Algorithme à gradients multiples pour l'optimisation multiobjectif en simulation de haute fidélité : application à l'aérodynamique compressible

par Adrien Zerbinati

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Jean-Antoine Désidéri et de Régis Duvigneau.

Le jury était composé de Jean-Antoine Désidéri, Régis Duvigneau, Mohamed Masmoudi, Patrick Siarry, Olivier Pironneau, Luc Bordier.


  • Résumé

    En optimisation multiobjectif, les connaissances du front et de l’ensemble de Pareto sont primordiales pour résoudre un problème. Un grand nombre de stratégies évolutionnaires sont proposées dans la littérature classique. Ces dernières ont prouvé leur efficacité pour identifier le front de Pareto. Pour atteindre un tel résultat, ces algorithmes nécessitent un grand nombre d’évaluations. En ingénierie, les simulations numériques sont généralement réalisées par des modèles de haute-fidélité. Aussi, chaque évaluation demande un temps de calcul élevé. A l’instar des algorithmes mono-objectif, les gradients des critères, ainsi que les dérivées successives, apportent des informations utiles sur la décroissance des fonctions. De plus, de nombreuses méthodes numériques permettent d’obtenir ces valeurs pour un coût modéré. En s’appuyant sur les résultats théoriques obtenus par Inria, nous proposons un algorithme basé sur l’utilisation des gradients de descente. Ces travaux résument la caractérisation théorique de cette méthode et la validation sur des cas tests analytiques. Dans le cas où les gradients ne sont pas accessibles, nous proposons une stratégie basée sur la construction des métamodèles de Krigeage. Ainsi, au cours de l’optimisation, les critères sont évalués sur une surface de réponse et non par simulation. Le temps de calcul est considérablement réduit, au détriment de la précision. La méthode est alors couplée à une stratégie de progression du métamodèle.


  • Résumé

    In multiobjective optimization, the knowledge of the Pareto set provides valuable information on the reachable optimal performance. A number of evolutionary strategies have been proposed in the literature and proved to be successful to identify Pareto set. Howerver, these derivative free algorithms are very demanding in computational time. Today, in many areas of computational sciences, codes are developed that include the calculation of the gradient, cautiously validated and calibrated. Thus, an alternate method applicable when the gradients are known is introduced presently. Using a clever combination of the gradients, a descent direction common to all criteria is identified. As a natural outcome, the Multiple Gradient Descent Algorithm (MGDA) is defined as a generalization of the steepest-descent method and compared with PAES by numerical experiments. Using MGDA on a multiobjective optimization problem requires the evaluation of a large number of points with regards to criteria, and their gradients. In the particular case of CFD problems, each point evaluation is very costly. Thus here we also propose to construct metamodels and to calculate approximate gradients by local finite difference.


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