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30/03/2009 Rencontres « Maths-Météo » Toulouse Analyses d’incertitudes et de sensibilité de modèles complexes - Applications dans des problèmes d’ingénierie B. Iooss CEA Cadarache Direction de l’Énergie Nucléaire Département d’Études des Réacteurs Laboratoire de Conduite et Fiabilité des Réacteurs 2009

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30/03/2009Rencontres « Maths-Météo » Toulouse

Analyses d’incertitudes et de sensibilité de modèles complexes -

Applications dans des problèmes d’ingénierie

B. Iooss

CEA CadaracheDirection de l’Énergie Nucléaire

Département d’Études des RéacteursLaboratoire de Conduite et Fiabilité des Réacteurs

2009

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/09 2

Contexte : utilisation de modèles numériques

- Prédiction de phénomènes

complexes et couplés

- Estimation de paramètres inaccessibles

d’un modèle

- Conception de systèmes en environnement incertain

- Evaluation d’événements rares

Problème majeur : fiabilité des prédictions

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/09 3

Des incertitudes partout !Différentes natures d’incertitudes dans la chaîne de modélisation …

Modèlenumérique

Donnéesd'entrée

Variable d’intérêt Algorithme

Modèle

physique

Phénomène

physique

Simplifications

Approximation

numérique

Paramètres

physicien

informaticien

mathématicien

statisticien

Bruit numérique

incertitudesde modèle

incertitudesstochastiques

incertitudesnumériques

incertitudesépistémiques

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/09 4

• Modélisation :

– améliorer le modèle

– explorer « au mieux » différentes combinaisons des entrées

– identifier les entrées prépondérantes (afin de prioriser la R&D)

• Validation :

– réduire l’incertitude de prédiction

– calibrer les paramètres du modèle

• Étude de sûreté : calculer un risque de défaillance

• Étude de conception : optimiser les performances d’un système

Quelques enjeux de la prise en compte des incertitu des

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/09 5

Schéma générique d’une étude d’incertitude sur un c ode

Étape B:Quantification des Sources

d’incertitudes

Modélisation par des distributions

Modèle(ou processus de

mesure)G(x,d)

ModMod èèlele(ou processus de (ou processus de

mesure)mesure)G(x,d)

Variables d’entrée

Incertaines : xFixées : d

Variables Variables dd ’’ entrentr ééee

Incertaines : xFixées : d

Variables d’intérêtZ = G(x,d)

Variables Variables dd ’’ intint éérr êêttZ = G(x,d)

Critère de décisionEx: Probabilité < 10 -b

Rebouclage(feedback)

ÉÉtapetape A : A : SpSp éécificationcification du probldu probl èèmeme

Quantitéd’intérêt

ex: variance, probabilité ..

QuantitQuantit éédd ’’ intint éérr êêtt

ex: variance, probabilité ..

Étape C : Propagation des sources d’incertitude

Étape C’ : Analyse de sensibilité, Hiérarchisation

Dans la suite : Y = f (X), X ∈∈∈∈ Rp , Y ∈∈∈∈ R

[ de Rocquigny et al. 08 ]

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/09 6

• Approche déterministe (dérivées, adjoint) [Cacuci 81]

(hypothèse de linéarité)

• Approche spectrale intrusive [Ghanem 91, Xiu 01]Développement de chaque v.a. sur une base de polynômes orthogonaux

• Approche statistique (échantillonnage Monte Carlo) [Rubinstein 81, Saltelli et al. 00]

Méthode relativement simple et souple

(considère le code en boîte noire)

