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Adaptive Multi-Level Monte Carlo and Stochastic Collocation Methods for Hyperbolic Partial Differential Equations with Random Data on Networks

Strauch, Elisa (2023)
Adaptive Multi-Level Monte Carlo and Stochastic Collocation Methods for Hyperbolic Partial Differential Equations with Random Data on Networks.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023310
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In this thesis, we develop reliable and fully error-controlled uncertainty quantification methods for hyperbolic partial differential equations (PDEs) with random data on networks. The goal is to combine adaptive strategies in the stochastic and physical space with a multi-level structure in such a way that a prescribed accuracy of the simulation is achieved while the computational effort is reduced. First, we consider hyperbolic PDEs on networks excluding any type of uncertainty. We introduce a model hierarchy with decreasing fidelity which can be obtained by simplifications of complex model equations. This hierarchy allows to apply more accurate models in regions of the network of complex dynamics and simplified models in regions of low dynamics. Next, we extend the network problem by uncertain initial data and uncertain conditions posed at the boundary and at inner network components. In order to predict the behavior of the considered system despite the uncertainties, we want to approximate relevant output quantities and their statistical properties, like the expected value and variance. For the study of the influence of the uncertainties, we focus on two sampling-based approaches: the widely used Monte Carlo (MC) method and the stochastic collocation (SC) method which is a promising alternative and therefore of main interest in this work. These approaches allow to reuse existing numerical solvers of the deterministic problem such that the implementation is simplified. We develop an adaptive single-level (SL) approach for both methods where we efficiently combine adaptive strategies in the stochastic space with adaptive physical approximations. The physical approximations are computed with a sample-dependent resolution in space, time and model hierarchy. The extension to a multi-level (ML) structure is realized by coupling physical approximations with different accuracies such that the computational cost is minimized. Due to a posteriori error indicators, we can control the discretization of the physical and stochastic approximations in such a way that a user-prescribed accuracy of the simulation is ensured. For the SC methods, we realize the adaptive stochastic strategy by adaptive sparse grids which are able to exploit any smoothness or special structure in the stochastic space, in contrast to MC methods. In addition, we analyze the convergence, the computational cost and the complexity of our SL and ML methods. In order to validate the feasibility of relevant uncertain output quantities, we propose and analyze a sample-based method which approximates the probability that the quantity takes values between a given lower and upper bound on the whole time horizon. To this end, the usually unknown probability density function (PDF) of the output quantity is required. Therefore, we introduce and analyze a kernel density estimator (KDE) which provides an approximation of the PDF of the output quantity and can be computed cost-efficiently in a post-processing step of SC methods. As an application-relevant example, we consider the gas transport in pipeline networks which can be described by the isothermal Euler equations and their simplifications. We present numerical results for two gas network instances with uncertain gas demands and demonstrate the reliability of the error control of our methods approximating the expected value of a random output quantity. The numerical examples show that the MC methods are not competitive due to high computational costs and that the multi-level SC approach outperforms the single-level SC method. Based on the SC methods, we successfully apply the KDE approach to the minimum and maximum pressures at the outflow nodes of the network.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Strauch, Elisa
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Adaptive Multi-Level Monte Carlo and Stochastic Collocation Methods for Hyperbolic Partial Differential Equations with Random Data on Networks
Sprache: Englisch
Referenten: Lang, Prof. Dr. Jens ; Schultz, Prof. Dr. Rüdiger
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: x, 151 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 15 November 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00023310
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23310
Kurzbeschreibung (Abstract):

In this thesis, we develop reliable and fully error-controlled uncertainty quantification methods for hyperbolic partial differential equations (PDEs) with random data on networks. The goal is to combine adaptive strategies in the stochastic and physical space with a multi-level structure in such a way that a prescribed accuracy of the simulation is achieved while the computational effort is reduced. First, we consider hyperbolic PDEs on networks excluding any type of uncertainty. We introduce a model hierarchy with decreasing fidelity which can be obtained by simplifications of complex model equations. This hierarchy allows to apply more accurate models in regions of the network of complex dynamics and simplified models in regions of low dynamics. Next, we extend the network problem by uncertain initial data and uncertain conditions posed at the boundary and at inner network components. In order to predict the behavior of the considered system despite the uncertainties, we want to approximate relevant output quantities and their statistical properties, like the expected value and variance. For the study of the influence of the uncertainties, we focus on two sampling-based approaches: the widely used Monte Carlo (MC) method and the stochastic collocation (SC) method which is a promising alternative and therefore of main interest in this work. These approaches allow to reuse existing numerical solvers of the deterministic problem such that the implementation is simplified. We develop an adaptive single-level (SL) approach for both methods where we efficiently combine adaptive strategies in the stochastic space with adaptive physical approximations. The physical approximations are computed with a sample-dependent resolution in space, time and model hierarchy. The extension to a multi-level (ML) structure is realized by coupling physical approximations with different accuracies such that the computational cost is minimized. Due to a posteriori error indicators, we can control the discretization of the physical and stochastic approximations in such a way that a user-prescribed accuracy of the simulation is ensured. For the SC methods, we realize the adaptive stochastic strategy by adaptive sparse grids which are able to exploit any smoothness or special structure in the stochastic space, in contrast to MC methods. In addition, we analyze the convergence, the computational cost and the complexity of our SL and ML methods. In order to validate the feasibility of relevant uncertain output quantities, we propose and analyze a sample-based method which approximates the probability that the quantity takes values between a given lower and upper bound on the whole time horizon. To this end, the usually unknown probability density function (PDF) of the output quantity is required. Therefore, we introduce and analyze a kernel density estimator (KDE) which provides an approximation of the PDF of the output quantity and can be computed cost-efficiently in a post-processing step of SC methods. As an application-relevant example, we consider the gas transport in pipeline networks which can be described by the isothermal Euler equations and their simplifications. We present numerical results for two gas network instances with uncertain gas demands and demonstrate the reliability of the error control of our methods approximating the expected value of a random output quantity. The numerical examples show that the MC methods are not competitive due to high computational costs and that the multi-level SC approach outperforms the single-level SC method. Based on the SC methods, we successfully apply the KDE approach to the minimum and maximum pressures at the outflow nodes of the network.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

