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Modeling hierarchical spaces: a review and unified framework for surrogate-based architecture design

Paul Saves, Edward Hallé-Hannan, Jasper Bussemaker, Youssef Diouane et Nathalie Bartoli

Article de revue (2026)

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Abstract

Simulation-based problems involving mixed-variable inputs frequently feature domains that are hierarchical, conditional, heterogeneous, or tree-structured. These characteristics pose challenges for data representation, modeling, and optimization. This paper reviews extensive literature on these structured input spaces and proposes a unified framework that generalizes existing approaches. In this framework, input variables may be continuous, integer, or categorical. A variable is described as meta if its value governs the presence of other decreed variables, enabling the modeling of conditional and hierarchical structures. We further introduce the concept of partially decreed variables, whose activation depends on contextual conditions. To capture these inter-variable hierarchical relationships, we introduce design space graphs, combining principles from feature modeling and graph theory. This allows the definition of general hierarchical domains suitable for describing complex system architectures. Our framework defines hierarchical distances and kernels to enable surrogate modeling and optimization on hierarchical domains. We demonstrate its effectiveness on complex system design problems, including a neural network and a green-aircraft case study. Our methods are available in the open-source Surrogate Modeling Toolbox (SMT 2.0).

Mots clés

Matériel d'accompagnement:
Département: Département de mathématiques et de génie industriel
Centre de recherche: GERAD - Groupe d'études et de recherche en analyse des décisions
Organismes subventionnaires: NSERC, FRQNT, European Union Horizon Europe program, ANR
Numéro de subvention: RGPIN-2024-05093, 101097120, ANR-24-CE23-0380
URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/72059/
Titre de la revue: Structural and Multidisciplinary Optimization (vol. 69)
Maison d'édition: Springer
DOI: 10.1007/s00158-026-04249-2
Autres DOI associés à ce document: 10.1007/s00158-026-04249-2
URL officielle: https://doi.org/10.1007/s00158-026-04249-2
Date du dépôt: 26 janv. 2026 10:59
Dernière modification: 18 mars 2026 01:20
Citer en APA 7: Saves, P., Hallé-Hannan, E., Bussemaker, J., Diouane, Y., & Bartoli, N. (2026). Modeling hierarchical spaces: a review and unified framework for surrogate-based architecture design. [Modélisation hiérarchique et optimisation d'architectures de systèmes : revue comparative et cadre unifié]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 69, 65 (34 pages). https://doi.org/10.1007/s00158-026-04249-2

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