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, radars, and satellites. Discarding evident data correlations leads to biased results, higher expenses, 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. Extensive numerical experiments are carried out for empirical verification of the proposed approach 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 closed and 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,如电池设计、数字天气预测、地球科学、环境研究和城市研究等,都很普遍,但实验设计的最新计算方法没有考虑到X射线机、雷达和卫星等许多昂贵操作装置造成的观测错误的关联结构。排除明显的数据关联导致偏差的结果、较高的开支和宝贵资源的浪费。我们为受模型限制的大规模巴耶斯线性反向问题提出了OED形式主义的一般提法,在这些方面,测量错误通常相互关联。拟议方法利用Hadamad矩阵产品来制定加权可能性,对有限和无限维贝亚反向问题都有效。进行了广泛的数字实验,以便利用倾斜-排入模型对拟议方法进行实证核查,目的是在有限的预算范围内将少量传感器置于最理想位置,用以预测封闭和封闭的污染物的浓度。

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