数据质量的系统量化对于一致的模型性能至关重要。先前的工作集中在分发数据上。取而代之的是，我们解决了一个研究了一个研究的且同样重要的问题，即表征不协调的区域（ID）数据，这可能是由特征空间异质性引起的。为此，我们提出了使用数据套件的范式转移：一个以数据为中心的AI框架来识别这些区域，而与特定于任务的模型无关。数据套件利用Copula建模，表示学习和共形预测，以基于一组培训实例来构建功能置信区间估计器。这些估计器可用于评估有关培训集的测试实例的一致性，以回答两个实际有用的问题：（1）通过培训培训实例培训的模型可以可靠地预测哪些测试实例？ （2）我们可以确定功能空间的不协调区域，以便数据所有者了解数据的局限性还是指导未来数据收集？我们从经验上验证了数据套件的性能和覆盖范围保证，并在跨站点的医疗数据，有偏见的数据以及具有概念漂移的数据上证明，数据套件最能确定下游模型可能是可靠的ID区域（与所述模型无关）。我们还说明了这些确定的区域如何为数据集提供见解并突出其局限性。

在过去几十年中，已经提出了各种方法，用于估计回归设置中的预测间隔，包括贝叶斯方法，集合方法，直接间隔估计方法和保形预测方法。重要问题是这些方法的校准：生成的预测间隔应该具有预定义的覆盖水平，而不会过于保守。在这项工作中，我们从概念和实验的角度审查上述四类方法。结果来自各个域的基准数据集突出显示从一个数据集中的性能的大波动。这些观察可能归因于违反某些类别的某些方法所固有的某些假设。我们说明了如何将共形预测用作提供不具有校准步骤的方法的方法的一般校准程序。

While there have been a number of remarkable breakthroughs in machine learning (ML), much of the focus has been placed on model development. However, to truly realize the potential of machine learning in real-world settings, additional aspects must be considered across the ML pipeline. Data-centric AI is emerging as a unifying paradigm that could enable such reliable end-to-end pipelines. However, this remains a nascent area with no standardized framework to guide practitioners to the necessary data-centric considerations or to communicate the design of data-centric driven ML systems. To address this gap, we propose DC-Check, an actionable checklist-style framework to elicit data-centric considerations at different stages of the ML pipeline: Data, Training, Testing, and Deployment. This data-centric lens on development aims to promote thoughtfulness and transparency prior to system development. Additionally, we highlight specific data-centric AI challenges and research opportunities. DC-Check is aimed at both practitioners and researchers to guide day-to-day development. As such, to easily engage with and use DC-Check and associated resources, we provide a DC-Check companion website (https://www.vanderschaar-lab.com/dc-check/). The website will also serve as an updated resource as methods and tooling evolve over time.

The ability to quickly and accurately identify covariate shift at test time is a critical and often overlooked component of safe machine learning systems deployed in high-risk domains. While methods exist for detecting when predictions should not be made on out-of-distribution test examples, identifying distributional level differences between training and test time can help determine when a model should be removed from the deployment setting and retrained. In this work, we define harmful covariate shift (HCS) as a change in distribution that may weaken the generalization of a predictive model. To detect HCS, we use the discordance between an ensemble of classifiers trained to agree on training data and disagree on test data. We derive a loss function for training this ensemble and show that the disagreement rate and entropy represent powerful discriminative statistics for HCS. Empirically, we demonstrate the ability of our method to detect harmful covariate shift with statistical certainty on a variety of high-dimensional datasets. Across numerous domains and modalities, we show state-of-the-art performance compared to existing methods, particularly when the number of observed test samples is small.

Accurate uncertainty quantification is a major challenge in deep learning, as neural networks can make overconfident errors and assign high confidence predictions to out-of-distribution (OOD) inputs. The most popular approaches to estimate predictive uncertainty in deep learning are methods that combine predictions from multiple neural networks, such as Bayesian neural networks (BNNs) and deep ensembles. However their practicality in real-time, industrial-scale applications are limited due to the high memory and computational cost. Furthermore, ensembles and BNNs do not necessarily fix all the issues with the underlying member networks. In this work, we study principled approaches to improve uncertainty property of a single network, based on a single, deterministic representation. By formalizing the uncertainty quantification as a minimax learning problem, we first identify distance awareness, i.e., the model's ability to quantify the distance of a testing example from the training data, as a necessary condition for a DNN to achieve high-quality (i.e., minimax optimal) uncertainty estimation. We then propose Spectral-normalized Neural Gaussian Process (SNGP), a simple method that improves the distance-awareness ability of modern DNNs with two simple changes: (1) applying spectral normalization to hidden weights to enforce bi-Lipschitz smoothness in representations and (2) replacing the last output layer with a Gaussian process layer. On a suite of vision and language understanding benchmarks, SNGP outperforms other single-model approaches in prediction, calibration and out-of-domain detection. Furthermore, SNGP provides complementary benefits to popular techniques such as deep ensembles and data augmentation, making it a simple and scalable building block for probabilistic deep learning. Code is open-sourced at https://github.com/google/uncertainty-baselines

