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【MATLAB第111期】基于MATLAB的sobol全局敏感性分析方法二阶指数计算

news 2025/7/16 5:15:01

【MATLAB第111期】基于MATLAB的sobol全局敏感性分析方法二阶指数计算

一、简介

在MATLAB中计算Sobol二阶效应指数通常涉及到全局敏感性分析（Global Sensitivity Analysis, GSA），其中Sobol方法是一种流行的技术，用于评估模型输入参数的敏感性。Sobol二阶效应指数衡量的是两个参数之间的交互作用对模型输出的影响。

Sobol二阶效应指数的计算涉及到以下步骤：

1、生成Sobol序列，并在一阶的基础上，生成N=(2D+2)*npop个样本集，其中D为变量数， npop为采样的数量， N为总样本数。
在一阶基础上，N=(D+2)*nPop样本，包含A、AB和B矩阵。
二阶需要生成BA矩阵，用来评估二阶指数。

2、模型计算
可参考64期文章，利用sobol函数进行抽样，得到的X值，通过bp组成的代理模型进行计算。

3、计算Sobol指数：使用Sobol序列和模型输出，计算每个参数的一阶、二阶效应指数和总效应指数，其中，一阶和总效应指数较为好计算，二阶效应指数可以参考python的Salib库进行研究，

Sobol二阶效应指数的计算公式如下：
在这里插入图片描述
其中i为1：D，j为i+1：D，
4、计算效果

在这里插入图片描述

二、部分源码

S2计算代码如下：

 Vjk = mean(BAj .* ABk - A .* B) / var(y);Sj = first_order(A, ABj, B);Sk = first_order(A, ABk, B);S2 = Vjk - Sj - Sk;

核心参考代码如下（需要自行二次编译）：

% Normalize the model outputY = (Y - mean(Y)) / std(Y);% Separate output valuesA = Y(1:2*D+2:end);B = Y((end-1):-(2*D+1):1);AB = zeros(length(Y)/ (2*D+2), D);BA = zeros(length(Y)/ (2*D+2), D);for j = 1:DAB(:, j) = Y((j+1):2*D+2:end);BA(:, j) = Y((j+1+D):2*D+2:end);endend% Calculate second order indices if requiredfor j = 1:Dfor k = j+1:DSi.S2(j, k) = second_order(A, AB(:, j), AB(:, k), BA(:, j), B);
end
end
function S = first_order(A, AB, B)% First order estimator following Saltelli et al. 2010 CPC, normalized by% sample variancey = [A, B];if range(y) == 0warning('Constant values encountered, indicating model evaluations (or subset of evaluations) produced identical values.');S = 0;return;endS = mean(B .* (AB - A)) / var(y);
endfunction S = total_order(A, AB, B)% Total order estimator following Saltelli et al. 2010 CPC, normalized by% sample variancey = [A, B];if range(y) == 0warning('Constant values encountered, indicating model evaluations (or subset of evaluations) produced identical values.');S = 0;return;endS = 0.5 * mean((A - AB) .^ 2) / var(y);
endfunction S = second_order(A, ABj, ABk, BAj, B)% Second order estimator f ollowing Saltelli 2002y = [A, B];if range(y) == 0warning('Constant values encountered, indicating model evaluations (or subset of evaluations) produced identical values.');S = 0;return;endVjk = mean(BAj .* ABk - A .* B) / var(y);Sj = first_order(A, ABj, B);Sk = first_order(A, ABk, B);S = Vjk - Sj - Sk;
end