Optimal experimental design (OED) is the general formalism of sensor placement and decisions about the data collection strategy for engineered or natural experiments. This approach is prevalent in many critical fields such as battery design, numerical weather prediction, geosciences, and environmental and urban studies. State-of-the-art computational methods for experimental design, however, do not accommodate correlation structure in observational errors produced by many expensive-to-operate devices such as X-ray machines or radar and satellite retrievals. Discarding evident data correlations leads to biased results, poor data collection decisions, and waste of valuable resources. We present a general formulation of the OED formalism for model-constrained large-scale Bayesian linear inverse problems, where measurement errors are generally correlated. The proposed approach utilizes the Hadamard product of matrices to formulate the weighted likelihood and is valid for both finite- and infinite- dimensional Bayesian inverse problems. We also discuss widely used approaches for relaxation of the binary OED problem, in light of the proposed pointwise weighting approach, and present a clear interpretation of the relaxed design and its effect on the observational error covariance. Extensive numerical experiments are carried out for empirical verification of the proposed approach by using an advection-diffusion model, where the objective is to optimally place a small set of sensors, under a limited budget, to predict the concentration of a contaminant in a bounded domain.


翻译:最佳实验设计(OED)是传感器安置和决定设计或自然实验数据收集战略的一般形式主义,这种方法在许多关键领域十分普遍,例如电池设计、数字天气预测、地球科学以及环境和城市研究。但是,实验设计的最新计算方法没有考虑到许多昂贵操作设备,如X光机或雷达和卫星检索等产生的观测错误的关联结构。排除明显的数据关联导致偏差结果、数据收集决定不力和宝贵资源的浪费。我们为模型限制的大规模巴耶斯线性反向问题提出了OED形式主义的笼统表述,而测量错误通常是相互关联的。提议的方法利用Hadamad矩阵产品来制定加权可能性,对有限和无限维基的巴伊西亚反面问题也适用。我们还根据拟议的点加权方法,讨论了广泛使用的放松OED问题的方法,并提出了对宽松设计及其对域域内大规模巴耶西亚线性线性反问题的影响的明确解释,在这种地方上,利用一个实验性精度的精度的精度实验,在一种模拟的模型下,通过一个最小的精度的精度的精度的精度的精度的精确度试验,在一种实验中进行一个微的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精度的精确度的精确度,在一种实验中,在一种微的精确度的精确度的精度的精度的精确度上,在一种微的精确度的精确度的精确度上,在一种微的精确度上,在一种微的精确度上,在一种微的精确度上,在一种微的实验中,在一种微的实验中进行下进行下,在一种微的精确的精确的精确的实验中进行一个微的实验中进行的一个微的精确的实验中进行的精确的实验中进行的实验中进行下进行的实验中进行下进行下进行的精确的精确感。

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