We address the challenge of constructing noise-robust surrogate models for quantities of interest (QoIs) arising from parametric partial differential equations (PDEs), using multi-fidelity collocation techniques; specifically, the Multi-Index Stochastic Collocation (MISC). In practical scenarios, the PDE evaluations used to build a response surface are often corrupted by numerical noise, especially for the low-fidelity models. This noise, which may originate from loose solver tolerances, coarse discretisations, or transient effects, can lead to overfitting in MISC, degrading surrogate quality through nonphysical oscillations and loss of convergence, thereby limiting its utility in downstream tasks like uncertainty quantification, optimisation, and control. To correct this behaviour, we propose an improved version of MISC that can automatically detect the presence of solver noise during the surrogate model construction and then ignore the exhausted fidelities. Our approach monitors the spectral decay of the surrogate at each iteration, identifying stagnation in the coefficient spectrum that signals the onset of noise. Once detected, the algorithm selectively halts the use of noisy fidelities, focusing computational resources on those fidelities that still provide meaningful information. The effectiveness of this approach is numerically validated on two challenging test cases: a parabolic advection--diffusion PDE with uncertain coefficients, and a parametric turbulent incompressible Navier--Stokes problem. The results showcase the accuracy and robustness of the resulting multi-fidelity surrogate and its capability to extract relevant information, even from under-resolved meshes not suitable for reliable single-fidelity computations.


翻译:本文针对参数化偏微分方程中关注的物理量,采用多保真度配置技术——具体而言是多指标随机配置方法——构建噪声鲁棒的代理模型所面临的挑战。在实际场景中,用于构建响应面的偏微分方程求解常受到数值噪声的污染,低保真度模型尤为明显。此类噪声可能源于宽松的求解器容差、粗糙的离散化或瞬态效应,会导致多指标随机配置方法出现过拟合现象,表现为非物理振荡和收敛性丧失,从而降低代理模型质量,限制其在不确定性量化、优化与控制等下游任务中的应用。为纠正此问题,我们提出一种改进的多指标随机配置方法,能够在代理模型构建过程中自动检测求解器噪声的存在,并忽略已失效的保真度层级。该方法通过监测每次迭代时代理模型系数的谱衰减特性,识别表征噪声出现的谱系数停滞现象。一旦检测到噪声,算法将有选择地停止使用受噪声影响的保真度层级,将计算资源集中于仍能提供有效信息的保真度层级。该方法的有效性在两个具有挑战性的测试案例中得到了数值验证:一个是含不确定系数的抛物线型对流-扩散偏微分方程,另一个是参数化湍流不可压缩纳维-斯托克斯问题。结果表明,所构建的多保真度代理模型具有优异的精度与鲁棒性,即使是从分辨率不足、不适合进行可靠单保真度计算的网格中,也能有效提取相关信息。

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