Multi-fidelity Kriging model is a promising technique in surrogate-based design as it can balance the model accuracy and cost of sample preparation by fusing low- and high-fidelity data. However, the cost for building a multi-fidelity Kriging model increases significantly with the increase of the problem dimension. To attack this issue, an efficient Hierarchical Kriging modeling method is proposed. In building the low-fidelity model, the maximal information coefficient is utilized to calculate the relative value of the hyperparameter. With this, the maximum likelihood estimation problem for determining the hyperparameters is transformed as a one-dimension optimization problem, which can be solved in an efficient manner and thus improve the modeling efficiency significantly. A local search is involved further to exploit the search space of hyperparameters to improve the model accuracy. The high-fidelity model is built in a similar manner with the hyperparameter of the low-fidelity model served as the relative value of the hyperparameter for high-fidelity model. The performance of the proposed method is compared with the conventional tuning strategy, by testing them over ten analytic problems and an engineering problem of modeling the isentropic efficiency of a compressor rotor. The empirical results demonstrate that the modeling time of the proposed method is reduced significantly without sacrificing the model accuracy. For the modeling of the isentropic efficiency of the compressor rotor, the cost saving associated with the proposed method is about 90% compared with the conventional strategy. Meanwhile, the proposed method achieves higher accuracy.

Gradient-enhanced Kriging (GE-Kriging) is a well-established surrogate modelling technique for approximating expensive computational models. However, it tends to get impractical for high-dimensional problems due to the large inherent correlation matrix and the associated high-dimensional hyper-parameter tuning problem. To address these issues, we propose a new method in this paper, called sliced GE-Kriging (SGE-Kriging) for reducing both the size of the correlation matrix and the number of hyper-parameters. Firstly, we perform a derivative-based global sensitivity analysis to detect the relative importance of each input variable with respect to model response. Then, we propose to split the training sample set into multiple slices, and invoke Bayes' theorem to approximate the full likelihood function via a sliced likelihood function, in which multiple small correlation matrices are utilized to describe the correlation of the sample set. Additionally, we replace the original high-dimensional hyper-parameter tuning problem with a low-dimensional counterpart by learning the relationship between the hyper-parameters and the global sensitivity indices. Finally, we validate SGE-Kriging by means of numerical experiments with several benchmarks problems. The results show that the SGE-Kriging model features an accuracy and robustness that is comparable to the standard one but comes at much less training costs. The benefits are most evident in high-dimensional problems.

This paper presents a surrogate modelling technique based on domain partitioning for Bayesian parameter inference of highly nonlinear engineering models. In order to alleviate the computational burden typically involved in Bayesian inference applications, a multielement Polynomial Chaos Expansion based Kriging metamodel is proposed. The developed surrogate model combines in a piecewise function an array of local Polynomial Chaos based Kriging metamodels constructed on a finite set of non-overlapping subdomains of the stochastic input space. Therewith, the presence of non-smoothness in the response of the forward model (e.g.~ nonlinearities and sparseness) can be reproduced by the proposed metamodel with minimum computational costs owing to its local adaptation capabilities. The model parameter inference is conducted through a Markov chain Monte Carlo approach comprising adaptive exploration and delayed rejection. The efficiency and accuracy of the proposed approach are validated through two case studies, including an analytical benchmark and a numerical case study. The latter relates the partial differential equation governing the hydrogen diffusion phenomenon of metallic materials in Thermal Desorption Spectroscopy tests.

这项工作介绍了最近开发的参数，非侵入性和多余性降低的建模方法在高维位移和应力场上的应用，这是由于几何分析的结构分析而引起的，这些几何形状分析在离散化和结构拓扑的规模上不同。提出的方法通过将其解决方案分别投射到公共子空间中，利用了歧管对齐方式将不一致的现场输出融合不一致的场输出。该方法的有效性在两个多保真场景上得到了证明，涉及基准翼几何形状的结构分析。结果表明，使用不兼容的网格或相关但不同的拓扑结构的结构模拟输出很容易组合为单个预测模型，从而消除了对数据进行其他预处理的需求。与单性模型相比，新的多保真降低模型以较低的计算成本获得了相对较高的预测精度。

