Numerical simulation of time-dependent partial differential equations (PDEs) is central to scientific and engineering applications, but high-fidelity solvers are often prohibitively expensive for long-horizon or time-critical settings. Neural operator (NO) surrogates offer fast inference across parametric and functional inputs; however, most autoregressive NO frameworks remain vulnerable to compounding errors, and ensemble-averaged metrics provide limited guarantees for individual inference trajectories. In practice, error accumulation can become unacceptable beyond the training horizon, and existing methods lack mechanisms for online monitoring or correction. To address this gap, we propose ANCHOR (Adaptive Numerical Correction for High-fidelity Operator Rollouts), an online, instance-aware hybrid inference framework for stable long-horizon prediction of nonlinear, time-dependent PDEs. ANCHOR treats a pretrained NO as the primary inference engine and adaptively couples it with a classical numerical solver using a physics-informed, residual-based error estimator. Inspired by adaptive time-stepping in numerical analysis, ANCHOR monitors an exponential moving average (EMA) of the normalized PDE residual to detect accumulating error and trigger corrective solver interventions without requiring access to ground-truth solutions. We show that the EMA-based estimator correlates strongly with the true relative L2 error, enabling data-free, instance-aware error control during inference. Evaluations on four canonical PDEs: 1D and 2D Burgers', 2D Allen-Cahn, and 3D heat conduction, demonstrate that ANCHOR reliably bounds long-horizon error growth, stabilizes extrapolative rollouts, and significantly improves robustness over standalone neural operators, while remaining substantially more efficient than high-fidelity numerical solvers.


翻译:时间依赖偏微分方程(PDE)的数值模拟是科学与工程应用的核心,但高保真求解器在长时程或时间关键场景中通常计算成本过高。神经算子(NO)替代模型能够在参数和函数输入上提供快速推理;然而,大多数自回归NO框架仍易受误差累积的影响,且基于集平均的度量指标难以保证单个推理轨迹的可靠性。实际上,超出训练时程后,误差累积可能变得不可接受,而现有方法缺乏在线监测或校正机制。为填补这一空白,我们提出了ANCHOR(高保真算子推演的自适应数值校正),一种面向非线性、时间依赖PDE稳定长时程预测的在线、实例感知混合推理框架。ANCHOR将预训练的NO作为主要推理引擎,并利用基于物理信息的残差误差估计器,将其与经典数值求解器进行自适应耦合。受数值分析中自适应时间步长方法的启发,ANCHOR通过监测归一化PDE残差的指数移动平均(EMA)来检测累积误差,并在无需真实解的情况下触发校正性求解器干预。我们证明了基于EMA的估计器与真实相对L2误差高度相关,从而能够在推理过程中实现无需数据、实例感知的误差控制。在四个经典PDE上的评估:一维和二维Burgers方程、二维Allen-Cahn方程以及三维热传导方程,结果表明ANCHOR能够可靠地限制长时程误差增长、稳定外推推演,并显著提升相对于独立神经算子的鲁棒性,同时仍比高保真数值求解器高效得多。

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