Plans prédictifs à taille fixe et séquentiels pour le krigeage

Fixed-size and sequential designs for kriging

• Auteur / Autrice : Mona Abtini
• Direction : Céline Helbert, Maria-João Rendas, Luc Pronzato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 30/08/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Camille Jordan (Rhône ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Clémentine Prieur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria-João Rendas, Luc Pronzato, Bertrand Iooss
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Roustant, Robert Faivre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plan d'expérience

Mots clés libres

Krigeage

Plan d’expériences

Plan d’expériences séquentiel

Hypercube Latin

Maximin

Minimax

IMSE

Proxy

Information Mutuelle

Entropie

Recuit simulé

Discrépance

Kriging

Design of Experiments (DoE)

Sequential design

Latin Hypercube

Maximin

Minimax

IMSE

Mutual Information

Entropy

Simulated annealing

Discrepancy

Résumé

La simulation numérique est devenue une alternative à l’expérimentation réelle pour étudier des phénomènes physiques. Cependant, les phénomènes complexes requièrent en général un nombre important de simulations, chaque simulation étant très coûteuse en temps de calcul. Une approche basée sur la théorie des plans d’expériences est souvent utilisée en vue de réduire ce coût de calcul. Elle consiste à partir d’un nombre réduit de simulations, organisées selon un plan d’expériences numériques, à construire un modèle d’approximation souvent appelé métamodèle, alors beaucoup plus rapide à évaluer que le code lui-même. Traditionnellement, les plans utilisés sont des plans de type Space-Filling Design (SFD). La première partie de la thèse concerne la construction de plans d’expériences SFD à taille fixe adaptés à l’identification d’un modèle de krigeage car le krigeage est un des métamodèles les plus populaires. Nous étudions l’impact de la contrainte Hypercube Latin (qui est le type de plans les plus utilisés en pratique avec le modèle de krigeage) sur des plans maximin-optimaux. Nous montrons que cette contrainte largement utilisée en pratique est bénéfique quand le nombre de points est peu élevé car elle atténue les défauts de la configuration maximin-optimal (majorité des points du plan aux bords du domaine). Un critère d’uniformité appelé discrépance radiale est proposé dans le but d’étudier l’uniformité des points selon leur position par rapport aux bords du domaine. Ensuite, nous introduisons un proxy pour le plan minimax-optimal qui est le plan le plus proche du plan IMSE (plan adapté à la prédiction par krigeage) et qui est coûteux en temps de calcul, ce proxy est basé sur les plans maximin-optimaux. Enfin, nous présentons une procédure bien réglée de l’optimisation par recuit simulé pour trouver les plans maximin-optimaux. Il s’agit ici de réduire au plus la probabilité de tomber dans un optimum local. La deuxième partie de la thèse porte sur un problème légèrement différent. Si un plan est construit de sorte à être SFD pour N points, il n’y a aucune garantie qu’un sous-plan à n points (n 6 N) soit SFD. Or en pratique le plan peut être arrêté avant sa réalisation complète. La deuxième partie est donc dédiée au développement de méthodes de planification séquentielle pour bâtir un ensemble d’expériences de type SFD pour tout n compris entre 1 et N qui soient toutes adaptées à la prédiction par krigeage. Nous proposons une méthode pour générer des plans séquentiellement ou encore emboités (l’un est inclus dans l’autre) basée sur des critères d’information, notamment le critère d’Information Mutuelle qui mesure la réduction de l’incertitude de la prédiction en tout point du domaine entre avant et après l’observation de la réponse aux points du plan. Cette approche assure la qualité des plans obtenus pour toutes les valeurs de n, 1 6 n 6 N. La difficulté est le calcul du critère et notamment la génération de plans en grande dimension. Pour pallier ce problème une solution a été présentée. Cette solution propose une implémentation astucieuse de la méthode basée sur le découpage par blocs des matrices de covariances ce qui la rend numériquement efficace.

In recent years, computer simulation models are increasingly used to study complex phenomena. Such problems usually rely on very large sophisticated simulation codes that are very expensive in computing time. The exploitation of these codes becomes a problem, especially when the objective requires a significant number of evaluations of the code. In practice, the code is replaced by global approximation models, often called metamodels, most commonly a Gaussian Process (kriging) adjusted to a design of experiments, i.e. on observations of the model output obtained on a small number of simulations. Space-Filling-Designs which have the design points evenly spread over the entire feasible input region, are the most used designs. This thesis consists of two parts. The main focus of both parts is on construction of designs of experiments that are adapted to kriging, which is one of the most popular metamodels. Part I considers the construction of space-fillingdesigns of fixed size which are adapted to kriging prediction. This part was started by studying the effect of Latin Hypercube constraint (the most used design in practice with the kriging) on maximin-optimal designs. This study shows that when the design has a small number of points, the addition of the Latin Hypercube constraint will be useful because it mitigates the drawbacks of maximin-optimal configurations (the position of the majority of points at the boundary of the input space). Following this study, an uniformity criterion called Radial discrepancy has been proposed in order to measure the uniformity of the points of the design according to their distance to the boundary of the input space. Then we show that the minimax-optimal design is the closest design to IMSE design (design which is adapted to prediction by kriging) but is also very difficult to evaluate. We then introduce a proxy for the minimax-optimal design based on the maximin-optimal design. Finally, we present an optimised implementation of the simulated annealing algorithm in order to find maximin-optimal designs. Our aim here is to minimize the probability of falling in a local minimum configuration of the simulated annealing. The second part of the thesis concerns a slightly different problem. If XN is space-filling-design of N points, there is no guarantee that any n points of XN (1 6 n 6 N) constitute a space-filling-design. In practice, however, we may have to stop the simulations before the full realization of design. The aim of this part is therefore to propose a new methodology to construct sequential of space-filling-designs (nested designs) of experiments Xn for any n between 1 and N that are all adapted to kriging prediction. We introduce a method to generate nested designs based on information criteria, particularly the Mutual Information criterion. This method ensures a good quality forall the designs generated, 1 6 n 6 N. A key difficulty of this method is that the time needed to generate a MI-sequential design in the highdimension case is very larg. To address this issue a particular implementation, which calculates the determinant of a given matrix by partitioning it into blocks. This implementation allows a significant reduction of the computational cost of MI-sequential designs, has been proposed.