui-Thanh
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一种用于具有分布外泛化的可压缩欧拉方程的模型约束间断伽辽金网络(DGNet)
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知道了