Méthodes proba. et plans d’expériences spécifiques pour réduire ce coût

Trois grands types d’approches

( ) ( ) ∑=

∂∂+=

N

i

ii

Xi

XXX

YYY

1

00 )(0

XX

( ) ∑Ν∈

=j

jjY )(XX ψα

Propagation Sensibilités

coût élevé pour probas faibles coût α p

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/09 7

Plan

1.Analyse de sensibilité (qualitative) d’un code de calcul combustible

2.Analyse de sensibilité (quantitative) d’un modèle hydrogéologique

3.Analyse d’incertitudes (estimation de quantile) d’un code de thermohydraulique

4.Conclusions

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/09 8

Une méthode qualitative : Morris

• Méthode de « screening » (criblage)

un modèle comportant beaucoup de variables d’entrée est difficile à explorer …… mais souvent, seulement quelques entrées sont influentes

objectif qualitatif : identifier rapidement ces entrées

• La méthode de [Morris 91] permet de classer les entrées en trois groupes selon leurs effets :

1. effets négligeables2. effets linéaires et sans interaction3. effets non linéaires et/ou avec interactions

• Pas d’hypothèses sur le modèle…… mais mieux vaut une certaine régularité…

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/09 9

X1

X2

Méthode de Morris : plan d’expériences

• Discrétisation de l’espace

• Permet de calculer un effet élémentaire pour chaque entrée

P1

• Nécessite p+1 expériences

• OAT (One-at-A-Time)

P2P3

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0910

X1

X2

1

5

4

3

2

• Le plan d’expériences est répétéR fois (au total : n = R*(p+1) expériences)

• Ceci donne R-échantillons pour chaque effet élémentaire

• Mesures de sensibilité

Méthode de Morris : plan d’expériences (suite)

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0911

Méthode de Morris : mesures de sensibilité

• est une mesure de la sensibilité :

valeur importante effets importants (en moyenne) modèle sensible aux variations de l’entrée

• est une mesure des interactionset des effets non linéaires :

valeur importante effets différents les uns des autres effets qui dépendent de la valeur :

• soit de l’entrée elle-même : effet non linéaire• soit des autres entrées : interaction(la méthode ne permet pas de distinguer les 2 cas)

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0912

Méthode de Morris : exemple

σ

Cas test : fontion non monotone de Morris (source Saltelli)

20 facteurs210 simulations Graphe (mu*, sigma)

On distingue les 3 groupes:

1. Effets négligeables2. Effets linéaires3. Effets non linéaires

et/ou avec interactions

1

3

2

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0913

Exemple : code combustible HTR

Code de calcul ATLAS : simulation du comportementdu combustible à particules sous irradiation

Noyau de matière fissileCarbone pyrolytique poreuxCarbone pyrolytique denseCarbure de Silicium

Sources de contamination : rupture de particulesEtudes de fiabilité [Cannamela 07]

La rupture d’une particules peut être provoquée par la rupture des couches denses externes (IPyC, SiC, OPyC)

Les réponses sont choisies pour être représentatives du phénomène de rupture : contraintes orthoradiales maximales dans les couches externes

Nombre de particules dans un réacteur : de 109 à 1010 !

< 1mm φ

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0914

3 sources d’incertitudes en entrée• 10 paramètres de fabrication des particules (épaisseurs, …)

Spécifications de fabrication lois normales tronquées

• 5 paramètres d’irradiation (température, …)Intervalle [min,max] lois uniformes

• 28 lois de comportement (fonctions des température, flux, …)Avis d’expert constantes multiplicatives (de loi U[0.95,1.05])

Exemple : loi de densification

du PyC

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0915

Résultats de Morris

Grande sensibilité àces entrées (épaisseurs, température d’irradiation)Interactions faibles

Les lois sur le fluageet la densification du PyCsont les lois auxquelles lecode est le plus sensible

Conclusion : La méthode de Morris donne une idée de la manière dont peut répondre la sortie en fonction de variations potentielles des entrées…

Utile pour identifier les entrées potentiellement influentes

p = 42 entrées, 20 répétitions, n = 860 calculs, coût unitaire ~ 1 mn 14h

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0916

Plan

1.Analyse de sensibilité (qualitative) d’un code de calcul combustible

2.Analyse de sensibilité (quantitative) d’un modèle hydrogéologique

3.Analyse d’incertitudes (estimation de quantile) d’un code de thermohydraulique

4.Conclusions

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0917

Site de stockage temporaire de déchets radioactifs

Site (2 ha) situé aujourd’hui

en banlieue de Moscou

De 1943 à 1974 : stockage de

déchets radioactifs solides

Reconnaissance du site vers 1990 : réseau de 20 piézomètres

Contamination nappe supérieure 90Sr

Collaboration Institut Kurchatov/CEA[Volkova et al. 08]

