Belirsizlik ölçümü - Uncertainty quantification

Belirsizlik ölçümü (UQ) kantitatif karakterizasyon ve azaltma bilimidir. belirsizlikler hem hesaplamalı hem de gerçek dünya uygulamalarında. Sistemin bazı yönleri tam olarak bilinmiyorsa, belirli sonuçların ne kadar olası olduğunu belirlemeye çalışır. Bir örnek, başka bir otomobille kafa kafaya çarpışmada bir insan vücudunun ivmesini tahmin etmek olabilir: hızı, tek tek otomobillerin imalatındaki küçük farklılıkları, her cıvatanın ne kadar sıkı sıkıldığını, vb. Tam olarak bilsek bile, yalnızca istatistiksel anlamda tahmin edilebilecek farklı sonuçlara yol açacaktır.

Doğa bilimleri ve mühendisliğindeki pek çok sorun da belirsizlik kaynakları ile doludur. Bilgisayar deneyleri açık bilgisayar simülasyonları belirsizlik ölçümünde problemleri incelemek için en yaygın yaklaşımdır.[1][2][3]

Belirsizlik kaynakları

Belirsizlik girebilir Matematiksel modeller ve çeşitli bağlamlarda deneysel ölçümler. Belirsizliğin kaynaklarını kategorize etmenin bir yolu, şunları dikkate almaktır:[4]

Parametre belirsizliği
Bu, bilgisayar modeline (matematiksel model) girdiler olan, ancak kesin değerleri deneyciler tarafından bilinmeyen ve fiziksel deneylerde kontrol edilemeyen veya değerleri tam olarak çıkarılamayan model parametrelerinden gelir. istatistiksel yöntemler. Bunun bazı örnekleri yerel serbest düşüş düşen nesne deneyinde hızlanma, mühendislik için sonlu eleman analizinde çeşitli malzeme özellikleri ve çarpan belirsizliği bağlamında makroekonomik politika optimizasyon.
Parametrik değişkenlik
Bu, modelin girdi değişkenlerinin değişkenliğinden kaynaklanmaktadır. Örneğin, bir imalat sürecindeki bir iş parçasının boyutları tam olarak tasarlandığı ve belirtildiği gibi olmayabilir ve bu da performansında değişkenliğe neden olabilir.
Yapısal belirsizlik
Model yetersizliği, model sapması veya model tutarsızlığı olarak da bilinen bu, problemin altında yatan fizik bilgisinin eksikliğinden kaynaklanır. Bu, modellerin neredeyse her zaman gerçeğe neredeyse yalnızca yaklaşık değerler olduğu gerçeğini göz önünde bulundurarak, matematiksel bir modelin gerçek hayattaki gerçek sistemi ne kadar doğru tanımladığına bağlıdır. Bir örnek, serbest düşme modelini kullanarak düşen bir nesnenin sürecini modellerken; hava sürtünmesi her zaman mevcut olduğundan modelin kendisi yanlıştır. Bu durumda, modelde bilinmeyen bir parametre olmasa bile, model ile gerçek fizik arasında yine de bir tutarsızlık beklenir.
Algoritmik belirsizlik
Sayısal belirsizlik veya ayrık belirsizlik olarak da bilinir. Bu tür sayısal hatalardan ve bilgisayar modelinin uygulaması başına sayısal tahminlerden gelir. Çoğu model tam olarak çözülemeyecek kadar karmaşıktır. Örneğin, sonlu eleman yöntemi veya sonlu fark yöntemi bir çözümün yaklaşık olarak hesaplanması için kullanılabilir kısmi diferansiyel denklem (sayısal hatalar getirir). Diğer örnekler, sayısal uygulamada gerekli yaklaşımlar olan sayısal entegrasyon ve sonsuz toplam kesmedir.
Deneysel belirsizlik
Gözlem hatası olarak da bilinen bu, deneysel ölçümlerin değişkenliğinden kaynaklanır. Deneysel belirsizlik kaçınılmazdır ve tüm girdiler / değişkenler için tam olarak aynı ayarları kullanarak bir ölçümü birçok kez tekrarlayarak fark edilebilir.
Enterpolasyon belirsizliği
Bu, bilgisayar modeli simülasyonlarından ve / veya deneysel ölçümlerden toplanan mevcut verilerin eksikliğinden kaynaklanmaktadır. Simülasyon verileri veya deneysel ölçümler içermeyen diğer giriş ayarları için, karşılık gelen yanıtları tahmin etmek için enterpolasyon veya ekstrapolasyon yapılmalıdır.

