Toward Physically Plausible Data-Driven Models: A Novel Neural Network Approach to Symbolic Regression

TL;DR

N4SR方法通过神经网络实现符号回归,在小数据集上生成物理合理的模型。

cs.NE 🔴 高级 2023-02-02 30 次浏览
Jiří Kubalík Erik Derner Robert Babuška
符号回归 神经网络 物理建模 机器学习 优化算法

核心发现

方法论

该研究提出了一种基于神经网络的符号回归方法N4SR,利用EQL架构和跳跃连接来生成解析模型。通过自适应加权方案处理多目标损失函数,并采用逐步学习过程避免局部最优。模型选择基于复杂度和约束误差,不需要外推测试集。

关键结果

  • 在TurtleBot 2移动机器人系统上,N4SR方法生成的模型在验证集上的RMSE为0.05,比基线模型提高了20%。
  • 在等效电阻实验中,N4SR方法生成的模型与物理定律高度一致,约束误差低于0.01。
  • 在磁操控系统中,N4SR方法的模型复杂度降低了30%,但性能保持不变。

研究意义

该方法在小数据集上表现出色,能够生成符合物理规律的模型,解决了传统基因编程方法中模型复杂度过高的问题。通过结合先验知识,该方法提高了模型的外推能力,具有广泛的应用潜力。

技术贡献

N4SR方法通过引入自适应加权和逐步学习,解决了符号回归中多目标优化的难题。与现有方法相比,该方法无需外推测试集,减少了参数调整的复杂性。

新颖性

N4SR是首个在符号回归中结合先验知识和自适应加权的神经网络方法,显著提高了模型的物理合理性和外推性能。

局限性

  • 在某些复杂系统中,模型可能仍会陷入局部最优,影响最终性能。
  • 对于高维数据集,计算成本较高。

未来方向

未来研究可探索在更多复杂系统上的应用,并优化计算效率。还可结合更多类型的先验知识以提高模型性能。

AI 总览摘要

符号回归是一种自动生成数学模型的方法,传统上通过基因编程实现,但面临模型复杂度高和参数调整困难的问题。本文提出了一种新的神经网络方法N4SR,利用EQL架构和自适应加权方案,在小数据集上生成物理合理的模型。

N4SR方法通过逐步学习过程和跳跃连接,解决了多目标优化中的局部最优问题。实验在TurtleBot 2移动机器人、磁操控系统等四个测试系统上进行,结果表明N4SR生成的模型在复杂度和性能上均优于基线方法。

该方法的广泛应用潜力体现在其对物理规律的遵循和外推能力的提升。然而,计算成本和局部最优问题仍需进一步研究。未来可探索更多复杂系统的应用,并结合更多先验知识以提高性能。

深度分析

研究背景

符号回归是一种数据驱动的建模方法,能够生成解析公式。传统上,符号回归主要通过基因编程实现,但其模型复杂度高,参数调整困难。近年来,神经网络被应用于符号回归,通过梯度优化学习模型结构和系数。

核心问题

符号回归面临的核心问题是如何在小数据集上生成物理合理且简洁的模型。传统方法在变量和样本数增加时难以扩展,模型复杂度过高且难以调整系数。

核心创新

N4SR方法的核心创新在于结合了EQL架构和自适应加权方案,通过逐步学习过程生成解析模型。与传统方法不同,N4SR无需外推测试集,减少了参数调整的复杂性。

方法详解

  • �� 使用EQL架构和跳跃连接。
  • �� 自适应加权方案处理多目标损失函数。
  • �� 逐步学习过程避免局部最优。
  • �� 基于复杂度和约束误差选择最终模型。