Estimation de l’impact de la contamination sur l’environnement

(degré de contamination de la nappe)

Faut-il réhabiliter le site ?(excavation des déchets et traitement des sols)

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0918

ModModéélisation glisation gééologiqueologique

Identification de 20 paramIdentification de 20 paramèètres :tres :PermPermééabilitabilitéé, porosit, porositéé, coefficient , coefficient KdKd, ,

intensitintensitéé dd’’infiltrationinfiltration……

&&

Incertitudes associIncertitudes associéées es

(lois de proba. obtenues par des données ou de l’avis d’expert)

Présentation du modèle du site de Kurchatov (1/2)

zones d’absence de la couche 2 (zones numérotées de 1 à 4)

présence de la couche 2

localisation d’infiltrations modéréesau niveau de canalisations

localisation d’infiltrations fortes au niveau de canalisations

piézomètresp4ap4a

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0919

250m × 350m, 200 pas de tempsEcoulement transitoire 3D ; convection-dispersion ; sorption linéaire ;

décroissance radioactive ; pas de terme source

Exemple d’un calcul (20mn)

Présentation du modèle du site de Kurchatov (2/2)Logiciel MARTHE (BRGM) : Modélisation d’Aquifère par un maillage Rectangulaire

en régime Transitoire pour le calcul Hydrodynamique des Ecoulements

August 2002 December 2010

Cartes deConcentrations

Variables de sortie intéressantes :1. Concentrations aux 20 piézomètres (20 sorties scalaires)2.2. Concentration spatiale discrConcentration spatiale discréétistiséée (64x64 = 4096 valeurs) e (64x64 = 4096 valeurs)

+ Jeu de 20 variables d’entrée

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0920

August 2002 December 2010

Cartes deconcentrations

Cas 1 – Sorties scalaires : analyse d’incertitudes en 2 010

0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10

Histogramme & densité - p23

Den

sity

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

Histogramme et densité – p31K

Den

sity

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

n = 300 calculs de type Monte-Carlo (LHS)distributions des concentrations aux piézomètres (Bq/l)

Concentrationinitiale

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0921

Validation du modèle pour la période 2002 à 2004

0 200 400 600 800 1000Time, days

0

10

20

30

Co

nce

ntr

atio

n, B

q/l

p31K mean min max observations

0 200 400 600 800 1000Time, days

0

40

80

120

Co

nce

ntr

atio

n, B

q/l

p23 mean min max observations

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0922

Cas 1 – 1 sortie scalaire – Analyse de sensibilité

Échantillon ( X, Y (X ) ) de taille n > p , de préférence de taille n >> p

? Relation linéaire ?

Oui

Régressionlinéaire

entre Xi et Z

Coefficients de régression

(R²)

IndicesDe

sensibilitéIndices de Sobol

Non ? Relation monotone ?

Oui Non

Régression sur les rangs

(R²*)

? Code coûteux ?

OuiNon

Métamodèle

Étape préliminaire : visualisation graphique (par ex : scatterplots)

Méthodologie d’analyse de sensibilité quantitative[Saltelli et al. 00, Helton et al. 06, Iooss 09]

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0923

Analyse graphique : scatterplots piézomètre p23

2 4 6 8 10 12 14

02

46

810

per1

p23

0 20 40 60 80

02

46

810

kd1

p23

0 50 100 150

02

46

810

kd2

p23

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

02

46

810

i3

p23

Parfois de simples diagrammes sortie / entrées sont suffisants

1 sortie (p23) - p = 4 entrées - n = 300 calculs de type Monte Carlo

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0924

Cas 1 - Sorties scalaires – Résultats de l’analyse de sensibilité (1/2)