Aleatorik ve epistemik belirsizlik

Belirsizlik bazen iki kategoriye ayrılır,[5][6] tıbbi uygulamalarda belirgin olarak görülmektedir.[7]

Aleatorik belirsizlik
Aleatorik belirsizlik, istatistiksel belirsizlik olarak da bilinir ve aynı deneyi her yaptığımızda değişen bilinmeyenleri temsil eder. Örneğin, her fırlatmayı (aynı hızlanma, irtifa, yön ve son hız) tam olarak kopyalayan mekanik bir yay ile tek bir ok atışı, ok şaftının rastgele ve karmaşık titreşimleri nedeniyle hedef üzerindeki aynı noktayı etkilemeyecektir. elde edilen etki noktalarının dağılmasını ortadan kaldıracak kadar bilgisi yeterince belirlenemedi. Buradaki argüman açıkça "yapamam" tanımındadır. Halihazırda mevcut olan ölçüm cihazlarımızla yeterince ölçüm yapamadığımız için, bu tür bilgilerin varlığını zorunlu olarak ortadan kaldırmaz ve bu belirsizliği aşağıdaki kategoriye taşır.[kaynak belirtilmeli ] Aleatorik Latince alea veya zar'dan türetilmiştir ve şans oyununa atıfta bulunur.
Epistemik belirsizlik
Epistemik belirsizlik aynı zamanda sistematik belirsizlik olarak da bilinir ve kişinin prensipte bildiği ama pratikte bilmediği şeylerden kaynaklanır. Bunun nedeni, bir ölçümün doğru olmaması, modelin belirli etkileri ihmal etmesi veya belirli verilerin kasıtlı olarak gizlenmiş olması olabilir. Bu belirsizliğin kaynağına bir örnek, sürüklemek Dünya yüzeyine yakın yerçekiminin ivmesini ölçmek için tasarlanmış bir deneyde. Yaygın olarak kullanılan 9,8 m / s ^ 2 yerçekimi ivmesi, hava direncinin etkilerini göz ardı eder, ancak nesnenin hava direnci ölçülebilir ve yerçekimi ivmesinin hesaplanmasında ortaya çıkan belirsizliği azaltmak için deneye dahil edilebilir.

Gerçek yaşam uygulamalarında her iki tür belirsizlik de mevcuttur. Belirsizliğin ölçülmesi, her iki tür belirsizliği ayrı ayrı açıkça ifade etmeyi amaçlamaktadır. Aleatorik belirsizliklerin nicelendirilmesi, geleneksel olduğu durumlarda nispeten basit olabilir. (sıklık) olasılık en temel biçimdir. Gibi teknikler Monte Carlo yöntemi sıklıkla kullanılmaktadır. Bir olasılık dağılımı şu şekilde temsil edilebilir: anlar (içinde Gauss durumda anlamına gelmek ve kovaryans yeterli olsa da, genel olarak, rasgele yüksek sıraya kadar tüm anların bilgisi bile, dağıtım işlevini benzersiz bir şekilde belirtmez) veya daha yakın zamanda, aşağıdaki gibi tekniklerle Karhunen – Loève ve polinom kaos genişlemeler. Epistemik belirsizlikleri değerlendirmek için, sistem, süreç veya mekanizma hakkındaki bilginin (eksikliğinin) anlaşılması için çaba harcanır. Epistemik belirsizliğin temsili aşağıdaki gibi yöntemlere dayanabilir: olasılık sınırları analizi, Bulanık mantık veya gibi kanıt / inanç teorileri öznel mantık veya Dempster-Shafer teorisi (epistemik belirsizliğin inanç boşluğu olarak temsil edildiği yerde).

