Clustered Active Subspaces Applied to Aerodynamic Shape Optimisation
Active subspaces partitionnées pour l'optimisation aérodynamique de formes
Résumé
Surrogate-based optimisation in design spaces exceeding several tens of parameters is numerically intractable yet more and more frequent. Dimension reduction is a potent answer to this problem. However, typical dimension reduction methods seek to identify global trends over the entire design space. We propose to use a combination of Active Subspaces in subregions of the design space, where their use of the objective function’s gradients will exploit local information to discover specific trends in the objective function. Local surrogate models are then constructed in the subspaces, and recombined to form a global surrogate model, which we can then exploit for optimisation.
The partitioning of the input space is done through a model based Gaussian Mixture Model clustering, where the authors assume the distribution of the joint inputs/outputs to be a mixture of Gaussians. After labelling the points with GMM, we propose to train a supervised Support Vector Classifier. This strategy scales better with high-dimensional parameter spaces and yields an explicit analytical expression of the clusters’ boundaries, from which we can formulate an improved recombination strategy with overlapping between the surrogate models. The use of overlapping increases prediction accuracy at the boundaries between clusters, an improvement over recombination methods typically found in the literature.
L'optimisation a base de modèles de substitution dans des espaces de dimension croissante est numériquement compliquée, mais de plus en plus en vogue. La réduction de dimension est une solution à ce problème, mais les méthoodes classiques de réduction de dimension cherchent à découvrir les tendances globales de la fonction d'intérêt sur la totalité de l'espace de design. Nous proposons d'utiliser une combinaison d'active subspaces dans des régions de l'espace de design, où leur exploitation des gradients de la fonction d'intérêt est très adaptée à la découverte de tendances locales. Des modèles de substitution sont construits dans ces espaces localement réduits, puis recombinés pour créer un modèle de subsitution global, qui peut être exploité à des fins d'optimisation.
Le découpage de l'espace des paramètres est effectué avec un mélange de Gaussiennes, où l'on suppose que la distribution conjointes des entrées et sorties (paramètres de forme et valeur de fonction d'intérêt) suivent un mélange de Gaussiennes. Après classification des points avec ce modèle Gaussian Mixture Model, on propose d'entrainer un classifieur Machine à Support Vecteurs (SVC). Cette méthode fournit une expression analytique de la frontière entre les clusters, à partir de laquelle on peut améliorer la prédiction de notre modèle de substitution à l'aide d'un recouvrement entre les experts locaux. En effet, on définit des zones de recouvrement permettant de réduire le besoin d'extrapoler entre les bases d'entrainement des experts locaux, ce qui apporte un gain de précision par rapport à d'autres méthodes de recombinaison existantes.
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