Relations entrées/sortie approximativement linéaires :

p23 (R2 = 74%) ; p4-76 (R2 = 67%) ; 6 sorties de R² > 50%

Remarque : le coef. de détermination R² est calculé pour la prédiction Relations entrées/sortie monotones :

p4-76 (R2* = 95%) ; p104 (R2* = 91%) ; p102K (R2* = 90%)p23 (R2* = 90%) ; p29K (R2* = 83%)

Relations non monotones [Marrel et al. 08]Constructions de métamodèles par krigeage (Processus Gaussien, PG)

R²> 50% pour 15 variables de sortie

Calcul des indices de Sobol sur les métamodèles

5 sorties restent à R² < 50% (sorties à très faible variabilités)

Étude sur 20 variables de sortie

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0925

Ajustement dAjustement d’’un mun méétamodtamodèèle PG :le PG : RR²² = 93% (r= 93% (réégression lingression linééaire Raire R²² = 68%)= 68%)

Analyse de sensibilitAnalyse de sensibilitéé basbaséée sur le PGe sur le PG [Marrel et al. 09]

Estimation des indices de Sobol + construction des intervalles de prédiction

[ 10 ; 17 ]131513I3

[ 56 ; 83 ]697652kd1

[ 5 ; 11 ]882per1

IC- 90%(PG global)(PG global)

Si(PG prédicteur)

SRCi²(régression linéaire)

(en %)]

~[ ii SEΩ=µ )

~( iS

Indices de sensibilité pour la sortie « Piézomètre p1 04 »

Le métamodèle PG permet d’avoir une estimation + fiable des indices de sensibilité qu’en utilisant la régression linéaire (SRC ou SRRC)

L’obtention d’IC avec le PG permet d’intégrer l’erreur résiduelle due au remplacement du code par le métamodèle

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0926

Groupe 1 : kd1

(coef. de partage de la couche 1)

Groupe 2 : kd2

(coef. de partage de la couche 2)

Groupe 3 : i3

(intensité d’infiltration)

- groupe 1- groupe 3- groupe 2

Cas 1 - Sorties scalaires – Résultats de l’analyse de sensibilité (2/2)

Pas d’interaction entre les variables d’entrée (Si ~ STi)

Entrées les +influentes

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0927

• Quelques exemples de cartes obtenues en sortie du calcul

Cas 2 : sortie spatiale

Concentration en 90Sr prédite en 2010

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Sortie spatiale de 4096 pixelsSortie spatiale de 4096 pixels sortie fonctionnelle 2Dsortie fonctionnelle 2D

Comment traiter une sortie fonctionnelle ?Comment traiter une sortie fonctionnelle ?

•• Utilisation de la discrUtilisation de la discréétisation compltisation complèète de la fonctionte de la fonctionConstruction d’un métamodèle puis analyse de sensibilité en chaque point de discrétisation

Possible mais peut être très coûteux en fonction du métamodèle Synthèse de l’information ou isolement de l’info principale

•• Remplacer la fonction par quelques paramRemplacer la fonction par quelques paramèètres dtres d’’intintéérêtrêt (valeur finale, max, moyenne, …)

Exploitation réduite, fortement liée à la problématique de départ

•• DDéécomposition dans une base fonctionnellecomposition dans une base fonctionnelle (Fourier, ondelettes,(Fourier, ondelettes,……))

Méthodologie pour sorties fonctionnelles (1/2)

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[Marrel 08]Etape 1 : DEtape 1 : Déécomposition spatiale des 300 cartes composition spatiale des 300 cartes Centrage des cartes (moyenne empirique)Décomposition sur une base d’ondelette (Daubechies) Tri des coefficients par valeur moyenne en norme L2

Etape 2 : ModEtape 2 : Modéélisation des coefficients en fonction de Xlisation des coefficients en fonction de XModModéélisation des 100 premiers coefficients par mlisation des 100 premiers coefficients par méétamodtamodèèle PG le PG (contrôle de la pr(contrôle de la préédictivitdictivitéé par Qpar Q22))