在地质不确定性下，快速同化监测数据以更新压力累积和压力累积和二氧化碳（CO2）羽流迁移的预测是地质碳储存中的一个具有挑战性的问题。具有高维参数空间的数据同化的高计算成本阻碍了商业规模库管理的快速决策。我们建议利用具有深度学习技术的多孔介质流动行为的物理理解，以开发快速历史匹配 - 水库响应预测工作流程。应用集合更顺畅的多数据同化框架，工作流程更新地质特性，并通过通过地震反转解释的压力历史和二氧化碳羽毛的量化不确定性来预测水库性能。由于这种工作流程中最具计算昂贵的组件是储层模拟，我们开发了代理模型，以在多孔注射下预测动态压力和CO2羽流量。代理模型采用深度卷积神经网络，具体地，宽的剩余网络和残留的U-Net。该工作流程针对代表碎屑货架沉积环境的扁平三维储层模型验证。智能处理应用于真正的3D储层模型中数量与单层储层模型之间的桥梁。工作流程可以在主流个人工作站上不到一小时内完成历史匹配和储库预测，在不到一小时内。

由于其数据效率，贝叶斯优化已经出现在昂贵的黑盒优化的最前沿。近年来，关于新贝叶斯优化算法及其应用的发展的研究激增。因此，本文试图对贝叶斯优化的最新进展进行全面和更新的调查，并确定有趣的开放问题。我们将贝叶斯优化的现有工作分为九个主要群体，并根据所提出的算法的动机和重点。对于每个类别，我们介绍了替代模型的构建和采集功能的适应的主要进步。最后，我们讨论了开放的问题，并提出了有希望的未来研究方向，尤其是在分布式和联合优化系统中的异质性，隐私保护和公平性方面。

映射近场污染物的浓度对于跟踪城市地区意外有毒羽状分散体至关重要。通过求解大部分湍流谱，大型模拟（LES）具有准确表示污染物浓度空间变异性的潜力。找到一种合成大量信息的方法，以提高低保真操作模型的准确性（例如，提供更好的湍流封闭条款）特别有吸引力。这是一个挑战，在多质量环境中，LES的部署成本高昂，以了解羽流和示踪剂分散如何随着各种大气和源参数的变化。为了克服这个问题，我们提出了一个合并正交分解（POD）和高斯过程回归（GPR）的非侵入性降低阶模型，以预测与示踪剂浓度相关的LES现场统计。通过最大的后验（MAP）过程，GPR HyperParameter是通过POD告知的最大后验（MAP）过程来优化组件的。我们在二维案例研究上提供了详细的分析，该案例研究对应于表面安装的障碍物上的湍流大气边界层流。我们表明，障碍物上游的近源浓度异质性需要大量的POD模式才能得到充分捕获。我们还表明，逐组分的优化允许捕获POD模式中的空间尺度范围，尤其是高阶模式中较短的浓度模式。如果学习数据库由至少五十至100个LES快照制成，则可以首先估算所需的预算，以朝着更逼真的大气分散应用程序迈进，因此减少订单模型的预测仍然可以接受。

An enhanced geothermal system is essential to provide sustainable and long-term geothermal energy supplies and reduce carbon emissions. Optimal well-control scheme for effective heat extraction and improved heat sweep efficiency plays a significant role in geothermal development. However, the optimization performance of most existing optimization algorithms deteriorates as dimension increases. To solve this issue, a novel surrogate-assisted level-based learning evolutionary search algorithm (SLLES) is proposed for heat extraction optimization of enhanced geothermal system. SLLES consists of classifier-assisted level-based learning pre-screen part and local evolutionary search part. The cooperation of the two parts has realized the balance between the exploration and exploitation during the optimization process. After iteratively sampling from the design space, the robustness and effectiveness of the algorithm are proven to be improved significantly. To the best of our knowledge, the proposed algorithm holds state-of-the-art simulation-involved optimization framework. Comparative experiments have been conducted on benchmark functions, a two-dimensional fractured reservoir and a three-dimensional enhanced geothermal system. The proposed algorithm outperforms other five state-of-the-art surrogate-assisted algorithms on all selected benchmark functions. The results on the two heat extraction cases also demonstrate that SLLES can achieve superior optimization performance compared with traditional evolutionary algorithm and other surrogate-assisted algorithms. This work lays a solid basis for efficient geothermal extraction of enhanced geothermal system and sheds light on the model management strategies of data-driven optimization in the areas of energy exploitation.

