DEVELOPMENT AND MODERNITY

Information-oriented experimental design combining data analysis and numerical computation for maximizing the informativeness of limited measurements

Authors

  • Yulin Si Higher School of Economics (HSE), 101000, Moscow, Myasnitskaya str., 20

How to cite

GOST Si Y. Information-oriented experimental design combining data analysis and numerical computation for maximizing the informativeness of limited measurements // Academic Research Journal. 2025. Vol. 3. No. 10. P. 77-86. DOI: 10.25726/f9466-5203-9279-c
APA Si, Y. (2025). Information-oriented experimental design combining data analysis and numerical computation for maximizing the informativeness of limited measurements. Academic Research Journal, 3(10), 77-86. https://doi.org/10.25726/f9466-5203-9279-c

Abstract

The study addresses the problem of reducing the number of costly physical measurements in the calibration of mathematical models through the targeted selection of the most informative experimental conditions. The aim of the work is to develop a computational framework for information-oriented experimental design that combines numerical simulation, Bayesian calibration, and global optimization, providing adaptive selection of measurement points based on the data already accumulated. A two-dimensional stationary heat conduction problem in a heterogeneous plate is used as a test case, in which the temperature field is modeled using the finite element method with unknown thermal conductivity coefficients of two materials. Uncertainty in the parameters is described using a Bayesian approach, where prior distributions are successively updated according to virtual measurement data with the use of Markov chain Monte Carlo algorithms. The criterion for selecting the next measurement point is based on maximizing the expected information gain according to Kullback–Leibler divergence, which is equivalent to minimizing the expected variance of posterior parameter estimates, and is implemented using the differential evolution algorithm. The efficiency of the approach is compared with the classical uniform grid design in terms of the rate of reduction in posterior standard deviations, the dynamics of the mean-square prediction error of the temperature field, and the number of measurements required to achieve the desired calibration accuracy. It is shown that the information-oriented strategy ensures an exponentially faster reduction of uncertainty and allows at least a twofold decrease in the required number of measurements while maintaining or improving prediction accuracy across the entire field. Additionally, computational cost estimates demonstrate that the increase in time required to select the next measurement point is offset by significant savings in resources due to the reduction in the scope of physical experiments. Sensitivity analysis with respect to the quality of prior information confirms the robustness of the methodology and its capability to correct initially biased assumptions, making the proposed approach a promising tool for a wide range of applied problems where measurement cost is a critical constraint.

Keywords

information-oriented experimental design Bayesian model calibration numerical simulation measurement informativeness criteria optimization of experimental conditions

References

Александров А.А., Мизюков Г.С., Бутакова М.А. Оценка качества слияния изображений с использованием энтропии Шеннона и коэффициента полезной информации Хартли // Известия ЮФУ. Технические науки. 2024. № 5 (241). С. 119-131.

Богачев И.В., Левенец А.В., Чье Ен.Ун., Шарапов М.А. Способ формирования однородных структур в массиве измерительных данных как предварительная обработка перед операцией сжатия // Датчики и системы. 2024. № 5 (277). С. 13-17.

Бордюг А.С. Проблема избыточности информации в информационно-измерительных системах // Энергобезопасность и энергосбережение. 2022. № 3. С. 42-45.

Вострых А.В. Алгоритм оценки информативности графических пользовательских интерфейсов // Информатизация и связь. 2024. № 5. С. 140-149.

Дивольд В.Е. Разработка методики оперативно-аналитического обеспечения розыскной деятельности // Научный вестник Омской академии МВД России. 2022. Т. 28. № 4 (87). С. 340-345.

Жилин Р.А. Численный метод формирования альтернативного мнения в коалициях высококвалифицированных специалистов с использованием относительного показателя полезности // Вестник Югорского государственного университета. 2024. Т. 20. № 2. С. 107-112.

Иванов Ю.П., Красненков Н.С. Исследование оптимальных линейных методологий обработки измерительной информации // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2024. № 10. С. 109-113.

Игнатьев Н.А., Турсунмуротов Д.Х. Оценка структуры отношений объектов при нормировании данных // Проблемы вычислительной и прикладной математики. 2022. № 4 (42). С. 138-146.

Колычев П.М. Релятивная онтология и метод научной теории сознания // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Философия. 2023. Т. 27. № 2. С. 316-331.

Кузнецов В.И., Кулиш Е.В. К оценке информационной значимости результатов измерений при проведении летных испытаний. Постановка и формализация задачи // Двойные технологии. 2022. № 4 (101). С. 48-54.

Малахов Д.Г. Сопоставление статистического параметрического и амплитудного подходов к картированию фМРТ-данных при помощи объективного критерия // Вестник психофизиологии. 2024. № 1. С. 48-56.

Михальский А.И., Туровский Я.А., Борзунов С.В. Метод анализа зависимости случайных величин при малом числе наблюдений // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии. 2022. № 2. С. 25-37.

Мосин В.Г., Козловский В.Н., Антипова О.И., Гафаров Р.Р. Инструменты управления качеством. Поиск калибровочных границ методами машинного обучения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 7. С. 10-15.

Подвесовский А.Г., Коростелёв Д.А., Лупачёв Е.А., Беляков Н.В. Построение хранилища обобщённых вычислительных экспериментов на основе онтологического подхода // Онтология проектирования. 2022. Т. 12. № 1 (43). С. 41-56.

Поздняков А.А., Мартынов А.М., Емельянов И.П. Имитационная модель для оценки результативности функционирования информационно-измерительной системы // Авиакосмическое приборостроение. 2023. № 11. С. 22-33.

Issue

Section

DEVELOPMENT AND MODERNITY

Metrics

97 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.