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System architecture optimization strategies: dealing with expensive hierarchical problems

Bussemaker, Jasper H. und Saves, Paul und Bartoli, Nathalie und Lefebvre, Thierry und Lafage, Rémi (2024) System architecture optimization strategies: dealing with expensive hierarchical problems. Journal of Global Optimization. Springer Nature. doi: 10.1007/s10898-024-01443-8. ISSN 0925-5001.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1007/s10898-024-01443-8

Kurzfassung

Choosing the right system architecture for the problem at hand is challenging due to the large design space and high uncertainty in the early stage of the design process. Formulating the architecting process as an optimization problem may mitigate some of these challenges. This work investigates strategies for solving system architecture optimization (SAO) problems: expensive, black-box, hierarchical, mixed-discrete, constrained, multi-objective problems that may be subject to hidden constraints. Imputation ratio, correction ratio, correction fraction, and max rate diversity metrics are defined for characterizing hierarchical design spaces. This work considers two classes of optimization algorithms for SAO: multi-objective evolutionary algorithms such as NSGA-II, and Bayesian optimization (BO) algorithms. A new Gaussian process kernel is presented that enables modeling hierarchical categorical variables, extending previous work on modeling continuous and integer hierarchical variables. Next, a hierarchical sampling algorithm that uses design space hierarchy to group design vectors by active design variables is developed. Then, it is demonstrated that integrating more hierarchy information in the optimization algorithms yields better optimization results for BO algorithms. Several realistic single-objective and multi-objective test problems are used for investigations. Finally, the BO algorithm is applied to a jet engine architecture optimization problem. This work shows that the developed BO algorithm can effectively solve the problem with one order of magnitude less function evaluations than NSGA-II. The algorithms and problems used in this work are implemented in the open-source Python library SBArchOpt.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/209250/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:System architecture optimization strategies: dealing with expensive hierarchical problems
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Bussemaker, Jasper H.Jasper.Bussemaker (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-5421-6419NICHT SPEZIFIZIERT
Saves, PaulNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0001-5889-2302NICHT SPEZIFIZIERT
Bartoli, NathalieNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-6451-2203NICHT SPEZIFIZIERT
Lefebvre, ThierryNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0009-0004-6800-2448NICHT SPEZIFIZIERT
Lafage, RémiNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0001-5479-2961NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:25 November 2024
Erschienen in:Journal of Global Optimization
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1007/s10898-024-01443-8
Verlag:Springer Nature
ISSN:0925-5001
Status:veröffentlicht
Stichwörter:system architecture optimization hierarchical design space Bayesian optimization
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HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Effizientes Luftfahrzeug
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L EV - Effizientes Luftfahrzeug
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Digitale Technologien
Standort: Hamburg
Institute & Einrichtungen:Institut für Systemarchitekturen in der Luftfahrt > Flugzeugentwurf und Systemintegration
Hinterlegt von: Bussemaker, Jasper
Hinterlegt am:06 Dez 2024 07:59
Letzte Änderung:06 Dez 2024 07:59

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