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深度学习物理信息神经网络PINN+大模型辅助编程

news 来源：原创 2025/4/27 5:36:59

1. 物理信息神经网络（PINN）的兴起
近年来，物理信息神经网络（Physics-Informed Neural Networks, PINN）成为计算科学与人工智能交叉领域的前沿方向。传统数值方法（如有限差分法、有限单元法）在高维、强非线性或反演问题中面临计算效率低、网格依赖性强等瓶颈。PINN通过将控制方程、边界条件等物理先验嵌入神经网络，以无网格方式实现微分方程求解，在流体力学、固体力学、传热学等领域展现出突破性潜力。其核心论文（引用超13,000次）开创了物理驱动深度学习的范式，成为Nature、CMAME等顶刊的研究热点。

2. 传统数值方法与机器学习的融合需求
有限差分法（FDM）和有限单元法（FEM）虽成熟但依赖离散化，难以处理复杂几何与多物理场耦合问题。机器学习（如CNN、GNN）虽具备强大的数据拟合能力，但缺乏物理可解释性。PINN通过融合物理定律与数据驱动，显著减少训练数据需求，提升泛化性能，并在参数反演、方程发现等逆问题中展现独特优势。此外，深度能量法（DEM）等变体进一步结合能量变分原理，为固体力学问题提供高效解决方案。

3. 大模型赋能科学计算的新机遇
以DeepSeek、ChatGPT为代表的大模型技术，正在颠覆传统科学编程模式。通过自然语言交互生成PINN代码，可加速复杂瞬态问题的求解流程。本课程结合大模型辅助编程，探索其在微分方程求解、代码调试及多任务优化中的应用，推动“AI for Science”的工程化落地。

