Physics-Informed Schrödinger Bridge による疎な教師データを用いたデータ同化

arXiv cs.AI / 2026/3/25

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要点

  • 本論文は、PDE(偏微分方程式)に基づくデータ同化を扱い、疎な高忠実度観測を支配する物理と整合させる必要があるものの、通常はインスタンスごとの遅いテスト時最適化が必要となる点を問題とする。
  • 情報量のある低忠実度の事前分布を、観測に条件付けられた高忠実度の事後分布へ輸送する償却型(amortized)再構成手法として、Physics-Informed Conditional Schrödinger Bridge(PICSB)を提案し、追加の推論時ガイダンスを不要にする。
  • PICSBは、反復的なサロゲート終端(surrogate-endpoint)のリフレッシュ手法と、PDE残差を直接学習損失に加えることで、完全な高忠実度の終端を用いずに学習できるよう設計されている。
  • サンプリング時には、ハードな条件付けによって観測を強制しつつ、流体PDEベンチマークにおける時空間場の非常に高速な復元を可能にし、競争力のある再構成精度を維持する。

Abstract

Data assimilation (DA) for systems governed by partial differential equations (PDE) aims to reconstruct full spatiotemporal fields from sparse high-fidelity (HF) observations while respecting physical constraints. While full-grid low-fidelity (LF) simulations provide informative priors in multi-fidelity settings, recovering an HF field consistent with both sparse observations and the governing PDE typically requires per-instance test-time optimization, which becomes a major bottleneck in time-critical applications. To alleviate this, amortized reconstruction using generative models has recently been proposed; however, such approaches rely on full-field HF supervision during training, which is often impractical in real-world settings. From a more realistic perspective, we propose the Physics-Informed Conditional Schr\"odinger Bridge (PICSB), which transports an informative LF prior toward an observation-conditioned HF posterior without any additional inference-time guidance. To enable learning without HF endpoints, PICSB employs an iterative surrogate-endpoint refresh scheme, and directly incorporates PDE residuals into the training objective while enforcing observations via hard conditioning throughout sampling. Experiments on fluid PDE benchmarks demonstrate that PICSB enables extremely fast spatiotemporal field reconstruction while maintaining competitive accuracy under sparse HF supervision.