In dieser Arbeit entwickeln wir eine zuverlässige und ganzheitlich fehlergesteuerte Quantifizierung von Unsicherheiten für hyperbolische partielle Differentialgleichungen (PDEs) mit zufälligen Daten auf Netzwerken. Das Ziel ist es, adaptive Strategien im stochastischen und im physikalischen Raum mit einer Multilevel-Struktur so zu kombinieren, dass sowohl eine vorgegebene Genauigkeit der Simulation als auch eine Reduktion des Rechenaufwands erreicht wird. Zunächst betrachten wir hyperbolische PDEs auf Netzwerken, die keine Unsicherheiten enthalten. Wir führen eine Hierarchie von Modellen mit abnehmender Genauigkeit ein, die durch Vereinfachungen von komplexen Modellgleichungen erreicht werden kann. Diese Hierarchie ermöglicht es detaillierte Modelle in Bereichen des Netzwerkes komplexer Dynamik, und vereinfachte Modelle in Bereichen geringer Dynamik anzuwenden. Als Nächstes erweitern wir das Netzwerkproblem um unsichere Anfangsdaten und unsichere Bedingungen, die an den Rand und an innenliegende Netzwerkkomponenten gestellt werden. Um das Verhalten des betrachteten Systems trotz der Unsicherheiten prognostizieren zu können, wollen wir relevante Ausgabegrößen und ihre statistischen Größen, wie Erwartungswert und Varianz, approximieren. Für die Untersuchung des Einflusses der Unsicherheiten konzentrieren wir uns auf zwei Sampling-Methoden: die weit verbreitete Monte-Carlo-Methode (MC) und die stochastische Kollokation (SC), die eine vielversprechende Alternative darstellt. Folglich liegt das Hauptinteresse dieser Arbeit auf der stochastischen Kollokation. Diese Methoden ermöglichen numerische, für das deterministische Problem bestehende Löser wiederzuverweden, wodurch sich deren Implementierung vereinfacht. Wir entwickeln für beide Methoden einen adaptiven Singlelevel-Ansatz (SL), indem wir adaptive Strategien im stochastischen Raum mit adaptiven physikalischen Approximationen effizient kombinieren. Die physikalischen Approximationen werden mit einer sample-abhängigen Auflösung in Raum, Zeit und Modellhierarchie berechnet. Anschließend wird der Ansatz auf eine Multilevel-Struktur (ML) erweitert. Hierfür koppeln wir physikalische Approximationen mit unterschiedlichen Genauigkeiten so miteinander, dass die Rechenkosten minimiert werden. Mit Hilfe von a posteriori Fehlerindikatoren können wir die Diskretisierung der physikalischen und stochastischen Approximationen so kontrollieren, dass eine vorgegebene Genauigkeit der Simulation gewährleistet wird. Bei den SC-Methoden setzen wir die adaptive stochastische Strategie mittels adaptiver dünnbesetzter Gitter um, die im Gegensatz zu MC-Methoden glatte oder andere spezielle Strukturen im stochastischen Raum ausnutzen können. Außerdem analysieren wir die Konvergenz, den Rechenaufwand und die Komplexität unserer SL- und ML-Methoden. Um die Zulässigkeit relevanter unsicherer Ausgabegrößen zu untersuchen, stellen wir ein samplebasiertes Verfahren auf. Das Verfahren approximiert die Wahrscheinlichkeit, dass die Ausgabegröße über den gesamten Zeithorizont Werte zwischen einer gegebenen unteren und oberen Schranke annimmt. Hierzu wird die im Allgemeinen unbekannte Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Ausgabegröße benötigt. Deshalb analysieren wir zusätzlich den Kerndichteschätzer (KDE), der eine Approximation an die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Ausgabegröße liefert und in einem Nachbearbeitungsschritt von SC-Methoden sehr kosteneffizient berechnet werden kann. Als anwendungsbezogenes Beispiel betrachten wir den Gastransport in Pipelines, der durch isotherme Euler-Gleichungen beschrieben werden kann. Wir präsentieren numerische Ergebnisse für zwei Gasnetzwerke mit unsicherer Gasnachfrage und demonstrieren die Zuverlässigkeit der Fehlerkontrolle unserer Methoden, wobei der Erwartungswert einer unsicheren Ausgabegröße approximiert wird. Die numerischen Beispiele zeigen, dass die MC-Methoden aufgrund der hohen Rechenkosten nicht konkurrenzfähig sind und auch, dass die Multilevel-SC-Methode bessere Ergebnisse als der Singlelevel-Ansatz liefert. Des Weiteren wenden wir die KDE-Methode auf den minimalen und den maximalen Druck an den Ausflussknoten des Netzwerkes an.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-233105
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 04 Fachbereich Mathematik
04 Fachbereich Mathematik > Numerik und wissenschaftliches Rechnen
TU-Projekte: DFG|TRR154|B01 Fr. Dr. Domschke
Hinterlegungsdatum: 13 Mär 2023 13:13
Letzte Änderung: 14 Mär 2023 12:39
PPN:
Referenten: Lang, Prof. Dr. Jens ; Schultz, Prof. Dr. Rüdiger
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 15 November 2022
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