Fast Algorithms for Solving Big Data PDE Parameter Estimation Problems on Cloud Computing Platforms

云计算平台上解决大数据偏微分方程参数估计问题的快速算法

基本信息

  • 批准号:
    1522599
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 18万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-15 至 2019-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Parameter estimation problems arise in many scientific and economic disciplines, for example, in medical imaging, geophysical explorations, nondestructive testing, and economic structural estimation. Despite enormous effort put into designing efficient methods, solving parameter estimation problems is still very challenging, since the parametrized equations have to be solved repeatedly until the parameters are estimated with satisfactory accuracy. This research project aims to develop and implement efficient numerical methods for solving parameter estimation problems that involve a large number of measurements and partial differential equations. Reusable, open source software will be developed and made available to the scientific community. The techniques under development in the project will be applicable in geophysics to reduce the computational costs of large surveys that are of high economic impact, for example, in oil and gas exploration and groundwater surveys. The results from this project will also be applicable in medical imaging to reduce health care screening costs and improve diagnosis of certain diseases.Parameter estimation can be formulated as an optimization problem with constraints that are given by the parametrized partial differential equations (PDEs). The unknowns are parameters of the PDEs, which correspond to physical properties of the object to be measured. The objective is to minimize the misfit between PDE simulations and measured data plus some regularization term. Cloud computing platforms provide access to immense computational resources at moderate costs and are thus highly attractive for solving PDE parameter estimation problems. This holds particularly for big data problems since the computational costs of the estimation are dominated by the computational costs for PDE simulations. The latter, in many cases, grows linearly with the number of data. Straightforward extensions of the currently most reliable parameter estimation algorithms to massively parallel platforms, however, lead to huge communication overhead and memory requirement. This project seeks to design alternative tailored algorithms that make efficient use of cloud platforms and are able to solve parameter estimation problem with massive amounts of data in reasonable time. The approach undertaken in this project is based on three cornerstones. First, two reduced-order modeling techniques and their combination will be investigated. The PDEs will be discretized on rather coarse rectangular meshes that are aligned to the problem domain. On these meshes, reduced order models with adaptive multiscale bases will be used. Both techniques will dramatically reduce the computational cost associated with the PDE simulations. Second, stochastic optimization methods will be designed to exploit redundancy typically present in big data sets. The goal is to reduce the required number of PDE simulations, derive parameter selection rules, and quantify uncertainty of the solution. Third, the above steps will be combined and implemented on massively parallel cloud computing platforms.
参数估计问题出现在许多科学和经济学科中,例如医学成像,地球物理探索,非破坏性测试和经济结构估计。尽管在设计有效的方法方面付出了巨大的努力,但解决参数估计问题仍然非常具有挑战性,因为必须重复求解参数的方程,直到参数的精度令人满意为止。该研究项目旨在开发和实施有效的数值方法,以解决涉及大量测量和部分微分方程的参数估计问题。 可重复使用的开源软件将被开发并提供给科学界。该项目正在开发的技术将适用于地球物理,以降低具有很大经济影响的大型调查的计算成本,例如在石油和天然气勘探和地下水调查中。该项目的结果也将适用于医学成像,以降低医疗保健筛查成本并改善某些疾病的诊断。参数估计可以作为优化问题,该优化问题具有由参数化的部分微分方程(PDES)给出的约束。未知数是PDE的参数,与要测量的对象的物理性质相对应。目的是最大程度地减少PDE仿真和测量数据之间的不合适,以及一些正则化项。云计算平台以适度的成本提供了对巨大的计算资源的访问,因此对于解决PDE参数估计问题非常有吸引力。这尤其适用于大数据问题,因为估计的计算成本由PDE模拟的计算成本主导。后者在许多情况下随着数据数量的线性增长。然而,当前最可靠的参数估计算法的直接扩展对大规模并行平台导致了巨大的通信开销和内存要求。该项目旨在设计替代量身定制的算法,以有效地利用云平台,并能够在合理时间内使用大量数据来解决参数估计问题。该项目采用的方法基于三个基石。首先,将研究两种降低的建模技术及其组合。 PDE将在与问题域对齐的相当粗的矩形网格上离散。在这些网格上,将使用具有自适应多尺度基础的订购模型。两种技术都将大大降低与PDE模拟相关的计算成本。其次,将设计随机优化方法来利用大数据集中通常存在的冗余。目标是减少所需的PDE仿真数量,得出参数选择规则并量化解决方案的不确定性。第三,上述步骤将在大规模平行的云计算平台上组合和实现。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Layer-Parallel Training of Deep Residual Neural Networks
  • DOI:
    10.1137/19m1247620
  • 发表时间:
    2018-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Stefanie Günther;Lars Ruthotto;J. Schroder;E. Cyr;N. Gauger
  • 通讯作者:
    Stefanie Günther;Lars Ruthotto;J. Schroder;E. Cyr;N. Gauger
An Uncertainty-Weighted Asynchronous ADMM Method for Parallel PDE Parameter Estimation
  • DOI:
    10.1137/18m119166x
  • 发表时间:
    2018-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Samy Wu Fung;Lars Ruthotto
  • 通讯作者:
    Samy Wu Fung;Lars Ruthotto
Improved Susceptibility Artifact Correction of Echo-Planar MRI using the Alternating Direction Method of Multipliers
LeanResNet: A Low-cost yet Effective Convolutional Residual Networks
  • DOI:
  • 发表时间:
    2019-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Jonathan Ephrath;Lars Ruthotto;E. Haber;Eran Treister
  • 通讯作者:
    Jonathan Ephrath;Lars Ruthotto;E. Haber;Eran Treister
ADMM-SOFTMAX: AN ADMM APPROACH FOR MULTINOMIAL LOGISTIC REGRESSION
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