通过机器学习在所有设计和工程领域的机器学习增益创建的数据驱动模型。他们有很高的潜力，以协助决策者创造具有更好的性能和可持续性的新人工制品。然而，有限的泛化和这些模型的黑匣子性质诱导有限的解释性和可重用性。这些缺点在工程设计中提供了延迟采用的显着障碍。为了克服这种情况，我们提出了一种基于组件的方法来通过机器学习（ml）来创建部分组件模型。该基于组件的方法对齐深入学习到系统工程（SE）。借助于节能建筑设计的示例，我们首先通过准确地预测与训练数据不同的随机结构的设计性能来证明基于组件的方法的概括。其次，我们通过从工程设计的角度来看，从低深度决策树派生的本地采样，敏感性信息和规则来说明解释性，灵敏度信息和规则。解释性的关键是，组件之间的接口处的激活是可解释的工程量。以这种方式，分层组件系统形成深度神经网络（DNN），该网络（DNN）直接集成了工程解释性的信息。组合组件中的大量可能配置允许使用可理解的数据驱动模型进行新颖的未经设计案例。通过类似的概率分布的参数范围的匹配会产生可重复使用的，普遍性和可信赖的模型。该方法适应了系统工程和域知识的工程方法模型结构。
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Energy consumption in buildings, both residential and commercial, accounts for approximately 40% of all energy usage in the U.S., and similar numbers are being reported from countries around the world. This significant amount of energy is used to maintain a comfortable, secure, and productive environment for the occupants. So, it is crucial that the energy consumption in buildings must be optimized, all the while maintaining satisfactory levels of occupant comfort, health, and safety. Recently, Machine Learning has been proven to be an invaluable tool in deriving important insights from data and optimizing various systems. In this work, we review the ways in which machine learning has been leveraged to make buildings smart and energy-efficient. For the convenience of readers, we provide a brief introduction of several machine learning paradigms and the components and functioning of each smart building system we cover. Finally, we discuss challenges faced while implementing machine learning algorithms in smart buildings and provide future avenues for research at the intersection of smart buildings and machine learning.
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人工智能（AI）和机器学习（ML）在网络安全挑战中的应用已在行业和学术界的吸引力，部分原因是对关键系统（例如云基础架构和政府机构）的广泛恶意软件攻击。入侵检测系统（IDS）使用某些形式的AI，由于能够以高预测准确性处理大量数据，因此获得了广泛的采用。这些系统托管在组织网络安全操作中心（CSOC）中，作为一种防御工具，可监视和检测恶意网络流，否则会影响机密性，完整性和可用性（CIA）。 CSOC分析师依靠这些系统来决定检测到的威胁。但是，使用深度学习（DL）技术设计的IDS通常被视为黑匣子模型，并且没有为其预测提供理由。这为CSOC分析师造成了障碍，因为他们无法根据模型的预测改善决策。解决此问题的一种解决方案是设计可解释的ID（X-IDS）。这项调查回顾了可解释的AI（XAI）的最先进的ID，目前的挑战，并讨论了这些挑战如何涉及X-ID的设计。特别是，我们全面讨论了黑匣子和白盒方法。我们还在这些方法之间的性能和产生解释的能力方面提出了权衡。此外，我们提出了一种通用体系结构，该建筑认为人类在循环中，该架构可以用作设计X-ID时的指南。研究建议是从三个关键观点提出的：需要定义ID的解释性，需要为各种利益相关者量身定制的解释以及设计指标来评估解释的需求。
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评估能源转型和能源市场自由化对资源充足性的影响是一种越来越重要和苛刻的任务。能量系统的上升复杂性需要足够的能量系统建模方法，从而提高计算要求。此外，随着复杂性，同样调用概率评估和场景分析同样增加不确定性。为了充分和高效地解决这些各种要求，需要来自数据科学领域的新方法来加速当前方法。通过我们的系统文献综述，我们希望缩小三个学科之间的差距（1）电力供应安全性评估，（2）人工智能和（3）实验设计。为此，我们对所选应用领域进行大规模的定量审查，并制作彼此不同学科的合成。在其他发现之外，我们使用基于AI的方法和应用程序的AI方法和应用来确定电力供应模型的复杂安全性的元素，并作为未充分涵盖的应用领域的储存调度和（非）可用性。我们结束了推出了一种新的方法管道，以便在评估电力供应安全评估时充分有效地解决当前和即将到来的挑战。
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物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。
