Data Assimilation

Description

-Basics tools to solve inverse problems (including examples): least-squares (linear, non-linear), regularization.  

-Data Assimilation principles (variational, sequential).  

– Bayesian analysis.  

– Equivalences between the BLUE:Kalman filter, the MAP and VDA in the Linear-Quadratic-Gaussian case.  

– A first application to model identification in experimental mechanics: (i) computation of the measures from image registration and (ii) data assimilation to calibrate constitutive laws. 

-Optimal control of ODEs. Linear-Quadratic case, maximum principle, Hamiltonian.  

Small practical: optimal control of a vehicle trajectory.  

 

-Optimal control of PDEs. Gradient computation, adjoint model, optimality system. 

– Variational Data Assimilation (steady-state case, unsteady case). Algorithms (3D-VAR, 4D-Var, variants).  

– Examples, practical aspects.  

– DA by Physics Informed Neural Networks (PINNs). 

 

Practical (marked): estimation of river bathymetry from water surface measurements (problem arising in spatial hydrology). 

 

Ocean circulation modelling 

– Fluid mechanics at the planetary scale, Equilibrium solutions 

– Shallow water equations: derivation and description of wave propagation. Applications: Gravity waves, Poincaré Waves, Kelvin Waves 

-Quasi-Geostrophic equations: derivation and description of wave propagation. Applications: Rossby Waves, Gulf Stream.

Objectifs

- Standard basic tools to analyze and solve inverse problems. 

- How to fuse measurements (datasets) and PDE-based models. 

- Set up the optimal control of a system (ODEs and PDEs). 

- Compute the gradient of a model output (cost function) in large dimensional cases by the adjoint method. 

- Set up a control-like algorithm to identify uncertain parameters and/or calibrate the model (Variational Data Assimilation, 4D-Var). 

- Explain the links and differences between VDA, filters (Kalman etc) and Bayesian estimations. 

- Explain what is a Physics Informed Neural Network (PINN).  

 -Carry out the non dimensionalization of a system of PDE, use correctly physical units in a PDE system. 

-Carry out the analysis of the dynamics around equilibrium of PDE system with dispersion relations. 

Pré-requis

Differential calculus, numerical optimisation, bases of functional analysis and mechanical models, the few classical PDE models (weak forms and FE schemes is a plus), Python programming. 

Évaluation

L’évaluation des acquis d’apprentissage est réalisée en continu tout le long du semestre. En fonction des enseignements, elle peut prendre différentes formes : examen écrit, oral, compte-rendu, rapport écrit, évaluation par les pairs…

En bref

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