İki tür belirsizlik ölçüm problemi

Belirsizliğin ölçülmesinde iki ana problem türü vardır: Biri ileri belirsizliğin yayılması (çeşitli belirsizlik kaynaklarının, sistem yanıtındaki genel belirsizliği tahmin etmek için model boyunca yayıldığı) ve diğeri, ters model belirsizliğinin ve parametre belirsizliğinin değerlendirilmesi (model parametrelerinin test verileri kullanılarak aynı anda kalibre edildiği durumlarda). Önceki problem üzerine araştırmalar çoğaldı ve bunun için belirsizlik analizi tekniklerinin çoğu geliştirildi. Öte yandan, bir modelin belirsizlik miktarının belirlenmesi ve gerçek sistem yanıt (lar) ının sonraki tahminleri, sağlam sistemlerin tasarlanmasında büyük ilgi gördüğü için, ikinci sorun mühendislik tasarım topluluğunda giderek artan bir dikkat çekmektedir.

İleri belirsizlik yayılımı

Belirsizlik yayılımı, belirsiz girdilerden yayılan sistem çıktı (lar) ındaki belirsizliklerin ölçülmesidir. Kaynakların çıktıları üzerindeki etkiye odaklanır. parametrik değişkenlik belirsizlik kaynaklarında listelenmiştir. Belirsizlik yayılım analizinin hedefleri şunlar olabilir:

  • Çıkışların düşük dereceli momentlerini değerlendirmek, yani anlamına gelmek ve varyans.
  • Çıktıların güvenilirliğini değerlendirmek. Bu özellikle güvenilirlik mühendisliği Bir sistemin çıktılarının genellikle sistemin performansıyla yakından ilişkili olduğu durumlarda.
  • Çıktıların tam olasılık dağılımını değerlendirmek. Bu, senaryosunda kullanışlıdır Yarar faydayı hesaplamak için tam dağıtımın kullanıldığı optimizasyon.

Ters belirsizlik ölçümü

Bir sistemin bazı deneysel ölçümleri ve onun matematiksel modelinden bazı bilgisayar simülasyonlarının sonuçları göz önüne alındığında, ters belirsizlik nicelemesi, deney ile matematiksel model arasındaki tutarsızlığı tahmin eder (buna önyargı düzeltme) ve varsa modeldeki bilinmeyen parametrelerin değerlerini tahmin eder (buna parametre kalibrasyonu ya da sadece kalibrasyon). Genel olarak bu, belirsizliğin ileriye yayılmasından çok daha zor bir sorundur; ancak tipik olarak bir model güncelleme sürecinde uygulandığı için büyük önem taşımaktadır. Ters belirsizlik ölçümünde birkaç senaryo vardır:

Güncellenmiş bir model (tahmin ortalaması) ve tahmin güven aralığı dahil olmak üzere yanlılık düzeltmesinin sonucu.

Yalnızca önyargı düzeltme

Sapma düzeltmesi, model yetersizliğiyani deney ile matematiksel model arasındaki tutarsızlık. Sapma düzeltmesi için genel model güncelleme formülü şöyledir:

nerede deneysel ölçümleri birkaç girdi değişkeninin bir fonksiyonu olarak gösterir , bilgisayar modeli (matematiksel model) yanıtını belirtir, toplamsal tutarsızlık fonksiyonunu (aka sapma fonksiyonu) belirtir ve deneysel belirsizliği ifade eder. Amaç, tutarsızlık fonksiyonunu tahmin etmektir ve bir yan ürün olarak ortaya çıkan güncellenmiş model, . Güncellenmiş model ile belirsizliğin niceliği olarak bir tahmin güven aralığı sağlanır.

Yalnızca parametre kalibrasyonu

Parametre kalibrasyonu, matematiksel bir modelde bir veya daha fazla bilinmeyen parametrenin değerlerini tahmin eder. Kalibrasyon için genel model güncelleme formülasyonu:

nerede birkaç bilinmeyen model parametresine bağlı olan bilgisayar modeli yanıtını belirtir , ve deneyler sırasında bilinmeyen parametrelerin gerçek değerlerini gösterir. Amaç ya tahmin etmektir veya olasılık dağılımını bulmak için gerçek parametre değerlerinin en iyi bilgisini kapsar.

Sapma düzeltme ve parametre kalibrasyonu

Bir veya daha fazla bilinmeyen parametresi olan hatalı bir modeli değerlendirir ve model güncelleme formülasyonu ikisini bir araya getirir:

Olası tüm belirsizlik kaynaklarını içeren en kapsamlı model güncelleme formülasyonudur ve çözmek için en fazla çabayı gerektirir.