目标

1. 掌握PINN理论与传统数值方法的核心联系

1.1.理解固体力学、流体力学、传热学中的典型偏微分方程（如Navier-Stokes方程、弹性本构方程）及其数学分类（椭圆/抛物/双曲型）。

1.2.对比有限差分法、有限单元法与PINN的底层原理，揭示物理约束与数据驱动的协同机制。

2. 构建PINN与深度能量法的实践能力

2.1.从零实现一维谐振子、渗流、弹塑性力学等案例的PINN求解代码（基于PyTorch/DeepXDE/SciANN）。

2.2.掌握能量驱动损失函数设计、自动微分等关键技术，复现中科院一区顶刊（如CMAME）中的创新方法。

3. 探索多领域工业级应用场景

3.1.流体力学：层流模拟、涡旋捕捉与Nature子刊级diffusion-reaction模拟。

3.2.固体力学：超弹性材料大变形、弹塑性问题与能量法优化。

3.3.反问题：材料参数辨识、隐藏物理规律发现。

4. 精通开源工具链与大模型辅助编程

4.1.熟练使用DeepXDE、SciANN等PINN专用库，配置复杂边界条件与多物理场耦合。

4.2.利用DeepSeek、ChatGPT生成高鲁棒性PINN代码，解决瞬态偏微分方程问题。

5. 培养跨学科研究与创新能力

5.1.通过顶刊论文复现（如CMAME、Computers and Geotechnics）与代码对比，深化对物理编码、因果约束、混合变量方案等前沿方向的理解。

5.2.为计算力学、工业仿真、AI辅助设计等领域的科研与工程实践提供方法论支持。

本课程旨在打通物理建模、数值计算与深度学习的知识壁垒，培养兼具理论深度与工程能力的复合型人才，推动智能科学计算在工业4.0与数字孪生中的创新应用。

Day 1 什么是微分方程（固体、流体、传热）？什么是有限差分法和有限单元法？和机器学习有什么联系？

1. 学会偏微分方程手动推导

1.1. 固体力学的偏微分方程

1.1.1. 平衡方程

1.1.2. 线弹性本构

1.1.3. 超弹性本构

1.1.4. 塑性本构

1.2. 流体力学的偏微分方程

1.2.1. 无黏、无旋的势流方程

1.2.2. 忽略黏性效应的欧拉方程

1.2.3. 不可压缩纳维-斯托克斯方程

1.3. 传热学的偏微分方程

1.3.1.稳态热传导

1.3.2.瞬态热传导

1.4. 一般形式的偏微分方程

1.4.1. 椭圆偏微分方程

1.4.2. 抛物偏微分方程

1.4.3. 双曲偏微分方程

2. 偏微分方程数值解

2.1. 有限差分法原理

2.2. 有限单元法原理

2.3. 实战演练：使用COMSOL求解固体力学和渗流，保存数据

2.4. 实战演练：使用Abaqus求解弹塑性固体力学，保存数据

3. 使用Python写一个机器学习的程序

3.1. 如何运行自己的第一个python程序

3.2. 常用科学计算库：Numpy和Scipy

3.3. 机器学习的万能python库：scikit-learn

3.4. 如何在Ubuntu系统上运行python程序

Day 2 什么是深度学习？什么是物理数据双驱动神经网络PINN？

4. 数据驱动深度神经网络

4.1 激活函数

4.2 神经元

4.3自动微分方法

4.4损失函数的构建与正则化

4.5最优化方法

4.6. 实践：基于Pytorch建立深度神经网络模型并调优

5. 深度学习进阶

5.1 卷积神经网络CNN

5.2 循环神经网络RNN

5.2.1. 长短记忆神经网络LSTM

5.2.2.门控循环单元网络GRU

5.3. 图神经网络GNN

5.4. Transformer （Attention is all you need！）

6. PINN=数据+PDE方程，数据需求锐减！泛化性能提升！

从零开始构建一维谐振子物理信息神经网络（Physics-Informed Neural Networks, PINN）为核心目标，系统讲解如何将物理定律与深度学习结合，实现微分方程的高效求解与物理系统建模。课程从一维谐振子的动力学方程出发，剖析PINN的核心思想：通过神经网络隐式编码控制方程、初始/边界条件等物理约束，将微分方程求解转化为损失函数优化的机器学习问题。学习者将逐步掌握谐振子问题的数学建模方法，利用Python和深度学习框架（如PyTorch）搭建神经网络架构，设计融合数据驱动项与物理残差项（如运动方程残差）的复合损失函数，并通过自动微分技术计算高阶导数，实现从随机初始化到物理规律自洽的模型训练。

Day 3 PINN引用一万三论文详解+深度能量法+ PINN的python库Deep XDE讲解

7. 物理信息神经网络：一个用于解决涉及非线性偏微分方程的正问题和逆问题的深度学习框架，一万三千次引用的论文讲解和复现

PINN开山之作：Physics-informed neural networks: A deep learning framework for solving forward and inverse problems involving nonlinear partial differential equations

深度剖析PINN这一颠覆性框架如何通过深度融合物理定律与深度学习，开创性地解决复杂偏微分方程（PDE）的正反问题。作为计算科学领域的里程碑式工作，PINN首次系统性地提出将控制方程、初始/边界条件等物理先验知识嵌入神经网络架构，通过构造包含PDE残差项、数据拟合项及边界约束项的多目标损失函数，实现无需网格离散的端到端微分方程求解，其创新性地利用自动微分技术高效计算高阶导数，成功攻克了传统数值方法在高维、强非线性及参数反演问题中的瓶颈。本节课从数学机理与代码实践双视角展开：在理论层面，解析PINN如何通过神经网络的万能逼近特性构建连续时空解空间，探讨正问题（如NS方程、热传导预测）中物理残差最小化的泛化能力，以及反问题（如材料参数辨识、隐藏物理规律发现）中PDE系数的可微学习机制；在实践层面，基于PyTorch/TensorFlow框架手把手实现PINN原型系统进行网络架构设计（激活函数选择、隐层深度优化），并通过Burgers方程激波捕捉、Navier-Stokes流场重构，对比PINN与高精度数值方法。

