3D-Brusselator¶
# linux
wget -P data -c https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/Brusselator3D/brusselator3d_dataset.npz
# windows
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/Brusselator3D/brusselator3d_dataset.npz --create-dirs -o data/brusselator3d_dataset.npz
python brusselator3d.py
# linux
wget -P data -c https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/Brusselator3D/brusselator3d_dataset.npz
# windows
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/Brusselator3D/brusselator3d_dataset.npz --create-dirs -o data/brusselator3d_dataset.npz
python brusselator3d.py mode=eval EVAL.pretrained_model_path=https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/models/Brusselator3D/brusselator3d_pretrained.pdparams
| 预训练模型 | 指标 |
|---|---|
| brusselator3d_pretrained.pdparams | loss(sup_validator): 14.51938 L2Rel.output(sup_validator): 0.07354 |
1. 背景简介¶
该案例引入拉普拉斯神经算子(LNO)来构建深度学习网络,它利用拉普拉斯变换来分解输入空间。与傅里叶神经算子 (FNO) 不同,LNO 可以处理非周期信号、考虑瞬态响应并表现出指数收敛,它结合了输入和输出空间之间的极点-残差关系,从而实现了更大的可解释性和改进的泛化能力。LNO 中单个拉普拉斯层与 FNO 中的四个傅里叶模块上精度近似,对于非线性反应扩散系统,LNO的误差小于FNO。
该案例研究 LNO 网络在布鲁塞尔反应扩散系统上的应用。
2. 问题定义¶
反应扩散系统描述了化学物质或粒子的浓度随时间和空间的变化,常应用于化学、生物学、地质学和物理学。扩散反应方程可以表示为:
其中 \(y(x,t)\) 表示化学物质或颗粒在位置x和时间t的浓度,\(f(x,t)\) 是源项,\(D\) 是扩散系数,\(k\) 是反应速率。
3. 问题求解¶
接下来开始讲解如何将问题一步一步地转化为 PaddleScience 代码,用深度学习的方法求解该问题。 为了快速理解 PaddleScience,接下来仅对模型构建、方程构建、计算域构建等关键步骤进行阐述,而其余细节请参考 API文档。
3.1 数据集介绍¶
数据集为使用 LNO 论文原代码提供的数据集,数据集中包含训练集输入、标签数据,验证集输入、标签数据,数据存储在 .npz 文件中,在训练前需要读入数据。
运行本问题代码前请下载 数据集,并存放在相应路径:
3.2 模型构建¶
上图为 LNO 整体架构和 Laplace 层示意图。输入数据进入网络后,先通过浅神经网络 \(P\) 提升到更高的维度,之后一方面进行局部线性变换 \(W\),另一方面应用拉普拉斯层,之后再将这两条路径的结果进行加和,最后再通过浅神经网络 \(Q\) 返回目标维度。
拉普拉斯层中的,上面一行代表应用极残差法来计算基于系统极 \(\mu_{n}\) 和残差 \(\beta_{n}\) 的瞬态响应残差 \(\gamma_{n}\) 表示拉普拉斯域中的瞬态响应,下面一行代表应用极残差方法,根据输入极 \(i\omega_{l}\) 和残差 \(i\alpha_{l}\) 计算稳态响应残差 \(i\lambda_{l}\) 表示拉普拉斯域中的稳态响应。
具体代码请参考 完整代码 中 lno.py 文件。
在构建网络之前,需要根据参数设定,使用 linespace 明确各个维度长度,以便 LNO 网络进行 \(\lambda\) 的初始化。用 PaddleScience 代码表示如下:
另外,如果设置模型参数中 use_grid 为 True,不需要提前处理,模型会自动生成并添加网格,如果为 False,则需要在处理数据时,手动为数据添加网格,然后再输入模型:
3.3 参数和超参数设定¶
我们需要指定问题相关的参数,如数据集路径、各个维度长度等。
另外需要在配置文件中指定训练轮数、batch_size 等其他训练所需参数。
3.4 优化器构建¶
训练过程会调用优化器来更新模型参数,此处选择 AdamW 优化器,并配合使用机器学习中常用的 StepDecay 学习率调整策略。
AdamW 优化器基于 Adam 优化器进行了改进,用来解决 Adam 优化器中 L2 正则化失效的问题。
3.5 约束构建¶
本问题采用监督学习的方式进行训练,仅存在监督约束 SupervisedConstraint,代码如下:
SupervisedConstraint 的第一个参数是监督约束的读取配置,其中 dataset 字段表示使用的训练数据集信息,各个字段分别表示:
name: 数据集类型,此处NamedArrayDataset表示从 Array 中读取的数据集;input: Array 类型的输入数据;label: Array 类型的标签数据;
batch_size 字段表示 batch 的大小;
sampler 字段表示采样方法,其中各个字段表示:
name: 采样器类型,此处BatchSampler表示批采样器;drop_last: 是否需要丢弃最后无法凑整一个 mini-batch 的样本,设为 False;shuffle: 是否需要在生成样本下标时打乱顺序,设为 True;
num_workers 字段表示 输入加载时的线程数;
第二个参数是损失函数,这里选用常用的 L2Rel 损失函数,且 reduction 设置为 "sum" ,即将参与计算的所有数据点产生的损失项求和;
第三个参数是约束条件的名字,我们需要给每一个约束条件命名,方便后续对其索引。
3.6 评估器构建¶
在训练过程中通常会按一定轮数间隔,用验证集(测试集)评估当前模型的训练情况,因此需要构建评估器:
其中大部分参数含义与约束器中类似,不同的参数有:
第三个参数是输出的转写公式 output_expr,规定了最终输入数据的 key 和 value;
第四个参数是误差评估函数,这里选用的 L2Rel Error 函数,reduction 未设置,即为默认值 "mean" ,将参与计算的所有数据点产生的 Error 求平均。
3.7 模型训练、评估¶
完成上述设置之后,只需要将上述实例化的对象按顺序传递给 ppsci.solver.Solver,然后启动训练、评估。
4. 完整代码¶
| brusselator3d.py | |
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| lno.py | |
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5. 结果展示¶
下面展示了在验证集上的预测结果和标签。
可以看到模型预测的结果与标签基本一致。