在这项工作中，我们提出了一个新的高斯进程回归（GPR）方法：物理信息辅助Kriging（PHIK）。在标准数据驱动的Kriging中，感兴趣的未知功能通常被视为高斯过程，其中具有假定的静止协方差，其具有从数据估计的QuandEdmente。在PHIK中，我们从可用随机模型的实现中计算平均值和协方差函数，例如，从管理随机部分微分方程解决方案的实现。这种构造的高斯过程通常是非静止的，并且不承担特定形式的协方差。我们的方法避免了数据驱动的GPR方法中的优化步骤来识别超参数。更重要的是，我们证明了确定性线性操作员形式的物理约束在得到的预测中保证。当在随机模型实现中包含错误时，我们还提供了保留物理约束时的误差估计。为了降低获取随机模型的计算成本，我们提出了一种多级蒙特卡罗估计的平均和协方差函数。此外，我们介绍了一种有源学习算法，指导选择附加观察位置。 PHIK的效率和准确性被证明重建部分已知的修饰的Branin功能，研究三维传热问题，并从稀疏浓度测量学习保守的示踪剂分布。

替代模型用于减轻工程任务中的计算负担，这些计算负担需要重复评估计算要求的物理系统模型，例如不确定性的有效传播。对于显示出非常非线性依赖其输入参数的模型，标准的替代技术（例如多项式混沌膨胀）不足以获得原始模型响应的准确表示。通过应用有理近似，对于通过有理函数准确描述的模型可以有效地降低近似误差。具体而言，我们的目标是近似复杂值模型。获得替代系数的一种常见方法是最小化模型和替代物之间的基于样本的误差，从最小二乘意义上讲。为了获得原始模型的准确表示并避免过度拟合，样品集的量是扩展中多项式项数的两到三倍。对于需要高多项式程度或在其输入参数方面具有高维度的模型，该数字通常超过负担得起的计算成本。为了克服这个问题，我们将稀疏的贝叶斯学习方法应用于理性近似。通过特定的先前分布结构，在替代模型的系数中诱导稀疏性。分母的多项式系数以及问题的超参数是通过类型-II-Maximim-Maximim类似方法来确定的。我们应用了准牛顿梯度散发算法，以找到最佳的分母系数，并通过应用$ \ mathbb {cr} $ -Colculus来得出所需的梯度。

大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。

多保真建模和校准是在工程设计中普遍出现的数据融合任务。在本文中，我们介绍了一种基于潜在地图高斯过程（LMGPS）的新方法，可实现高效准确的数据融合。在我们的方法中，我们将数据融合转换为潜在的空间学习问题，其中自动学习不同数据源之间的关系。这种转换赋予我们的方法具有有吸引力的优点，例如提高准确性，降低成本，灵活性，共同熔断任何数量的数据源，以及可视化数据源之间的相关性。该可视化允许用户通过拟合LMGP仅拟合到具有良好相关的数据源的子集的子集来检测模型形式误差或确定用于高保真仿真的最佳策略。我们还开发了一种新的内核功能，使LMGPS能够不仅构建概率的多保真代理，而且还具有高精度和一致性的估计参数。与现有技术相比，我们的方法的实施和使用易于更简单，更不容易出现数值问题。我们通过在广泛的示例中比较其对竞争方法的性能来证明基于LMGP的数据融合的好处。

基于可解释的机器学习，提出了一种名为InterOPT优化操作参数的算法，并通过优化页岩气体开发来证明。InterOpt由三个部分组成：神经网络用于构建矢量空间中实际钻孔和液压压裂过程的模拟器（即虚拟环境）；可解释的机器学习中的Sharpley价值方法用于分析每个井中地质和操作参数的影响（即单个井功能影响分析）；并进行集合随机最大似然（ENRML）以优化操作参数，以全面提高页岩气发展的效率并降低平均成本。在实验中，InterOPT根据其特定地质条件为每个井提供了不同的钻孔和破裂计划，并最终在104井的案例研究中获得了9.7％的平均成本降低9.7％。

