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統計模擬與機器學習廣泛用於預測和理解複雜系統的行為,例如工程模擬與測試中常見的系統。機器學習模型(即模擬器)能快速預測系統反應,可應用於校準、敏感性分析及不確定性傳播等各類密集型分析。

SmartUQ 的突破性模擬演算法打破了將模型擬合於大型數據集與高維系統的障礙,為不確定性量化與分析開創了新可能。我們的專利技術可輕鬆處理連續與離散輸入,並快速構建適用於單變量、多變量、瞬態及函數性輸出的輕量模擬器,效能驚人。

 

什麼是模擬與機器學習?

模擬器是統計機器學習模型,用於模仿複雜物理或模擬系統在一組輸入下的輸出結果。構建準確的高速模擬器是進行分析和不確定性量化任務的關鍵步驟。從模擬或物理測試轉向模擬器能顯著提高系統評估速度,並降低成本,讓許多原本過於緩慢或昂貴的任務成為可能。這種高速預測系統輸出能力對於設計空間探索、優化、校準、敏感性分析及不確定性傳播等應用價值巨大。

系統越大、越複雜,例如噴氣引擎的模擬或測試,模擬的優勢越明顯。然而,統計模擬器在應對大型或高維問題時常遇到數值問題,構建適用於大型複雜數據集的模擬器是分析與不確定性量化中的關鍵瓶頸。

 

大規模模擬

SmartUQ 提供針對大型數據集與多維系統的革命性模擬技術。我們的精確模擬技術能快速繪製出整個輸入至輸出的系統映射。例如,在普通筆記型電腦上,我們可於數秒內擬合 1000 點模擬器,於數分鐘內擬合 4000 點模擬器,而傳統方法可能需要數小時甚至數天。

範例

大規模模擬
此範例中,模擬器基於包含 4000 個實驗點及 75 個輸入變數的數據集構建。SmartUQ 的演算法在普通筆記型電腦上花費不到 5 分鐘完成擬合,交叉驗證圖顯示所有輸出點接近對角線,表示模擬器非常精確。

多變量響應模擬

多變量響應模擬器適用於具有多個連續輸入與多個輸出的系統,例如汽車模擬與測試。更高的效率使用戶能同時探索輸入與輸出之間的關係,而非逐一分析,顯著加速整個過程。

範例

多變量響應模擬器
此範例基於包含 750 點、10 個輸入變數及 3 個輸出變數的數據集構建,SmartUQ 僅用不到 8 秒在普通筆記型電腦上完成擬合。

Y1 與輸入 V1 V2 的響應圖
圖示預測結果接近對角線,模擬器成功捕捉了 Y1 的主要行為。

Y2 與輸入 V1 V2 的響應圖
預測結果完全位於對角線上,表示模擬器精確擬合 Y2 的重要行為。

Y3 與輸入 V1 V2 的響應圖
預測結果顯示模擬器成功捕捉 Y3 的全部重要行為。

混合輸入模擬

混合輸入模擬器適用於同時包含連續與離散輸入的系統。例如,航空引擎模擬中,離散變數可包括多種不同求解器、渦輪葉片尺寸與幾何,或不同類型的渦輪/壓縮機傳動裝置。

範例

混合輸入模擬
此範例構建了一個基於 500 點數據集的單變量響應混合輸入模擬器,包含 6 個連續輸入與 1 個有 5 層級的離散輸入。SmartUQ 僅用不到 9 秒完成擬合,交叉驗證顯示所有點接近對角線,模擬器準確捕捉數據集行為。

函數與瞬態響應模擬

帶有函數或瞬態輸出的模擬器廣泛應用於各類工程領域。函數響應模擬器至少包含一個函數輸入變數,如時間或距離。每次模擬的輸出與函數輸入變數的值相關聯。

範例

瞬態響應模擬器剖面比較
此範例展示了模擬器對大型瞬態數據集的測量值與生成結果之間的對應關係,證明模擬器的高效性與準確性。