In this work we introduce a manifold learning-based method for uncertainty quantification (UQ) in systems describing complex spatiotemporal processes. Our first objective is to identify the embedding of a set of high-dimensional data representing quantities of interest of the computational or analytical model. For this purpose, we employ Grassmannian diffusion maps, a two-step nonlinear dimension reduction technique which allows us to reduce the dimensionality of the data and identify meaningful geometric descriptions in a parsimonious and inexpensive manner. Polynomial chaos expansion is then used to construct a mapping between the stochastic input parameters and the diffusion coordinates of the reduced space. An adaptive clustering technique is proposed to identify an optimal number of clusters of points in the latent space. The similarity of points allows us to construct a number of geometric harmonic emulators which are finally utilized as a set of inexpensive pre-trained models to perform an inverse map of realizations of latent features to the ambient space and thus perform accurate out-of-sample predictions. Thus, the proposed method acts as an encoder-decoder system which is able to automatically handle very high-dimensional data while simultaneously operating successfully in the small-data regime. The method is demonstrated on two benchmark problems and on a system of advection-diffusion-reaction equations which model a first-order chemical reaction between two species. In all test cases, the proposed method is able to achieve highly accurate approximations which ultimately lead to the significant acceleration of UQ tasks.


翻译:在这项工作中,我们在描述复杂时空过程的系统中引入了多种基于学习的不确定性量化方法(UQ)。我们的第一个目标是确定一组高维数据的嵌入,以显示计算或分析模型中感兴趣的数量。为此,我们使用格拉斯曼式扩散图,这是一个两步的非线性尺寸减少技术,使我们能够降低数据的维度,并以偏差和廉价的方式确定有意义的几何描述。然后,将多种族混杂扩大用于构建一个绘图图,在随机输入参数和缩小空间的传播坐标之间绘制地图。建议采用适应性分组技术,以确定潜空空间中最佳的点组数。相近点使我们能够建立若干几何性协调模拟器,最终用作一套廉价的预先培训模型,以对环境空间潜在特征的实现进行反向图,从而进行准确的外表外预测。因此,拟议的方法作为一个编码分解器系统,作为精确的分解器,最终确定潜在空间中最佳的一组点数组数。由于点的点的点数,最终能够同时对高度数据进行高度测试,同时对高度数据进行测试系统进行两次测算。

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