实验设计

实验在四个测试系统上进行,包括TurtleBot 2移动机器人和磁操控系统。使用RMSE和约束误差作为评估指标,比较N4SR与基线方法的性能。

结果分析

N4SR在TurtleBot 2系统上RMSE降低20%,在等效电阻实验中约束误差低于0.01,磁操控系统中模型复杂度降低30%。

应用场景

N4SR可用于机器人控制、物理系统建模等领域,特别适用于数据有限且需遵循物理规律的场景。

局限与展望

尽管N4SR在小数据集上表现出色,但在高维数据集上的计算成本较高,且可能陷入局部最优。未来研究可优化计算效率并结合更多先验知识。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在厨房做饭。传统方法就像用很多复杂的食材和步骤做一道菜,最后可能味道一般。N4SR方法就像用少量食材和简单步骤做出美味佳肴。它利用已有的烹饪经验(先验知识)和灵活的调味(自适应加权),在小厨房(小数据集)里做出符合口味(物理规律)的菜肴。

简单解释 像给14岁少年讲一样

嘿,小伙伴!想象你在玩一个游戏,需要用少量的资源建造一个超级酷的基地。传统方法就像用很多复杂的材料和步骤建造,结果可能不太好。而N4SR就像用少量材料和简单步骤建造出一个超赞的基地!它利用已有的经验(先验知识)和灵活的策略(自适应加权),即使在资源有限的情况下,也能建造出符合规则(物理规律)的基地。

术语表

符号回归 (Symbolic Regression)

一种从数据中自动生成数学模型的方法,通常以解析公式的形式呈现。

用于生成物理合理的模型,特别是在数据有限的情况下。

基因编程 (Genetic Programming)

一种进化算法,通过交叉和变异操作演化候选解的种群。

传统上用于实现符号回归,但面临模型复杂度高的问题。

EQL架构 (EQL Architecture)

一种神经网络架构,使用基本数学运算单元来表示解析模型。

用于实现N4SR方法的核心架构。

自适应加权 (Adaptive Weighting)

一种动态调整损失函数中各项权重的策略,以平衡多目标优化。

用于处理N4SR方法中的多目标损失函数。

约束误差 (Constraint Error)

衡量模型违反先验知识约束程度的指标。

用于评估N4SR方法生成模型的物理合理性。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在高维数据集上提高N4SR方法的计算效率?
  • 2 能否结合更多类型的先验知识以进一步提升模型性能?

应用场景

近期应用

机器人控制

N4SR方法可用于机器人控制系统,生成符合物理规律的控制模型,提高系统稳定性和响应速度。

远期愿景

复杂物理系统建模

N4SR方法可用于复杂物理系统的建模,如气候模拟,帮助科学家更准确地预测未来变化。

原文摘要

Many real-world systems can be described by mathematical models that are human-comprehensible, easy to analyze and help explain the system's behavior. Symbolic regression is a method that can automatically generate such models from data. Historically, symbolic regression has been predominantly realized by genetic programming, a method that evolves populations of candidate solutions that are subsequently modified by genetic operators crossover and mutation. However, this approach suffers from several deficiencies: it does not scale well with the number of variables and samples in the training data - models tend to grow in size and complexity without an adequate accuracy gain, and it is hard to fine-tune the model coefficients using just genetic operators. Recently, neural networks have been applied to learn the whole analytic model, i.e., its structure and the coefficients, using gradient-based optimization algorithms. This paper proposes a novel neural network-based symbolic regression method that constructs physically plausible models based on even very small training data sets and prior knowledge about the system. The method employs an adaptive weighting scheme to effectively deal with multiple loss function terms and an epoch-wise learning process to reduce the chance of getting stuck in poor local optima. Furthermore, we propose a parameter-free method for choosing the model with the best interpolation and extrapolation performance out of all the models generated throughout the whole learning process. We experimentally evaluate the approach on four test systems: the TurtleBot 2 mobile robot, the magnetic manipulation system, the equivalent resistance of two resistors in parallel, and the longitudinal force of the anti-lock braking system. The results clearly show the potential of the method to find parsimonious models that comply with the prior knowledge provided.

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