8. 通过机器学习求解计算力学偏微分方程的能量方法：概念、实现和应用

深度能量/深度里兹法物理数据双驱动网络 Deep energy method/Deep Ritz method，DEM，DRM，中科院一区TOP数值计算顶刊CMAME：An energy approach to the solution of partial differential equations in computational mechanics via machine learning: Concepts, implementation and applications

本小结基于能量原理的机器学习方法在计算力学偏微分方程求解中的创新应用展开，深入解析如何将经典力学中的能量变分原理与深度学习技术结合，构建物理驱动的高效求解框架。作为计算力学与人工智能交叉领域的代表性方法，该框架以能量泛函为核心，通过神经网络直接参数化力学场（如位移场或应力场），将传统基于网格的能量离散优化转化为无网格的损失函数优化问题。课程从理论层面剖析能量极小化原理与深度学习优化目标的数学同构性，例如，通过直接最小化总势能泛函，规避传统有限元法对复杂几何和材料非线性的离散困难；利用自动微分技术精确计算能量泛函梯度，在实现层面，本小节系统讲解能量驱动损失函数的设计逻辑，包括如何应变能主导的物理约束与边界条件，通过弹性力学静动态问题、超弹性材料大变形等典型案例，课程对比能量方法与纯数据驱动模型及传统数值方法的性能差异，验证其在预测精度、计算效率与外推能力上的显著提升。

9. PINN库：DeepXDE讲解

以深度掌握开源物理信息神经网络库DeepXDE为核心目标，系统讲解其在一维至多维偏微分方程求解中的高效应用。课程从环境配置与基础API入手，详解如何利用DeepXDE快速搭建PINN求解框架：包括定义计算域几何（Interval、Rectangle等）、设定PDE残差方程（通过Lambda函数或自定义偏微分算子）、编码初始/边界条件（Dirichlet、Neumann），以及配置神经网络架构（深度、激活函数、权重初始化策略）。

Day 4 PINN在流体力学中的应用 + Nature子刊详解

10. 中科院一区论文与代码复现：渗流

中科院一区顶刊论文复现，A physics-informed data-driven approach for consolidation analysis

从数据中识别控制方程并求解它们以获得时空响应对于许多实际问题来说是可取的，但也是极具挑战性的。数据驱动的建模显示出在复杂过程中影响知识发现的巨大潜力。为了证明可行性，本研究开发了一种基于物理信息的数据驱动方法，从测量数据中自动恢复渗流理论并获得相应的解。该过程结合了多种算法，包括稀疏回归和基于先验信息的神经网络（PiNet）、变换的弱形式偏微分方程（PDE）（以降低对噪声测量的敏感性）和蒙特卡洛dropout，以实现预测不确定性的测量。结果表明，使用所提出的方法可以准确地提取固结偏微分方程，该方法也被证明对噪声测量具有鲁棒性。PiNet求解的偏微分方程也被证明与实际结果非常吻合，从而突显了其逆分析的潜力。所提出的方法是通用的，提供了一种辅助方法来验证数据的启发式解释，或直接识别模式并获得解决方案，而不需要专家干预。

11. 物理信息网络求解不可压缩层流的深度学习问题

近年来，基于物理的深度学习引起了人们对解决计算物理问题的极大兴趣，其基本概念是嵌入物理定律来约束/通知神经网络，需要更少的数据来训练可靠的模型。这可以通过将物理方程的残差纳入损失函数来实现。通过最小化损失函数，网络可以近似解。本文提出了一种用于流体动力学的物理信息神经网络（PINN）的混合变量方案，并将其应用于模拟低雷诺数下的稳态和瞬态层流。参数研究表明，混合变量方案可以提高PINN的可训练性和求解精度。还将所提出的PINN方法预测的速度场和压力场与参考数值解进行了比较。仿真结果表明，所提出的PINN在高精度流体流动模拟方面具有巨大的潜力。

https://github.com/Raocp/PINN-laminar-flow/blob/master/PINN_steady/SteadyFlowCylinder_mixed.py