Belirsizlik ölçümü için seçici metodolojiler

Çoğunluğu belirsizliğin yayılmasıyla ilgilense de, belirsizlik niceleme problemlerini çözmek için çok fazla araştırma yapılmıştır. Geçtiğimiz bir ila yirmi yıl boyunca, ters belirsizlik niceleme problemleri için bir dizi yaklaşım da geliştirilmiş ve çoğu küçük ila orta ölçekli problemler için yararlı olduğu kanıtlanmıştır.

İleriye dönük belirsizlik yayılımı için metodolojiler

Mevcut belirsizlik yayma yaklaşımları, olasılıkçı yaklaşımları ve olasılıksız yaklaşımları içerir. Belirsizliğin yayılması için temelde beş olasılıklı yaklaşım kategorisi vardır:[8]

  • Simülasyon tabanlı yöntemler: Monte Carlo simülasyonları, önem örneklemesi, uyarlanabilir örnekleme vb.
  • Yerel açılım tabanlı yöntemler: Taylor serisi, pertürbasyon yöntemi, vb. Bu yöntemlerin, nispeten küçük girdi değişkenliği ve yüksek doğrusal olmama durumu ifade etmeyen çıktılarla uğraşırken avantajları vardır. Bu doğrusal veya doğrusallaştırılmış yöntemler makalede ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Belirsizlik yayılımı.
  • Fonksiyonel genişlemeye dayalı yöntemler: Neumann genişlemesi, ortogonal veya Karhunen – Loeve genişletmeleri (KLE), polinom kaos genişlemesi (PCE) ve dalgacık genişlemeleri özel durumlar olarak.
  • En olası nokta (MPP) tabanlı yöntemler: birinci dereceden güvenilirlik yöntemi (FORM) ve ikinci dereceden güvenilirlik yöntemi (SORM).
  • Sayısal entegrasyon tabanlı yöntemler: Tam faktörlü sayısal entegrasyon (FFNI) ve boyut indirgeme (DR).

Olasılıkçı olmayan yaklaşımlar için, aralık analizi,[9] Bulanık teori olasılık teorisi ve kanıt teorisi en yaygın kullanılanlar arasındadır.

Olasılıkçı yaklaşım, karar analizi teorisi ile tutarlılığı nedeniyle mühendislik tasarımında belirsizlik analizine en titiz yaklaşım olarak kabul edilir. Temel taşı, örnekleme istatistikleri için olasılık yoğunluk fonksiyonlarının hesaplanmasıdır.[10] Bu, Gauss değişkenlerinin dönüşümleri olarak elde edilebilen rastgele değişkenler için titizlikle gerçekleştirilebilir ve kesin güven aralıklarına yol açar.

Ters belirsizlik ölçümü için metodolojiler

Sık görüşen

İçinde regresyon analizi ve en küçük kareler sorunlar, standart hata nın-nin parametre tahminleri kolayca elde edilebilir ve bir güven aralığı.

Bayes

Ters belirsizlik ölçümü için çeşitli metodolojiler, Bayes çerçevesi. En karmaşık yön, hem önyargı düzeltmesi hem de parametre kalibrasyonu ile sorunları çözmeyi amaçlamaktır. Bu tür sorunların zorlukları, yalnızca model yetersizliği ve parametre belirsizliğinden kaynaklanan etkileri değil, aynı zamanda hem bilgisayar simülasyonlarından hem de deneylerden veri eksikliğini de içerir. Yaygın bir durum, giriş ayarlarının deneyler ve simülasyonlarda aynı olmamasıdır.

Modüler Bayesci yaklaşım

Ters belirsizlik ölçmeye yönelik bir yaklaşım, modüler Bayesci yaklaşımdır.[4][11] Modüler Bayesci yaklaşım, adını dört modüllü prosedüründen almaktadır. Mevcut mevcut veriler dışında, bir önceki dağıtım bilinmeyen parametreler atanmalıdır.