现在通常用于高风险设置，如医疗诊断，如医疗诊断，那么需要不确定量化，以避免后续模型失败。无分发的不确定性量化（无分布UQ）是用户友好的范式，用于为这种预测创建统计上严格的置信区间/集合。批判性地，间隔/集合有效而不进行分布假设或模型假设，即使具有最多许多DataPoints也具有显式保证。此外，它们适应输入的难度;当输入示例很困难时，不确定性间隔/集很大，信号传达模型可能是错误的。在没有多大的工作和没有再培训的情况下，可以在任何潜在的算法（例如神经网络）上使用无分​​发方法，以产生置信度集，以便包含用户指定概率，例如90％。实际上，这些方法易于理解和一般，应用于计算机视觉，自然语言处理，深度加强学习等领域出现的许多现代预测问题。这种实践介绍是针对对无需统计学家的免费UQ的实际实施感兴趣的读者。我们通过实际的理论和无分发UQ的应用领导读者，从保形预测开始，并使无关的任何风险的分布控制，如虚假发现率，假阳性分布检测，等等。我们将包括Python中的许多解释性插图，示例和代码样本，具有Pytorch语法。目标是提供读者对无分配UQ的工作理解，使它们能够将置信间隔放在算法上，其中包含一个自包含的文档。

我们研究了回归中神经网络（NNS）的模型不确定性的方法。为了隔离模型不确定性的效果，我们专注于稀缺训练数据的无噪声环境。我们介绍了关于任何方法都应满足的模型不确定性的五个重要的逃亡者。但是，我们发现，建立的基准通常无法可靠地捕获其中一些逃避者，即使是贝叶斯理论要求的基准。为了解决这个问题，我们介绍了一种新方法来捕获NNS的模型不确定性，我们称之为基于神经优化的模型不确定性（NOMU）。 NOMU的主要思想是设计一个由两个连接的子NN组成的网络体系结构，一个用于模型预测，一个用于模型不确定性，并使用精心设计的损耗函数进行训练。重要的是，我们的设计执行NOMU满足我们的五个Desiderata。由于其模块化体系结构，NOMU可以为任何给定（先前训练）NN提供模型不确定性，如果访问其培训数据。我们在各种回归任务和无嘈杂的贝叶斯优化（BO）中评估NOMU，并具有昂贵的评估。在回归中，NOMU至少和最先进的方法。在BO中，Nomu甚至胜过所有考虑的基准。

The notion of uncertainty is of major importance in machine learning and constitutes a key element of machine learning methodology. In line with the statistical tradition, uncertainty has long been perceived as almost synonymous with standard probability and probabilistic predictions. Yet, due to the steadily increasing relevance of machine learning for practical applications and related issues such as safety requirements, new problems and challenges have recently been identified by machine learning scholars, and these problems may call for new methodological developments. In particular, this includes the importance of distinguishing between (at least) two different types of uncertainty, often referred to as aleatoric and epistemic. In this paper, we provide an introduction to the topic of uncertainty in machine learning as well as an overview of attempts so far at handling uncertainty in general and formalizing this distinction in particular.

部署在医学成像任务上的机器学习模型必须配备分布外检测功能，以避免错误的预测。不确定依赖于深神经网络的分布外检测模型是否适合检测医学成像中的域移位。高斯流程可以通过其数学结构可靠地与分布数据点可靠地分开分发数据点。因此，我们为分层卷积高斯工艺提出了一个参数有效的贝叶斯层，该过程融合了在Wasserstein-2空间中运行的高斯过程，以可靠地传播不确定性。这直接用远距离的仿射操作员在分布中直接取代了高斯流程。我们对脑组织分割的实验表明，所得的架构接近了确定性分割算法（U-NET）的性能，而先前的层次高斯过程尚未实现。此外，通过将相同的分割模型应用于分布外数据（即具有病理学（例如脑肿瘤）的图像），我们表明我们的不确定性估计导致分布外检测，以优于以前的贝叶斯网络和以前的贝叶斯网络的功能基于重建的方法学习规范分布。为了促进未来的工作，我们的代码公开可用。