由于评估成本函数的费用（例如，使用计算流体动力学）来确定表面控制所需的性能，因此通常不可能找到流体动力或空气动力表面的最佳设计。此外，由于强加的几何限制，常规的参数化方法和用户偏见，设计空间本身的固有局限性可以限制所选设计空间内设计的{\ IT}，而不管传统的优化方法还是较新的，数据驱动的方法使用机器学习的设计算法用于搜索设计空间。我们提出了2条攻击来解决这些困难：我们提出了（1）一种方法，可以使用变形创建设计空间，我们称之为{\ it by-morphing}（dbm）; （2）一种优化算法，用于搜索使用新型贝叶斯优化（BO）策略的空间，我们称之为{\ it混合变量，多目标贝叶斯优化}（MixMobo）。我们采用这种形状优化策略来最大程度地提高基本动力学涡轮的功率输出。在同时应用这两种策略，我们证明我们可以创建一个新颖的，几何毫无约束的设计空间和轮毂形状的设计空间，然后通过{\ it最低}成本函数的数量来同时优化它们。我们的框架是多功能的，可以应用于各种流体问题的形状优化。

Estimating the probability of failure for complex real-world systems using high-fidelity computational models is often prohibitively expensive, especially when the probability is small. Exploiting low-fidelity models can make this process more feasible, but merging information from multiple low-fidelity and high-fidelity models poses several challenges. This paper presents a robust multi-fidelity surrogate modeling strategy in which the multi-fidelity surrogate is assembled using an active learning strategy using an on-the-fly model adequacy assessment set within a subset simulation framework for efficient reliability analysis. The multi-fidelity surrogate is assembled by first applying a Gaussian process correction to each low-fidelity model and assigning a model probability based on the model's local predictive accuracy and cost. Three strategies are proposed to fuse these individual surrogates into an overall surrogate model based on model averaging and deterministic/stochastic model selection. The strategies also dictate which model evaluations are necessary. No assumptions are made about the relationships between low-fidelity models, while the high-fidelity model is assumed to be the most accurate and most computationally expensive model. Through two analytical and two numerical case studies, including a case study evaluating the failure probability of Tristructural isotropic-coated (TRISO) nuclear fuels, the algorithm is shown to be highly accurate while drastically reducing the number of high-fidelity model calls (and hence computational cost).

本文为工程产品的计算模型或仅返回分类信息的过程提供了一种新的高效和健壮方法，用于罕见事件概率估计，例如成功或失败。对于此类模型，大多数用于估计故障概率的方法，这些方法使用结果的数值来计算梯度或估计与故障表面的接近度。即使性能函数不仅提供了二进制输出，系统的状态也可能是连续输入变量域中定义的不平滑函数，甚至是不连续的函数。在这些情况下，基于经典的梯度方法通常会失败。我们提出了一种简单而有效的算法，该算法可以从随机变量的输入域进行顺序自适应选择点，以扩展和完善简单的基于距离的替代模型。可以在连续采样的任何阶段完成两个不同的任务：（i）估计失败概率，以及（ii）如果需要进一步改进，则选择最佳的候选者进行后续模型评估。选择用于模型评估的下一个点的建议标准最大化了使用候选者分类的预期概率。因此，全球探索与本地剥削之间的完美平衡是自动维持的。该方法可以估计多种故障类型的概率。此外，当可以使用模型评估的数值来构建平滑的替代物时，该算法可以容纳此信息以提高估计概率的准确性。最后，我们定义了一种新的简单但一般的几何测量，这些测量是对稀有事实概率对单个变量的全局敏感性的定义，该度量是作为所提出算法的副产品获得的。

