We propose a method for the accurate estimation of rare event or failure probabilities for expensive-to-evaluate numerical models in high dimensions. The proposed approach combines ideas from large deviation theory and adaptive importance sampling. The importance sampler uses a cross-entropy method to find an optimal Gaussian biasing distribution, and reuses all samples made throughout the process for both, the target probability estimation and for updating the biasing distributions. Large deviation theory is used to find a good initial biasing distribution through the solution of an optimization problem. Additionally, it is used to identify a low-dimensional subspace that is most informative of the rare event probability. This subspace is used for the cross-entropy method, which is known to lose efficiency in higher dimensions. The proposed method does not require smoothing of indicator functions nor does it involve numerical tuning parameters. We compare the method with a state-of-the-art cross-entropy-based importance sampling scheme using three examples: a high-dimensional failure probability estimation benchmark, a problem governed by a diffusion equation, and a tsunami problem governed by the time-dependent shallow water system in one spatial dimension.


翻译:我们提出了一种用于高维数值模型中准确估计稀有事件或故障概率的方法。该方法结合了大偏差理论和自适应重要性采样的思想。重要性采样器利用交叉熵方法找到一个最优的高斯偏置分布,并重复使用整个过程中的所有样本,既用于目标概率估计,也用于更新偏置分布。通过解决优化问题,利用大偏差理论寻找一个良好的初始偏置分布。 此外,它还用于标识一个最能反映稀有事件概率的低维子空间。这个子空间用于交叉熵方法,而在高维中众所周知会缺乏效率。该方法不需要平滑指示函数,也不涉及数值调整参数。我们将该方法与一种基于交叉熵的重要性采样方案进行比较,使用三个例子:高维故障概率估计基准,受扩散方程控制的问题以及受时间依赖浅水系统控制的海啸问题。

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