Approximating complex, high-dimensional, and computationally expensive functions is a central problem in science and engineering. Standard sparse grids offer a powerful solution by mitigating the curse of dimensionality compared to full tensor grids. However, they treat all regions of the domain isotropically, which may not be efficient for functions with localized or anisotropic behavior. This work presents a surrogate-informed framework for constructing sparse grid interpolants, which is guided by an error indicator that serves as a zero-cost estimate for the hierarchical surplus. This indicator is calculated for all candidate points, defined as those in the next-level grid $w+1$ not already present in the base grid $w$. It quantifies the local approximation error by measuring the relative difference between the predictions of two consecutive interpolants of level $w$ and $w-1$. The candidates are then ranked by this metric to select the most impactful points for refinement up to a given budget or following another criterion, as, e.g., a given threshold in the error indicator. The final higher-order model is then constructed using a surrogate-informed approach: the objective function is evaluated only at the selected high-priority points, while for the remaining nodes of the $w+1$ grid, we assign the values predicted by the initial $w$-level surrogate. This strategy significantly reduces the required number of expensive evaluations, yielding a final model that closely approximates the accuracy of a fully-resolved $w+1$ grid at a fraction of the computational cost. The accuracy and efficiency of the proposed surrogate-informed refinement criterion is demonstrated for several analytic function and for a real engineering problem, i.e., the analysis of sensitivity to geometrical parameters of numerically predicted flashback phenomenon in hydrogen-fueled perforated burners.


翻译:逼近复杂、高维且计算代价高昂的函数是科学与工程中的核心问题。相较于全张量网格,标准稀疏网格通过缓解维度灾难提供了强大的解决方案。然而,它们对定义域的所有区域采用各向同性处理,这对于具有局部化或各向异性行为的函数可能并不高效。本研究提出了一种构建稀疏网格插值的代理模型信息框架,该框架由一种误差指示器引导,该指示器可作为分层盈余的零成本估计。该指示器针对所有候选点进行计算,候选点定义为位于下一级网格 $w+1$ 中但未出现在基础网格 $w$ 中的点。它通过测量 $w$ 级与 $w-1$ 级两个连续插值预测值之间的相对差异,量化局部逼近误差。随后,根据此度量对候选点进行排序,以在给定预算内或依据其他准则(例如误差指示器的给定阈值)选择对细化最具影响力的点。最终的高阶模型采用代理模型信息方法构建:仅在选定的高优先级点处评估目标函数,而对于 $w+1$ 网格的其余节点,则分配由初始 $w$ 级代理模型预测的值。该策略显著减少了所需的昂贵评估次数,产生的最终模型能以远低于完全解析 $w+1$ 网格的计算成本,紧密逼近其精度。所提出的代理模型信息细化准则的准确性和效率在多个解析函数以及一个实际工程问题中得到了验证,即对氢燃料多孔燃烧器中数值预测回火现象几何参数敏感性的分析。

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