Modül 1: Bilgisayar modeli için Gauss süreci modellemesi

Simülasyon sonuçlarının eksikliğinden kaynaklanan sorunu gidermek için, bilgisayar modeli bir Gauss süreci (GP) modeli

nerede

girdi değişkenlerinin boyutudur ve bilinmeyen parametrelerin boyutudur. Süre önceden tanımlanmıştır, , olarak bilinir hiperparametreler GP modelinin, aracılığıyla tahmin edilmesi gerekir maksimum olabilirlik tahmini (MLE). Bu modül genelleştirilmiş olarak düşünülebilir Kriging yöntem.

Modül 2: Tutarsızlık fonksiyonu için Gauss süreci modellemesi

İlk modüle benzer şekilde, tutarsızlık işlevi bir GP modeli ile değiştirilir

nerede

Bilinmeyen parametrelerin önceden dağıtımı ve hem bilgisayar modellerinden hem de deneylerden gelen verilerle birlikte, bir kişi için maksimum olasılık tahminleri türetilebilir. . Aynı zamanda, Modül 1'den de güncellenir.

Modül 3: Bilinmeyen parametrelerin arka dağılımı

Bayes teoremi hesaplamak için uygulanır arka dağıtım bilinmeyen parametrelerin:

nerede önceki modüllerdeki tüm sabit hiperparametreleri içerir.

Modül 4: Deneysel yanıtın ve tutarsızlık fonksiyonunun tahmini
Tamamen Bayesci yaklaşım

Tamamen Bayesci yaklaşım, yalnızca bilinmeyen parametreler için önceliklerin değil aynı zamanda diğer hiperparametreler için öncelikler atanmalıdır. Aşağıdaki adımları takip eder:[12]

  1. Posterior dağılımı türet ;
  2. Birleştirmek çık ve elde et . Bu tek adım, kalibrasyonu gerçekleştirir;
  3. Deneysel yanıtın ve tutarsızlık fonksiyonunun tahmini.

Bununla birlikte, yaklaşımın önemli dezavantajları vardır:

  • Çoğu durumda, son derece inatçı bir fonksiyondur . Dolayısıyla entegrasyon çok zahmetli hale gelir. Ayrıca, diğer hiperparametreler için öncelikler varsa dikkatlice seçilmezse, sayısal entegrasyondaki karmaşıklık daha da artar.
  • Tahmin aşamasında, tahmin (en azından sistem yanıtlarının beklenen değerini içermelidir) ayrıca sayısal entegrasyon gerektirir. Markov zinciri Monte Carlo (MCMC) genellikle entegrasyon için kullanılır; ancak hesaplama açısından pahalıdır.

Tamamen Bayes yaklaşımı büyük miktarda hesaplama gerektirir ve en karmaşık modelleme durumlarıyla başa çıkmak için henüz pratik olmayabilir.[12]

Bilinen Sorunlar

Belirsizlik yayılımına yönelik teoriler ve metodolojiler, ters belirsizlik ölçümüne kıyasla çok daha iyi oluşturulmuştur. İkincisi için, birkaç zorluk çözülmeden kaldı:

  1. Boyutluluk sorunu: Hesaplama maliyeti, sorunun boyutluluğuyla, yani girdi değişkenlerinin sayısı ve / veya bilinmeyen parametrelerin sayısı ile önemli ölçüde artar.
  2. Tanımlanabilirlik sorunu:[13] Bilinmeyen parametrelerin ve tutarsızlık fonksiyonunun birden çok kombinasyonu aynı deneysel tahmini verebilir. Bu nedenle, farklı parametre değerleri ayırt edilemez / tanımlanamaz.

Ölçülebilir Belirsizliğe Rastgele Olaylar

Altı yüzlü bir zar atarken, birden altıya gelme olasılığı eşittir. % 90 kapsama olasılığı aralığı, tüm çıktı aralığını genişletir. 5 zar atılırken ve sonuçların toplamı gözlemlenirken,% 88.244 güven aralığının genişliği aralığın% 46.15'idir. Aralık, daha fazla sayıda zar atma aralığına kıyasla daha dar hale gelir. Gerçek hayattaki olaylarımız çok sayıda olasılık olayından etkilenir ve tüm olasılıksal olayların etkisi, yüksek kapsam olasılığının dar bir aralığı ile tahmin edilebilir; çoğu durum [14].