13. CMAME顶刊：考虑因果关系的流体力学PINN改进+学习用JAX实现PINN

中科院一区TOP数值计算顶刊CMAME：Respecting causality for training physics-informed neural networks

虽然物理信息神经网络（PINN）的普及率正在稳步上升，但到目前为止，PINN还没有成功地模拟其解表现出多尺度、混沌或湍流行为的动力系统。在这项工作中，将这一缺点归因于现有的PINN公式无法尊重物理系统进化所固有的时空因果结构，这是一个基本的局限性，也是最终导致PINN模型收敛到错误解的关键误差来源。通过提出一种简单的PINNs损失函数的重新表述来解决这一病理问题，该函数可以明确地解释模型训练过程中的物理因果关系。证明，仅此简单的修改就足以显著提高精度，并为评估PINN模型的收敛性提供了一种实用的定量机制。我们提供了一系列现有PINN公式失败的基准的最新数值结果，包括混沌洛伦兹系统、混沌状态下的Kuramoto-Sivashinsky方程和Navier-Stokes方程。这是PINN首次成功模拟此类系统，为其应用于工业复杂性问题带来了新的机会。

14. 有限差分法转化为神经网络，nature 子刊精讲

Encoding physics to learn reaction–diffusion processes

12.1. 物理编码时空学习

12.2. PDE系统的正演分析

12.3. PDE系统的反演分析

12.4. PeRCNN的结构

12.5. ∏块的普适多项式逼近

12.6. 方程发现与强泛化能力

Day 5 PINN在固体力学中应用 + PINN的库SciANN讲解 + 大模型辅助编程

15. PINN和深度能量法的对比

中科院一区TOP数值计算顶刊Computers and Geotechnics: A Comprehensive Investigation of Physics-Informed Learning in Forward and Inverse Analysis of Elastic and Elastoplastic Footing

10.1. Footing问题背景与Ritz方法（正问题）

- 问题背景：Footing问题的物理意义与工程应用

- 数学模型：Footing问题的数学描述与控制方程

- Ritz方法：Ritz方法在正演建模中的应用与实现

- PINN框架：论文中PINN实现的核心思路与框架解读

10.2. Footing问题的逆问题求解

- 损失函数构建：PINN中物理驱动损失函数的设计与实现

- 自适应采样：自适应采样方法的原理与实现细节

- 指数加速：逆问题求解中的指数加速技术

- 代码复现与结果分析：代码实现与结果分析（数据集大小、高斯噪声的影响）

16. JCP顶刊：混合能量法解决固体力学的应力集中问题

计算力学顶刊Journal of Computational Physics：The mixed Deep Energy Method for resolving concentration features in finite strain hyperelasticity

物理知情神经网络（PINN）的引入导致人们对深度神经网络作为固体力学界PDE的通用近似器的兴趣日益浓厚。最近，深能法（DEM）被提出。DEM基于能量最小化原理，与基于PDE残差的PINN相反。DEM的一个显著优点是，与基于强形式残差的公式相比，它需要对低阶导数进行近似。然而，DEM和经典PINN公式都难以解决应力场和位移场的精细特征，例如固体力学应用中的浓度特征。提出了对深能法（DEM）的扩展，以解决有限应变超弹性的这些特征。开发的称为混合深能法（mDEM）的框架引入了应力测量，作为最近引入的纯位移公式的NN的额外输出。使用这种方法，可以更准确地近似Neumann边界条件，并提高通常导致高浓度的空间特征的精度。为了使所提出的方法更加通用，我们引入了一种基于Delaunay积分的数值积分方案，该方案使mDEM框架能够用于具有应力集中的计算域（即具有孔、凹口等的域）通常需要的随机训练点位置集。我们强调了所提出方法的优点，同时展示了经典PINN和DEM公式的缺点。该方法在涉及具有精细几何特征和集中载荷的域的具有挑战性的计算实验的正向计算方面提供了与有限元法（FEM）相当的结果，但还为解决超弹性背景下的逆问题和参数估计提供了独特的能力。