分布（OOD）检测对于确保机器学习系统的可靠性和安全性至关重要。例如，在自动驾驶中，我们希望驾驶系统在发现在训练时间中从未见过的异常​​场景或对象时，发出警报并将控件移交给人类，并且无法做出安全的决定。该术语《 OOD检测》于2017年首次出现，此后引起了研究界的越来越多的关注，从而导致了大量开发的方法，从基于分类到基于密度到基于距离的方法。同时，其他几个问题，包括异常检测（AD），新颖性检测（ND），开放式识别（OSR）和离群检测（OD）（OD），在动机和方法方面与OOD检测密切相关。尽管有共同的目标，但这些主题是孤立发展的，它们在定义和问题设定方面的细微差异通常会使读者和从业者感到困惑。在这项调查中，我们首先提出一个称为广义OOD检测的统一框架，该框架涵盖了上述五个问题，即AD，ND，OSR，OOD检测和OD。在我们的框架下，这五个问题可以看作是特殊情况或子任务，并且更容易区分。然后，我们通过总结了他们最近的技术发展来审查这五个领域中的每一个，特别关注OOD检测方法。我们以公开挑战和潜在的研究方向结束了这项调查。

人工智能的最新趋势是将验证的模型用于语言和视觉任务，这些模型已经实现了非凡的表现，但也令人困惑。因此，以各种方式探索这些模型的能力对该领域至关重要。在本文中，我们探讨了模型的可靠性，在其中我们将可靠的模型定义为一个不仅可以实现强大的预测性能，而且在许多涉及不确定性（例如选择性预测，开放式设置识别）的决策任务上，在许多决策任务上表现出色，而且表现良好。强大的概括（例如，准确性和适当的评分规则，例如在分布数据集中和分发数据集上的对数可能性）和适应性（例如，主动学习，几乎没有射击不确定性）。我们设计了40个数据集的10种任务类型，以评估视觉和语言域上可靠性的不同方面。为了提高可靠性，我们分别开发了VIT-PLEX和T5-PLEX，分别针对视觉和语言方式扩展了大型模型。 PLEX极大地改善了跨可靠性任务的最先进，并简化了传统协议，因为它可以改善开箱即用的性能，并且不需要设计分数或为每个任务调整模型。我们演示了高达1B参数的模型尺寸的缩放效果，并预处理数据集大小最多4B示例。我们还展示了PLEX在具有挑战性的任务上的功能，包括零射门的开放式识别，主动学习和对话语言理解中的不确定性。

有效的决策需要了解预测中固有的不确定性。在回归中，这种不确定性可以通过各种方法估算;然而，许多这些方法对调谐进行费力，产生过度自确性的不确定性间隔，或缺乏敏锐度（给予不精确的间隔）。我们通过提出一种通过定义具有两个不同损失功能的神经网络来捕获回归中的预测分布的新方法来解决这些挑战。具体地，一个网络近似于累积分布函数，第二网络近似于其逆。我们将此方法称为合作网络（CN）。理论分析表明，优化的固定点处于理想化的解决方案，并且该方法是渐近的与地面真理分布一致。凭经验，学习是简单且强大的。我们基准CN对两个合成和六个现实世界数据集的几种常见方法，包括预测来自电子健康记录的糖尿病患者的A1C值，其中不确定是至关重要的。在合成数据中，所提出的方法与基本上匹配地面真理。在真实世界数据集中，CN提高了许多性能度量的结果，包括对数似然估计，平均误差，覆盖估计和预测间隔宽度。

作为行业4.0时代的一项新兴技术，数字双胞胎因其承诺进一步优化流程设计，质量控制，健康监测，决策和政策制定等，通过全面对物理世界进行建模，以进一步优化流程设计，质量控制，健康监测，决策和政策，因此获得了前所未有的关注。互连的数字模型。在一系列两部分的论文中，我们研究了不同建模技术，孪生启用技术以及数字双胞胎常用的不确定性量化和优化方法的基本作用。第二篇论文介绍了数字双胞胎的关键启示技术的文献综述，重点是不确定性量化，优化方法，开源数据集和工具，主要发现，挑战和未来方向。讨论的重点是当前的不确定性量化和优化方法，以及如何在数字双胞胎的不同维度中应用它们。此外，本文介绍了一个案例研究，其中构建和测试了电池数字双胞胎，以说明在这两部分评论中回顾的一些建模和孪生方法。 GITHUB上可以找到用于生成案例研究中所有结果和数字的代码和预处理数据。

自动化的HyperParameter优化（HPO）可以支持从业者在机器学习模型中获得峰值性能。然而，通常缺乏有价值的见解，以对不同的超参数对最终模型性能的影响。这种缺乏可解释性使得难以信任并理解自动化的HPO过程及其结果。我们建议使用可解释的机器学习（IML）从HPO中获得的实验数据与贝叶斯优化（BO）一起获得见解。 BO倾向于专注于具有潜在高性能配置的有前途的区域，从而诱导采样偏差。因此，许多IML技术，例如部分依赖曲线（PDP），承载产生偏置解释的风险。通过利用BO代理模型的后部不确定性，我们引入了具有估计置信带的PDP的变种。我们建议分区Quand参数空间以获得相关子区域的更自信和可靠的PDP。在一个实验研究中，我们为子区域内PDP的质量提高提供了定量证据。