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基于机器的最先进的模型是建筑物建模和预测能量行为的流行选择，因为给出了足够的数据，即使在复杂性禁止分析描述的情况下，它们也擅长查找时空模式和结构。但是，基于机器学习的模型用于构建能源预测的模型难以推广到数据中未表示的样本外场景，因为它们的体系结构通常不符合与能源传递现象相关的机械结构的物理对应。因此，他们对看不见的初始条件和边界条件的预测能力完全取决于数据中的代表性，这在构建测量数据中不能保证。因此，这些限制阻碍了它们对现实世界工程应用的应用，例如数字双胞胎的能源管理。作为回应，我们提出了一个域名适应框架，旨在利用对建筑物中能量行为的现象的众所周知的理解，以预测除建筑物测量数据之外的样本场景。更具体地说，我们使用低级别的线性时间不变状态空间模型表示能量行为的机理知识，然后利用其管理结构来预测目标能源系统，仅可用建筑物测量数据。我们通过使在物理衍生的子空间保持一致，该物理衍生的子空间控制全球状态空间行为更接近于测量数据的目标子空间。在最初的探索中，我们专注于线性能源系统。我们通过改变源和目标系统的热物理特性，以证明机械模型从物理学到测量数据的可传递性来测试基于子空间的DA框架。
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人工智能（AI）使机器能够从人类经验中学习，适应新的输入，并执行人类的人类任务。 AI正在迅速发展，从过程自动化到认知增强任务和智能流程/数据分析的方式转换业务方式。然而，人类用户的主要挑战是理解和适当地信任AI算法和方法的结果。在本文中，为了解决这一挑战，我们研究并分析了最近在解释的人工智能（XAI）方法和工具中所做的最新工作。我们介绍了一种新颖的XAI进程，便于生产可解释的模型，同时保持高水平的学习性能。我们提出了一种基于互动的证据方法，以帮助人类用户理解和信任启用AI的算法创建的结果和输出。我们在银行域中采用典型方案进行分析客户交易。我们开发数字仪表板以促进与算法的互动结果，并讨论如何提出的XAI方法如何显着提高数据科学家对理解启用AI的算法结果的置信度。
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调试后已显示建筑物的性能会大大降解，从而增加能源消耗和相关的温室气体排放。使用现有的传感器网络和IoT设备进行连续调试有可能通过不断识别系统退化并重新调整控制策略以适应真正的建筑绩效来最大程度地减少这种废物。由于其对温室气体排放的重大贡献，为建筑加热的气体锅炉系统的性能至关重要。锅炉性能研究的综述已用于开发一组常见的断层和降解的性能条件，这些断层已集成到MATLAB/SIMULINK模拟器中。这导致了一个标记的数据集，并为14个非谐波锅炉中的每一个都进行了大约10,000个稳态性能的模拟。收集的数据用于使用K-Nearest邻居，决策树，随机森林和支持向量机训练和测试故障分类。结果表明，支持向量机方法给出了最佳的预测准确性，始终超过90％，并且由于较低的分类精度，无法对多个锅炉进行概括。
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由于其高能量强度，建筑物在当前全球能源转型中发挥着重要作用。建筑模型是普遍无处不在的，因为在建筑物的每个阶段都需要它们，即设计，改装和控制操作。基于物理方程式的古典白盒式模型必然遵循物理规律，但其底层结构的具体设计可能会阻碍他们的表现力，从而阻碍他们的准确性。另一方面，黑匣子型号更适合捕获非线性建筑动态，因此通常可以实现更好的准确性，但它们需要大量的数据，并且可能不会遵循物理规律，这是神经网络特别常见的问题（NN）模型。为了抵消这种已知的概括问题，最近介绍了物理知识的NNS，研究人员在NNS的结构中介绍了以底层底层物理法律接地，并避免经典的NN概括问题。在这项工作中，我们介绍了一种新的物理信息的NN架构，被称为身体一致的NN（PCNN），其仅需要过去的运行数据并且没有工程开销，包括在并联运行到经典NN的线性模块中的先前知识。我们正式证明，这些网络是物理上一致的 - 通过设计甚至在看不见的数据 - 关于不同的控制输入和邻近区域的温度。我们在案例研究中展示了他们的表现，其中PCNN比3美元的古典物理型电阻电容模型更好地获得高达50美元的准确性。此外，尽管结构受到约束的结构，但PCNNS在验证数据上对古典NNS对古典NNS进行了类似的性能，使训练数据较少，并保留高表达性以解决泛化问题。
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信号处理是几乎任何传感器系统的基本组件，具有不同科学学科的广泛应用。时间序列数据，图像和视频序列包括可以增强和分析信息提取和量化的代表性形式的信号。人工智能和机器学习的最近进步正在转向智能，数据驱动，信号处理的研究。该路线图呈现了最先进的方法和应用程序的关键概述，旨在突出未来的挑战和对下一代测量系统的研究机会。它涵盖了广泛的主题，从基础到工业研究，以简明的主题部分组织，反映了每个研究领域的当前和未来发展的趋势和影响。此外，它为研究人员和资助机构提供了识别新前景的指导。
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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。
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天然气管道中的泄漏检测是石油和天然气行业的一个重要且持续的问题。这尤其重要，因为管道是运输天然气的最常见方法。这项研究旨在研究数据驱动的智能模型使用基本操作参数检测天然气管道的小泄漏的能力，然后使用现有的性能指标比较智能模型。该项目应用观察者设计技术，使用回归分类层次模型来检测天然气管道中的泄漏，其中智能模型充当回归器，并且修改后的逻辑回归模型充当分类器。该项目使用四个星期的管道数据流研究了五个智能模型（梯度提升，决策树，随机森林，支持向量机和人工神经网络）。结果表明，虽然支持向量机和人工神经网络比其他网络更好，但由于其内部复杂性和所使用的数据量，它们并未提供最佳的泄漏检测结果。随机森林和决策树模型是最敏感的，因为它们可以在大约2小时内检测到标称流量的0.1％的泄漏。所有智能模型在测试阶段中具有高可靠性，错误警报率为零。将所有智能模型泄漏检测的平均时间与文献中的实时短暂模型进行了比较。结果表明，智能模型在泄漏检测问题中的表现相对较好。该结果表明，可以与实时瞬态模型一起使用智能模型，以显着改善泄漏检测结果。
