miaolay ak–mcs beta / 未完成
Active Kriging–Monte Carlo Simulation

AK–MCS

Learning the Boundary

beta / 未完成已知仍有错误;交互、措辞与数值表达正在复核。

一种将主动学习、Kriging 代理模型与 Monte Carlo Simulation 结合的可靠度方法。这里不从公式开始:先看见一个结构怎样成为一个点,一群点怎样长出一条边界,以及算法为什么只把真实计算花在最值得问的位置。

向下滚动。每一幕只发生一个数学动作。
01 · Uncertainty

不确定性不止两个变量。

先从两个能被画出来的维度开始:材料强度 与初始几何缺陷 。拖动金色取值点,结构会立即响应。

真实可靠度问题通常还包括弹性模量、节点刚度、预紧力、摩擦系数等。画面只保留二维投影,但随机向量可以是任意维度。

拖动两条分布上的金色点,亲自改变这个结构
02 · One realization

一次 realization,是所有变量同时取到一组具体值。

先看两个主变量的取值沿轨迹落入结构;其他高维变量随后一并汇入。结构与这一整组参数绑定,然后一起收缩成概率空间中的一个点。

不是“结构消失成一个点”,而是同一个 realization 换了一种数学表示。

03 · Monte Carlo

然后,把同一个出生过程重复很多次。

前几个样本慢慢出生,之后逐渐加速。每一个点都代表一组新的随机变量取值,也就是一个新的可能结构。

到这一幕结束时,我们只知道这些结构“可能出现在哪里”;它们是安全还是失效,仍然一个都不知道。

04 · Truth

灰色点只有可能性,还没有答案。

一个候选样本进入真实模型,结构受荷、变形,模型返回一个极限状态函数值。只有此时,它才获得安全或失效的颜色。

05 · The bottleneck

真正慢的,不是生成样本;是真实求解。

两千个样本尚且需要排队。稀有失效若需要百万级候选,而一次非线性有限元分析耗时十分钟,暴力 MCS 会把时间推到近二十年。

06 · Kriging probe

只有少数已知答案,Kriging 怎样猜一个未知点?

先把一个没有真实答案的查询点放进空间。附近的训练点与它更相似,影响更强;远处训练点的影响更弱。Kriging 汇总这些已知信息,给出一个预测均值,并同时告诉我们这次预测有多不确定。

移动鼠标探索;连线表示核相似性,不等同于最终 Kriging 权重
07 · A field grows

把刚才的“问一个点”,重复到整个空间。

同一个 Kriging 查询被逐点重复:每个位置都得到一个预测均值和一个不确定性。扫描线走过后,颜色留下均值,紫色雾感留下不确定性;直到整张连续预测场完整长出来。

08 · The boundary

边界不是画上去的,它从预测场中浮现。

沿任意横截线,预测均值由正变负时会穿过零。把所有零点连起来,就得到 Kriging 预测的极限状态边界。

09 · Active Learning

选择最难判定正负号的点。

这里不是比较候选点到边界的几何距离。学习函数比较的是预测均值相对零点的标准化距离:零点离当前预测中心有多少个标准差?这个数越小,正负号越含糊,越值得调用真实模型。

A、B、C 的数值会在动画中逐一比较;最终被选中的 C 确实拥有最小的 U 值。

10 · Learn once

只问一次,整个模型都会改变。

选中的点进入真实模型,带着真实答案返回并加入训练集。局部不确定性收缩,旧边界退场,新边界重新生长。

11 · Failure probability

最后,概率从一群点的比例中出现。

全部 MCS 候选由最终代理模型分类。安全点到左边,失效点到右边;失效样本占总样本的比例,就是失效概率估计。

12 · AK–MCS

Many possibilities.
Few questions.
One boundary.

Active Kriging–Monte Carlo Simulation:MCS 提供可能性,Kriging 推断未知,Active Learning 把真实计算只花在最值得问的位置。