神经密度估计值证明在各种研究领域进行高效的仿真贝叶斯推理方面具有显着强大。特别是，Bayesflow框架使用两步方法来实现在仿真程序隐式地定义似然函数的设置中的摊销参数估计。但是当模拟是现实差的差异时，这种推断是多么忠实？在本文中，我们概念化了基于模拟的推论中出现的模型误操作的类型，并系统地研究了这些误操作下的Bayesflow框架的性能。我们提出了一个增强优化目标，它对潜伏数据空间上的概率结构施加了概率结构，并利用了最大平均差异（MMD）来检测推理期间的可能灾难性的误操作，破坏了所获得的结果的有效性。我们验证了许多人工和现实的误操作的检测标准，从玩具共轭模型到复杂的决策和疾病爆发动态的复杂模型应用于实际数据。此外，我们表明后部推理误差随着真实数据生成分布与潜在摘要空间中的典型模拟集之间的常数而增加。因此，我们展示了MMD的双重实用性作为检测模型误操作的方法和作为验证摊销贝叶斯推理的忠实性的代理。

大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。

分配转移或培训数据和部署数据之间的不匹配是在高风险工业应用中使用机器学习的重要障碍，例如自动驾驶和医学。这需要能够评估ML模型的推广以及其不确定性估计的质量。标准ML基线数据集不允许评估这些属性，因为培训，验证和测试数据通常相同分布。最近，已经出现了一系列专用基准测试，其中包括分布匹配和转移的数据。在这些基准测试中，数据集在任务的多样性以及其功能的数据模式方面脱颖而出。虽然大多数基准测试由2D图像分类任务主导，但Shifts包含表格天气预测，机器翻译和车辆运动预测任务。这使得可以评估模型的鲁棒性属性，并可以得出多种工业规模的任务以及通用或直接适用的特定任务结论。在本文中，我们扩展了偏移数据集，其中两个数据集来自具有高社会重要性的工业高风险应用程序。具体而言，我们考虑了3D磁共振脑图像中白质多发性硬化病变的分割任务以及海洋货物容器中功耗的估计。两项任务均具有无处不在的分配变化和由于错误成本而构成严格的安全要求。这些新数据集将使研究人员能够进一步探索新情况下的强大概括和不确定性估计。在这项工作中，我们提供了两个任务的数据集和基线结果的描述。

背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。

贝叶斯神经网络具有潜在变量（BNN + LVS）通过明确建模模型不确定性（通过网络权重）和环境暂停（通过潜在输入噪声变量）来捕获预测的不确定性。在这项工作中，我们首先表明BNN + LV具有严重形式的非可识别性：可以在模型参数和潜在变量之间传输解释性，同时拟合数据。我们证明，在无限数据的极限中，网络权重和潜变量的后部模式从地面真理渐近地偏离。由于这种渐近偏差，传统的推理方法可以在实践中，产量参数概括不确定和不确定的不确定性。接下来，我们开发一种新推断过程，明确地减轻了训练期间不可识别性的影响，并产生高质量的预测以及不确定性估计。我们展示我们的推理方法在一系列合成和实际数据集中改善了基准方法。

飞机行业不断努力在人类的努力，计算时间和资源消耗方面寻求更有效的设计优化方法。当替代模型和最终过渡到HF模型的开关机制均被正确校准时，混合替代物优化保持了高效果，同时提供快速的设计评估。前馈神经网络（FNN）可以捕获高度非线性输入输出映射，从而为飞机绩效因素提供有效的替代物。但是，FNN通常无法概括分布（OOD）样本，这阻碍了它们在关键飞机设计优化中的采用。通过Smood，我们基于平滑度的分布检测方法，我们建议用优化的FNN替代物来编码一个依赖模型的OOD指标，以产生具有选择性但可信度的预测的值得信赖的替代模型。与常规的不确定性接地方法不同，Smood利用了HF模拟的固有平滑性特性，可以通过揭示其可疑敏感性有效地暴露OOD，从而避免对OOD样品的过度自信不确定性估计。通过使用SMOOD，仅将高风险的OOD输入转发到HF模型以进行重新评估，从而以低开销成本获得更准确的结果。研究了三个飞机性能模型。结果表明，基于FNN的代理在预测性能方面优于其高斯过程。此外，在所有研究案例中，Smood的确覆盖了85％的实际OOD。当Smood Plus FNN替代物被部署在混合替代优化设置中时，它们的错误率分别降低了34.65％和计算速度的降低率分别为58.36次。