ModModéélisation des coefficients 101 lisation des coefficients 101 àà 1000 par r1000 par réégression lingression linééaire aire simple (avec ssimple (avec séélection par AIC)lection par AIC)

Etape 3 : PrEtape 3 : Préédiction pour un nouveau jeu ddiction pour un nouveau jeu d’’entrentréée e x* x* => prediction des coefficients => reconstitution de la carte

Analyse de sensibilitAnalyse de sensibilitéé ::

Obtention de cartes spatiales dObtention de cartes spatiales d’’indices de Sobolindices de Sobol

Méthodologie pour sorties fonctionnelles (2/2)

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Cartes d’indices de Sobol du 1er ordre pour 6 entrées

Cas 2 - Sortie spatiale – Résultats de l’analyse de s ensibilité (1/3)

Perméabilité couche 1 Perméabilité couche 2 Perméabilité couche 3

Kd couche 1 Kd couche 2 Infiltration forte ( rouge)

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Cartes d’indices de Sobol pour les entrées kd1, kd2 et i3

Cas 2 - Sortie spatiale – Résultats de l’analyse de s ensibilité (2/3)

Kd couche 1 Kd couche 2

Infiltration forte (canalisations rouges)

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Cartes d’indices de Sobol pour les entrées kd1, kd2 et i3

Cas 2 - Sortie spatiale – Résultats de l’analyse de s ensibilité (3/3)

Kd couche 1 Kd couche 2

Infiltration forte (canalisations rouges)

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1. Les prédictions de la contamination au bord du modèle ne dépassentpas le seuil réglementaire (jusqu’en 2010)

2. Les coefficients de partage sont les paramètres les plus influents et interagissent peu avec les autres paramètresRéduction de leur incertitudes réduction de l’incertitude de prédiction

3. L’influence de la forme de la 2ème couche est forte, dans [Iooss et al. 09]on l’étudie en faisant varier la forme par simulation géostatistique

Analyse de sensibilité avec champs aléatoires en entrée

4. Certaines mesures sont en dehors de la plage de variation de calculs.

Grâce au métamodèle, on a pu montrer que ça n’est pas du à une mauvaisemodélisation des incertitudes des entrées.

revenir sur la modélisation hydrogéologiqueet/ou prendre en compte l’incertitude sur la carte initiale des concentrations

Conclusions principales de l’étude du site de Kurchat ov

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Plan

1.Analyse de sensibilité (qualitative) d’un code de calcul combustible

2.Analyse de sensibilité (quantitative) d’un modèle hydrogéologique

3.Analyse d’incertitudes (estimation de quantile) d’un code de thermohydraulique

4.Conclusions

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Benchmark OCDE/NEA : Analyses d’incertitudes et de sensibilitésur les calculs thermohydrauliques de sûreté des réacteurs nucléaires

[ de Crecy et al. 08 ]

Grosse BrècheScScéénario :nario :

Accident de Perte de Réfrigérant Primaire due à une Grosse Brèche

ÉÉtude CEA :tude CEA :Simulation avec le logiciel CATHARE

(20 mn / calcul)

Variable dVariable d’’intintéérêt (sortie) :rêt (sortie) :température de la gaine

CritCritèère de sre de sûûretretéé ::Non dépassement d’une valeur

critique

Variables dVariables d’’entrentréée (53) :e (53) :Paramètres matériaux,

géométriques, conditions initiales, …

Le scénario BEMUSE

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0936

Évolution de la température maximale de la gaine du combustible (100 calculs)

Simulation de régimes accidentels

Calculs supports à une analyse de sûreté : vérifier que le calcul de ce scénariorespecte certains critères, par ex : Tgaine_max < 1204°°°°C

Dans notre étude : obtention du quantile à 95% de Tgaine_max (sortie scalaire)

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0937

Estimation de quantiles de codeDéterminer Ŷα,n estimateur de yα / P(Y < yα) = α à partir de (Y1,…,Yn)

Y = f( X) est la réponse d’un code où X = (X1,…,Xp) est aléatoire.

