力学系の内部構造を解析する深層学習を開発~物理現象や複雑システムの理解や解析に期待~

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2025-04-15 北海道大学,早稲田大学,神戸大学

北海道大学大学院情報科学研究院の松原崇教授らの研究グループは、早稲田大学、神戸大学、大阪大学と共同で、複雑な力学系の内部構造を解析する新たな深層学習手法「PoDiNNs(ポアソン=ディラック ニューラルネットワーク)」を開発しました。この手法は、機械系や電気系など異なる物理ドメインが結合したシステムを、エネルギーの流れに基づいて分割し、各要素の特性と相互作用を同時に同定することが可能です。従来のモデルでは困難だった連成系の解析や長期予測の安定性向上が期待され、ロボット工学、電力制御、構造物の振動解析など多様な分野への応用が見込まれます。この成果は、2025年4月24日から28日にシンガポールで開催される国際会議「International Conference on Learning Representations」にて発表予定です。

<関連情報>

ドメインをまたいだ連成系をモデルかするためのポアソン=ディラックニューラルネットワーク Poisson-Dirac Neural Networks for Modeling Coupled Dynamical Systems across Domains

Razmik Arman Khosrovian, Takaharu Yaguchi, Hiroaki Yoshimura, Takashi Matsubara
arXiv  Submitted on 15 Oct 2024
DOI:https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.11480

力学系の内部構造を解析する深層学習を開発~物理現象や複雑システムの理解や解析に期待~

Abstract

Deep learning has achieved great success in modeling dynamical systems, providing data-driven simulators to predict complex phenomena, even without known governing equations. However, existing models have two major limitations: their narrow focus on mechanical systems and their tendency to treat systems as monolithic. These limitations reduce their applicability to dynamical systems in other domains, such as electrical and hydraulic systems, and to coupled systems. To address these limitations, we propose Poisson-Dirac Neural Networks (PoDiNNs), a novel framework based on the Dirac structure that unifies the port-Hamiltonian and Poisson formulations from geometric mechanics. This framework enables a unified representation of various dynamical systems across multiple domains as well as their interactions and degeneracies arising from couplings. Our experiments demonstrate that PoDiNNs offer improved accuracy and interpretability in modeling unknown coupled dynamical systems from data.

0110情報・精密機器
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