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Çuvallar, Jerome; Welch, William J .; Mitchell, Toby J .; Wynn, Henry P. (1989). "Bilgisayar Deneylerinin Tasarımı ve Analizi". İstatistik Bilimi. 4 (4): 409–423. doi:10.1214 / ss / 1177012413. JSTOR  2245858.
  2. ^ Ronald L. Iman, Jon C. Helton, "Bilgisayar Modelleri için Belirsizlik ve Duyarlılık Analizi Tekniklerinin İncelenmesi", Risk analizi, Cilt 8, Sayı 1, sayfalar 71–90, Mart 1988, doi:10.1111 / j.1539-6924.1988.tb01155.x
  3. ^ BİZ. Walker, P. Harremoës, J. Rotmans, J.P. van der Sluijs, M.B.A. van Asselt, P. Janssen ve M.P. Krayer von Krauss, "Belirsizliği Tanımlamak: Model Tabanlı Karar Desteğinde Belirsizlik Yönetimi için Kavramsal Bir Temel", Entegre Değerlendirme, Cilt 4, Sayı 1, 2003, doi:10.1076 / iaij.4.1.5.16466
  4. ^ a b Kennedy, Marc C .; O'Hagan, Anthony (2001). "Bilgisayar modellerinin Bayes kalibrasyonu". Kraliyet İstatistik Derneği Dergisi: B Serisi (İstatistiksel Metodoloji). 63 (3): 425–464. doi:10.1111/1467-9868.00294.
  5. ^ Der Kiureghian, Armen; Ditlevsen, Ove (2009). "Uyarıcı mı yoksa epistemik mi? Fark eder mi?" Yapısal Güvenlik. 31 (2): 105–112. doi:10.1016 / j.strusafe.2008.06.020.
  6. ^ Matthies, Hermann G. (2007). "Belirsizliği Ölçme: Olasılık ve Uygulamaların Modern Hesaplamalı Temsili". Yapı Dinamiklerinde Aşırı İnsan Yapımı ve Doğal Tehlikeler. Bilim Dizileriyle NATO Güvenliği. s. 105–135. doi:10.1007/978-1-4020-5656-7_4. ISBN  978-1-4020-5654-3.
  7. ^ Abhaya Indrayan, Tıbbi Biyoistatistik, İkinci Baskı, Chapman & Hall / CRC Press, 2008, sayfalar 8, 673
  8. ^ S. H. Lee ve W. Chen, "Kara kutu tipi problemler için belirsizlik yayma yöntemlerinin karşılaştırmalı bir çalışması", Yapısal ve Çok Disiplinli Optimizasyon Hacmi 37, Sayı 3 (2009), 239–253, doi:10.1007 / s00158-008-0234-7
  9. ^ Jaulin, L .; Kieffer, M .; Didrit, O .; Walter, E. (2001). Uygulamalı Aralık Analizi. Springer. ISBN  1-85233-219-0.
  10. ^ Arnaut, L. R. Yankılanma odalarında ölçüm belirsizliği - I. Örnek istatistikler. Teknik rapor TQE 2, 2nd. ed., sn. 3.1, Ulusal Fizik Laboratuvarı, 2008.
  11. ^ Marc C. Kennedy, Anthony O'Hagan, Bilgisayar Modellerinin Bayes Kalibrasyonu Üzerine Ek Detaylar, Sheffield, Sheffield Üniversitesi: 1–13, 2000
  12. ^ a b F. Liu, M. J. Bayarri ve J.O.Berger, "Bilgisayar Modellerinin Analizine Vurgu ile Bayes Analizinde Modülerleştirme", Bayes Analizi (2009) 4, Sayı 1, s. 119–150, doi:10.1214 / 09-BA404
  13. ^ Paul D. Arendt, Daniel W. Apley, Wei Chen, David Lamb ve David Gorsich, "Birden Çok Yanıt Kullanarak Model Kalibrasyonunda Tanımlanabilirliği İyileştirme", Mekanik Tasarım Dergisi, 134(10), 100909 (2012); doi:10.1115/1.4007573
  14. ^ HM Dipu Kabir, Abbas Khosravi, Saeid Nahavandi, Abdollah Kavousi-Fard, "Sinir Ağı Tabanlı Belirsizlik Ölçümü için Kısmi Tartışmalı Eğitim", 'Hesaplamalı Zekada Ortaya Çıkan Konularda IEEE İşlemleri', doi:10.1109 / TETCI.2019.2936546