• Estimateur empirique ŶEE(α) = Y( αn ) :avec p (densité de Y ) dérivable en yα [Bahadur 66]

Estimateur de dispersion élevée, ex : Y ~ N(0,1) : coef. var. (Ŷ0.95,200) ~ 9%

• Estimateur par variable de contrôle ŶCV(α), échantillon ((Y1,Z1),…,(Yn,Zn))Hypothèse : on dispose d’un métamodèle Z = fr(X) du code, de faible coût.Remarque : zα n’est pas forcément un bon estimateur de yα

Résultat [Hesterberg & Nelson 98] :

[ ]

)−( →− ∞→

)(yp

ααyYn

α

n

α 2EE

1,0)(ˆ Nα

[ ]

−)−( →− ∞→

)1(1

,0)(ˆ 2

2 I

α

n

αCV)(yp

ααyYn ρα N

où ρI est le coef. de corrélation entre 1Y ≤ yα et 1Z ≤ zα :²

²),(

αααρ αα

−−≤≤= zZyYP

I

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Tirage MC par stratification contrôlée [Cannamela et al. 09]

Idée : utilisation intensive du métamodèle Y = fr(X) pour trouver des échantillons de X dans des zones intéressantes, puis calculer f (X) :• Diviser le domaine de variation de Y en m strates (Ij)j =1,..,m de taille Nj

• Contrôler les réalisations de X / Z=fr(X) ∈ Ij : – On génère ( Xi

(j) )i=1…Nj / Zi(j) = fr(Xi

(j)) ∈ Ij =]zαj-1,zαj]– On calcule Yi(j) = f (Xi

(j)) pour i=1,…,Nj ;

[ ]

)− →− ∑ =

−∞→)(ypypyp

nN

ααyYn α

m

j jj

j

jjn

α

2

1

2

2

1

SC ])()([(

,0)(ˆααα N

∑∑=

≤=

− =−=>=j

ji

N

iyY

j

j

m

j

jjjN

ypypyFyFyY11

1SC )(11

)(ˆet)()(ˆ)(ˆavec)(ˆ/inf)(ˆ αααα

α0=0α1=0.5 α2=0.9 α3=0.95

α4=1Exemple : m=4, n=200, α=0.95

Théorème [Cannamela et al. 09].

N1=50 N2=50 N3=50 N4=50

L’estimateur par stratification contrôlée vaut :

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Exemple « jouet » à 1 paramètre Y = f (X) = 0.95X²[1 + 0.5cos(10X) + 0.5cos(20X)]Z = fr(X) = X²

n = 200m = 4 strates

Histogrammes avec104 expériences

R² = 0.69 ; ρ = 0.85 ; ρI = 0.52

α−quantile de Y : 3.66α−quantile de Z : 3.84

X ~ N(0,1) ; α = 0.95

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Application à BEMUSE [Cannamela et al. 09]

991737%66%SC (n = 100) sur métamodèle PG (n1 = 100)

792854%10%SC (n = 200) sur métamodèle linéaire (n1 =30)

~ 091237%66%Empirique (n = 106) sur métamodèle PG (n = 100)

~ 093254%10%Empirique (n =106) sur métamodèle linéaire (n =30)

12926Empirique (n = 200) sur code6928Empirique (n =1000) sur code

écart-typequantile zαρIR²Méthode d’estimation

Solutiondangereuse

Conclusions :Méthode adaptée aux problèmes industriels (« cheap & coarse metamodels »)ρI est un bon critère pour préjuger de la qualité de cette méthode

Perspectives :Maximiser ρI en construisant un métamodèle autour du quantile.Par ex., construction séquentielle d’un métamodèle PG [ Oakley 04 ]