多目标优化问题的目标在现实世界中通常会看到不同的评估成本。现在，此类问题被称为异质目标（HE-MOPS）的多目标优化问题。然而，到目前为止，只有少数研究来解决HE-MOPS，其中大多数专注于一个快速目标和一个缓慢目标的双向目标问题。在这项工作中，我们旨在应对具有两个以上黑盒和异质目标的He-mops。为此，我们通过利用He-Mops中廉价且昂贵的目标的不同数据集来减轻因评估不同目标而导致的搜索偏见，从而减轻了廉价且昂贵的目标，从而为HE-MOPS开发了多目标贝叶斯进化优化方法。为了充分利用两个不同的培训数据集，一种对所有目标进行评估的解决方案，另一个与仅在快速目标上进行评估的解决方案，构建了两个单独的高斯过程模型。此外，提出了一种新的采集函数，以减轻对快速目标的搜索偏见，从而在收敛与多样性之间达到平衡。我们通过对广泛使用的多/多目标基准问题进行测试来证明该算法的有效性，这些问题被认为是异质昂贵的。

In many engineering optimization problems, the number of function evaluations is severely limited by time or cost. These problems pose a special challenge to the field of global optimization, since existing methods often require more function evaluations than can be comfortably afforded. One way to address this challenge is to fit response surfaces to data collected by evaluating the objective and constraint functions at a few points. These surfaces can then be used for visualization, tradeoff analysis, and optimization. In this paper, we introduce the reader to a response surface methodology that is especially good at modeling the nonlinear, multimodal functions that often occur in engineering. We then show how these approximating functions can be used to construct an efficient global optimization algorithm with a credible stopping rule. The key to using response surfaces for global optimization lies in balancing the need to exploit the approximating surface (by sampling where it is minimized) with the need to improve the approximation (by sampling where prediction error may be high). Striking this balance requires solving certain auxiliary problems which have previously been considered intractable, but we show how these computational obstacles can be overcome.

我们考虑使用昂贵的功能评估（也称为实验）的黑匣子多目标优化（MOO）的问题，其中目标是通过最小化实验的总资源成本来近似真正的帕累托解决方案。例如，在硬件设计优化中，我们需要使用昂贵的计算模拟找到权衡性能，能量和面积开销的设计。关键挑战是选择使用最小资源揭示高质量解决方案的实验顺序。在本文中，我们提出了一种基于输出空间熵（OSE）搜索原理来解决MOO问题的一般框架：选择最大化每单位资源成本的信息的实验，这是真正的帕累托前线所获得的信息。我们适当地实例化了OSE搜索的原理，以导出以下四个Moo问题设置的高效算法：1）最基本的EM单一保真设置，实验昂贵且准确; 2）处理EM黑匣子约束}在不执行实验的情况下无法进行评估; 3）离散的多保真设置，实验可以在消耗的资源量和评估准确度时变化; 4）EM连续保真设置，其中连续函数近似导致巨大的实验空间。不同综合和现实世界基准测试的实验表明，基于OSE搜索的算法在既有计算效率和MOO解决方案的准确性方面改进了最先进的方法。

机器学习领域的最新进展打开了高性能计算的新时代。机器学习算法在开发复杂问题的准确和成本效益的替代物中的应用已经引起了科学家的主要关注。尽管具有强大的近似功能，但代理人仍无法为问题产生“精确”解决方案。为了解决此问题，本文利用了最新的ML工具，并提供了线性方程系统的自定义迭代求解器，能够在任何所需的准确性级别求解大规模参数化问题。具体而言，建议的方法包括以下两个步骤。首先，进行了一组减少的模型评估集，并使用相应的解决方案用于建立从问题的参数空间到其解决方案空间的近似映射，并使用深层馈电神经网络和卷积自动编码器。该映射是一种手段，可以以微不足道的计算成本来获得对系统对新查询点的响应的非常准确的初始预测。随后，开发了一种受代数多机方法启发的迭代求解器与适当的正交分解（称为pod-2g）相结合的迭代求解器，该迭代求解器被开发为依次完善对确切系统解决方案的初始预测。在大规模系统的几个数值示例中，证明了POD-2G作为独立求解器或作为预处理梯度方法的预处理，结果表明其优于常规迭代溶液方案。