52、多保真度与代理模型的可重复性分析及五角直觉模糊运输问题新方法

多保真度与代理模型的可重复性分析及五角直觉模糊运输问题新方法

多保真度与代理模型在跨音速翼型多目标优化中的应用

在跨音速翼型的多目标优化(MOO)中,为了提高计算效率并获得准确的结果,采用了多保真度模型和代理模型相结合的方法。

首先,选择了不同的网格模型。一个64×64的网格被选作低保真快速模型,与之相比,另一个网格的流动模拟耗时约30分钟,而这个低保真模型仅需约1分钟。通过在解流中内部改变攻角来获得固定升力。

接下来是多目标优化的具体步骤:
1. 构建代理模型s0 :使用输出空间映射(OSM)方法,基于训练样本构建代理模型s0。以基线翼型获取其对应的低保真和高保真响应,进而构建OSM校正因子。利用s0在上下界内进行设计空间缩减。具体是通过两次单目标优化运行,获得帕累托前沿的两个近似极端端点。这两次单目标优化运行的目标函数分别为最小化阻力系数$C_d$和俯仰力矩系数$C_m$,同时满足马赫数$M_{\infty}=0.734$、升力系数$C_l = 0.824$以及面积$A \geq A_{Baseline}$的约束条件。搜索过程大约进行了150次函数评估,得到了两个最优解$x_c^ (1)$和$x_c^ (2)$,以及对应的阻力系数$C_d^ (1)$、$C_d^ (2)$和俯仰力矩系数$C_m^ (1)$、$C_m^ (2)$。最终,缩减后的设计空间边界由$l^ = \min (x_c^ (1), x_c^ (2))$和$u^ = \max(x_c^ (1), x_c^ (2))$确定。

MATLAB代码实现了一个基于种智能优化算法优化RBF神经网络的回归预测模型,其核心是通过智能优化算法自动寻找最优的RBF扩展参数(spread),以提升预测精度。 1.主要功能 算法优化RBF网络:使用种智能优化算法优化RBF神经网络的核心参数spread。 回归预测:对输入特征进行回归预测,适用于连续值输出问题。 性能对比:对比不同优化算法在训练集和测试集上的预测性能,绘制适应度曲线、预测对比图、误差指标柱状图等。 2.算法步骤 数据准备:导入数据,随机打乱,划分训练集和测试集(默认7:3)。 数据归一化:使用mapminmax将输入和输出归一化到[0,1]区间。 标准RBF建模:使用固定spread=100建立基准RBF模型。 智能优化循环: 调用优化算法(从指定文件夹中读取算法文件)优化spread参数。 使用优化后的spread重新训练RBF网络。 评估预测结果,保存性能指标。 结果可视化: 绘制适应度曲线、训练集/测试集预测对比图。 绘制误差指标(MAE、RMSE、MAPE、MBE)柱状图。 十种智能优化算法分别是: GWO:灰狼算法 HBA:蜜獾算法 IAO:改进天鹰优化算法,改进①:Tent混沌映射种群初始化,改进②:自适应权重 MFO:飞蛾扑火算法 MPA:海洋捕食者算法 NGO:北方苍鹰算法 OOA:鱼鹰优化算法 RTH:红尾鹰算法 WOA:鲸鱼算法 ZOA:斑马算法
### 保真度代理模型概念 保真度代理模型是指利用不同精度级别的模拟器来构建预测模型的技术。低保真度模型通常计算成本较低但准确性有限;而高保真度模型虽然精确却往往耗费更资源。通过组合这两种类型的模型,可以在保持一定准确性的前提下显著减少计算开销。 这种策略特别适用于那些涉及昂贵仿真过程的应用场景,在这类情况下获取大量高质量样本非常困难或代价高昂。借助保真度建模方法,则可以通过较少的真实实验数据加上更的低成本近似结果来进行有效的机器学习训练[^1]。 ### 实现方法 为了实现保真度代理模型,一般会采取以下几种关键技术: #### 数据融合 将来自高低两种保真度源的数据集结合起来作为输入特征向量的一部分。这可能涉及到简单的拼接操作或者是更加复杂的加权平均处理方式。 #### 协同训练 设计特定算法使得两个层次上的模型能够相互促进对方的学习效果。例如,先用大量的低保真度样本来预训练神经网络架构,然后再逐步加入少量珍贵的高分辨率实例以微调参数设置。 #### 转移学习 基于已有的大规模预训练权重初始化新任务中的深层结构,从而加快收敛速度并提高泛化性能。这种方法尤其适合当目标域源域之间存在一定关联性的时候使用[^2]。 ```python import torch.nn as nn class MultiFidelityModel(nn.Module): def __init__(self, low_fidelity_model, high_fidelity_model): super(MultiFidelityModel, self).__init__() self.low_fidelity = low_fidelity_model self.high_fidelity = high_fidelity_model def forward(self, x_low, x_high=None): out_low = self.low_fidelity(x_low) if x_high is not None: out_high = self.high_fidelity(torch.cat((out_low, x_high), dim=1)) return out_high return out_low ``` ### 应用案例 在实际工业界中,保真度代理模型已经被广泛应用于个领域内的重要问题求解上: - **自动驾驶汽车测试**:由于真实道路环境下的实车行驶试验风险较大且费用极高,研究人员经常依赖计算机生成的道路交通状况视频片段配合物理原型车辆内部传感器读数共同构成混合型验证平台; - **航空航天工程优化**:飞机设计师们需要反复迭代调整机翼外形直至找到最佳空气动力学特性配置方案,此时如果完全依靠风洞吹风测量显然不切实际,所以会选择结合CFD流体数值分析软件输出以及实验室小型实体样品测验成果综合考量决策方向; - **药物发现流程加速**:制药公司希望尽快筛选出最有潜力的新药化合物分子,于是便采用了虚拟筛选手段辅助传统湿化学合成路线探索活动,即先由高性能GPU集群执行初步过滤作业再挑选若干候选对象进入后续深入研究阶段[^3].
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