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Plan

1.Analyse de sensibilité (qualitative) d’un code de calcul combustible

2.Analyse de sensibilité (quantitative) d’un modèle hydrogéologique

3.Analyse d’incertitudes (estimation de quantile) d’un code de thermohydraulique

4.Conclusions

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B. Iooss – Rencontres « Maths-Météo » Toulouse - 26/03/0942

Classification des méthodes d’analyses de sensibili té

p 10p 1000p

Linéairedegré 1

Monotone +interactions

Monotonesans

interaction

Métamodèle

2p

Morris

( p = nombre de variables d’entrée ; h = nombre de facteurs influents )

0

Non monotone continu

Nombred’évaluationsdu modèle f

Criblageh « p

Décomposition de la variance

SobolPlan

d’expériences

Echantillon Monte-Carlo

Régression sur les rangs

Régression linéaire

Complexité/régularitédu modèle f

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Étape B:Quantification des Sources

d’incertitudes

Modélisation par des distributions

Modèle(ou processus de

mesure)G(x,d)

ModMod èèlele(ou processus de (ou processus de

mesure)mesure)G(x,d)

Variables d’entrée

Incertaines : xFixées : d

Variables Variables dd ’’entrentr ééee

Incertaines : xFixées : d

Variables d’intérêtZ = G(x,d)

Variables Variables dd ’’ intint éérrêêttZ = G(x,d)

Critère de décisionEx: Probabilité < 10-b

Rebouclage(feedback)

ÉÉtapetape A : A : SpSpéécificationcification du probldu probl èèmeme

Quantitéd’intérêt

ex: variance, probabilité ..

QuantitQuantit éédd ’’ intint éérrêêtt

ex: variance, probabilité ..

Étape C : Propagation des sources d’incertitude

Étape C’ : Analyse de sensibilité, Hiérarchisation

ConclusionsLes travaux présentés ici concernaient les étapes C et C’

L’étape B est bien entendu d’une importance fondamentale

Autre problématique cruciale : les incertitudes de modèles

L’utilisation de métamodèles peut s’avérer très utile pour :• la calibration/validation de codes,• la comparaison de codes, l’exploitation de codes multi-niveaux,• l’optimisation de sorties du code (problématiques de conception).

Quelques initiatives de collaboration récentes :• GdR CNRS MASCOT-NUM : www.gdr-mascotnum.fr• Groupe de Travail « Incertitudes et Industrie » de l’IMdR (formation professionnelle, site internet « Incertitudes » à venir, …)

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Bibliographie

• C. Cannamela, Apport des méthodes probabilistes dans la simulation du comprtement du combustible à particules, Thèse de l’Université Paris 7, 2007• C. Cannamela, J. Garnier & B. Iooss, Annals of Applied Stat., 2, 2008• A. de Crecy et al., Nuclear Engineering and Design, 238, 2008• E. de Rocquigny, N. Devictor & S. Tarantola, Uncertainty in industrial practice, Wiley, 2008• J. Helton, J. Johnson, C. Salaberry & C. Storlie, Reliab. Eng. System Saf., 91, 2006• B. Iooss, Contributions au traitement des incertitudes en modélisation numérique, Mémoire d’HDR, Université Toulouse III, 2009• B. Iooss, M. Ribatet & A. Marrel, Global sensitivity analysis for stochasticcomputer codes, Technometric, soumis, 2009• A. Marrel, Mise en œuvre et utilisation du métamodèle processus gaussien pour l’analyse de modèles numériques, Thèse de l’INSA Toulouse, 2008• A. Marrel, B. Iooss, F. Van Dorpe & E. Volkova, Comput. Stat. Data Anal., 52, 2008• A. Marrel, B. Iooss, B. Laurent & O. Roustant, Reliab. Eng. System Saf., 94, 2009• M. Morris, Technometrics, 33, 1991• A. Saltelli, K. Chan & E.M. Scott, Sensitivity analysis, Wiley, 2000• E. Volkova, B. Iooss & F. Van Dorpe, Stoch. Environ. Res. Risk Assess., 22, 2008