Several fundamental problems in science and engineering consist of global optimization tasks involving unknown high-dimensional (black-box) functions that map a set of controllable variables to the outcomes of an expensive experiment. Bayesian Optimization (BO) techniques are known to be effective in tackling global optimization problems using a relatively small number objective function evaluations, but their performance suffers when dealing with high-dimensional outputs. To overcome the major challenge of dimensionality, here we propose a deep learning framework for BO and sequential decision making based on bootstrapped ensembles of neural architectures with randomized priors. Using appropriate architecture choices, we show that the proposed framework can approximate functional relationships between design variables and quantities of interest, even in cases where the latter take values in high-dimensional vector spaces or even infinite-dimensional function spaces. In the context of BO, we augmented the proposed probabilistic surrogates with re-parameterized Monte Carlo approximations of multiple-point (parallel) acquisition functions, as well as methodological extensions for accommodating black-box constraints and multi-fidelity information sources. We test the proposed framework against state-of-the-art methods for BO and demonstrate superior performance across several challenging tasks with high-dimensional outputs, including a constrained optimization task involving shape optimization of rotor blades in turbo-machinery.


翻译:在科学和工程中,存在许多基本问题需要进行全局优化,这些问题包括将一组可控变量映射到昂贵实验结果的未知高维(黑盒)函数。众所周知,贝叶斯优化(BO)技术可以有效地解决全局优化问题,并且只需要进行相对较小数量的目标函数评估,但是当处理高维输出时,它们的性能会受到影响。为了克服维度上的主要挑战,我们提出了一种基于具有随机化先验的神经网络集成的自助法贝叶斯优化和顺序决策的深度学习框架。通过适当的架构选择,我们展示了所提出的框架可以近似设计变量和感兴趣量之间的函数关系,即使在后者取值为高维向量空间甚至无限维函数空间的情况下也是如此。在BO的上下文中,我们使用重新参数化的蒙特卡罗多点(并行)获得函数的多点采集函数的近似,并进行方法扩展以适应黑盒约束和多保真度信息源。我们将所提出的框架与BO的最先进方法进行了测试,并证明了在多个具有高维输出的挑战性任务中的卓越性能,包括在涡轮机械中进行叶片形状优化的约束优化任务。

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