Apprentissage statistique inspiré par la physique - Principes et application à la prévision d’énergie photovoltaïque

La recherche scientifique a été profondément bouleversée au cours du XX^e siècle par le développement de l’informatique et de l’intelligence artificielle (IA). Le paradigme traditionnel de mise en équations théoriques et validation expérimentale a été appuyé par le recours à la simulation numérique qui est devenu incontournable pour analyser des systèmes complexes en physique, ingénierie, biologie, etc.

Avec l’automatisation des expériences et la multiplication exponentielle du nombre de capteurs, un déluge de données d’observation sont désormais rendues disponibles. Pour extraire de l’information pertinente de ces données et alimenter la découverte scientifique, l’apprentissage statistique (machine learning), en particulier l’apprentissage profond (deep learning), est particulièrement attrayant. L’apprentissage profond a permis au cours de la dernière décennie des progrès spectaculaires dans les domaines de la vision par ordinateur, du traitement du langage naturel ou des jeux, grâce à sa capacité à extraire des relations non linéaires complexes à partir de données massives et à construire des modèles prédictifs. Dans le domaine industriel, ces méthodes d’IA ouvrent la voie au développement de jumeaux numériques, permettant de simuler des systèmes complexes beaucoup plus rapidement qu’avec les techniques de résolution traditionnelles et d’extrapoler les résultats à de nouvelles configurations.

Toutefois, les méthodes d’apprentissage profond nécessitent de très grandes bases de données étiquetées de bonne qualité pour l’entraînement, ce qui n’est pas toujours possible pour certaines expériences scientifiques très coûteuses. En outre, les méthodes purement basées sur les données sont souvent considérées comme des boîtes noires peu explicables, souffrent de problèmes de généralisation en dehors de leur domaine d’entraînement et peuvent produire des prédictions physiquement incohérentes.

Introduire de la connaissance physique dans les méthodes d’apprentissage est une voie très prometteuse pour résoudre ces problèmes. On peut définir l’apprentissage statistique inspiré par la physique (physics-inspired machine learning) comme un paradigme visant à construire des modèles qui exploitent à la fois des données d’observation et de la connaissance physique a priori pour résoudre des tâches qui sont basées sur un processus physique sous-jacent. Ces idées d’hybridation sont assez anciennes mais ont connu un fort regain d’intérêt avec les succès de l’apprentissage profond moderne.

Cet article fait une revue des connaissances actuelles sur les méthodes d’hybridation entre apprentissage statistique et connaissance a priori, en se concentrant sur l’étude de phénomènes physiques. Les principales stratégies d’hybridation sont présentées et les avantages et domaines d’applications de ces méthodes sont discutés. L’article présente également une application industrielle à EDF pour la prévision de la production photovoltaïque à partir de caméras au sol, pour laquelle un modèle d’apprentissage profond hybride a été développé. Enfin, l’article ouvre sur les principaux défis scientifiques et industriels à venir de ces méthodes.