Data-driven models created by machine learning, gain in importance in all fields of design and engineering. They, have high potential to assist decision-makers in creating novel, artefacts with better performance and sustainability. However,, limited generalization and the black-box nature of these models, lead to limited explainability and reusability. To overcome this, situation, we propose a component-based approach to create, partial component models by machine learning (ML). This, component-based approach aligns deep learning with systems, engineering (SE). The key contribution of the component-based, method is that activations at interfaces between the components, are interpretable engineering quantities. In this way, the, hierarchical component system forms a deep neural network, (DNN) that a priori integrates information for engineering, explainability. The, approach adapts the model structure to engineering methods of, systems engineering and to domain knowledge. We examine the, performance of the approach by the field of energy-efficient, building design: First, we observed better generalization of the, component-based method by analyzing prediction accuracy, outside the training data. Especially for representative designs, different in structure, we observe a much higher accuracy, (R2 = 0.94) compared to conventional monolithic methods, (R2 = 0.71). Second, we illustrate explainability by exemplary, demonstrating how sensitivity information from SE and rules, from low-depth decision trees serve engineering. Third, we, evaluate explainability by qualitative and quantitative methods, demonstrating the matching of preliminary knowledge and data-driven, derived strategies and show correctness of activations at, component interfaces compared to white-box simulation results, (envelope components: R2 = 0.92..0.99; zones: R2 = 0.78..0.93).


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《工程》是中国工程院(CAE)于2015年推出的国际开放存取期刊。其目的是提供一个高水平的平台,传播和分享工程研发的前沿进展、当前主要研究成果和关键成果;报告工程科学的进展,讨论工程发展的热点、兴趣领域、挑战和前景,在工程中考虑人与环境的福祉和伦理道德,鼓励具有深远经济和社会意义的工程突破和创新,使之达到国际先进水平,成为新的生产力,从而改变世界,造福人类,创造新的未来。 期刊链接:https://www.sciencedirect.com/journal/engineering
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