Trust‐region filter algorithms utilizing Hessian information for gray‐box optimization

黑森矩阵 算法 灵敏度(控制系统) 可扩展性 缩放比例 滤波器(信号处理) 计算机科学 数学 高斯分布 优化算法 代数数 数学优化 最优化问题 分歧(语言学) 高斯过程 工作(物理)
作者
Gul Hameed,Tao Chen,Antonio del Rio Chanona,Lorenz T. Biegler,Michael Short
出处
期刊:Aiche Journal [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aic.70236
摘要

Abstract Optimizing industrial processes often involves gray‐box models that couple algebraic glass‐box equations with black‐box components lacking analytic derivatives. Such systems challenge derivative‐based solvers. The classical trust‐region filter (TRF) algorithm provides a robust framework but requires extensive parameter tuning and numerous black‐box evaluations. This work introduces four Hessian‐informed TRF variants that use projected positive definite Hessians for automatic step scaling and minimal tuning, combined with both low‐fidelity (linear, quadratic) and high‐fidelity (Taylor series, Gaussian process) surrogates for local black‐box approximation. Tested on 25 gray‐box benchmarks and five engineering case studies, the new variants achieved up to order‐of‐magnitude reductions in iterations and black‐box evaluations, with reduced sensitivity to tuning parameters relative to the classical TRF algorithm. High‐fidelity surrogates solved 92%–100% of problems, compared with 72%–84% for low‐fidelity surrogates. The developed TRF methods also outperformed classical derivative‐free optimization solvers. Results show that new variants offer robust, scalable alternatives for gray‐box optimization.
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