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一方面，人工神经网络（ANNS）通常被标记为黑匣子，缺乏可解释性;阻碍了人类对ANNS行为的理解的问题。存在需要生成ANN的有意义的顺序逻辑，用于解释特定输出的生产过程。另一方面，决策树由于它们的代表语言和有效算法的存在而导致更好的可解释性和表现力，以将树木转化为规则。然而，基于可用数据生长决策树可能会产生大于不概括的必要树木或树木。在本文中，我们介绍了来自ANN的规则提取的两种新的多变量决策树（MDT）算法：精确可转换决策树（EC-DT）和扩展的C-NET算法。它们都将纠正的线性单元激活函数转换为代表树的神经网络，这可以进一步用于提取多元规则以进行推理。虽然EC-DT以层式方式转换ANN以表示由网络的隐藏层内隐式学习的决策边界，但扩展的C-Net将来自EC-DT的分解方法与C5树学习算法相结合形成决策规则。结果表明，虽然EC-DT在保持结构和ANN的保真度方面优越，但扩展的C-Net产生了来自ANN的最紧凑且高效的树木。两者都建议的MDT算法生成规则，包括多个属性的组合，以便决策的精确解释。
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如今，人工智能（AI）已成为临床和远程医疗保健应用程序的基本组成部分，但是最佳性能的AI系统通常太复杂了，无法自我解释。可解释的AI（XAI）技术被定义为揭示系统的预测和决策背后的推理，并且在处理敏感和个人健康数据时，它们变得更加至关重要。值得注意的是，XAI并未在不同的研究领域和数据类型中引起相同的关注，尤其是在医疗保健领域。特别是，许多临床和远程健康应用程序分别基于表格和时间序列数据，而XAI并未在这些数据类型上进行分析，而计算机视觉和自然语言处理（NLP）是参考应用程序。为了提供最适合医疗领域表格和时间序列数据的XAI方法的概述，本文提供了过去5年中文献的审查，说明了生成的解释的类型以及为评估其相关性所提供的努力和质量。具体而言，我们确定临床验证，一致性评估，客观和标准化质量评估以及以人为本的质量评估作为确保最终用户有效解释的关键特征。最后，我们强调了该领域的主要研究挑战以及现有XAI方法的局限性。
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In the last years many accurate decision support systems have been constructed as black boxes, that is as systems that hide their internal logic to the user. This lack of explanation constitutes both a practical and an ethical issue. The literature reports many approaches aimed at overcoming this crucial weakness sometimes at the cost of scarifying accuracy for interpretability. The applications in which black box decision systems can be used are various, and each approach is typically developed to provide a solution for a specific problem and, as a consequence, delineating explicitly or implicitly its own definition of interpretability and explanation. The aim of this paper is to provide a classification of the main problems addressed in the literature with respect to the notion of explanation and the type of black box system. Given a problem definition, a black box type, and a desired explanation this survey should help the researcher to find the proposals more useful for his own work. The proposed classification of approaches to open black box models should also be useful for putting the many research open questions in perspective.
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近年来，随着传感器和智能设备的广泛传播，物联网（IoT）系统的数据生成速度已大大增加。在物联网系统中，必须经常处理，转换和分析大量数据，以实现各种物联网服务和功能。机器学习（ML）方法已显示出其物联网数据分析的能力。但是，将ML模型应用于物联网数据分析任务仍然面临许多困难和挑战，特别是有效的模型选择，设计/调整和更新，这给经验丰富的数据科学家带来了巨大的需求。此外，物联网数据的动态性质可能引入概念漂移问题，从而导致模型性能降解。为了减少人类的努力，自动化机器学习（AUTOML）已成为一个流行的领域，旨在自动选择，构建，调整和更新机器学习模型，以在指定任务上实现最佳性能。在本文中，我们对Automl区域中模型选择，调整和更新过程中的现有方法进行了审查，以识别和总结将ML算法应用于IoT数据分析的每个步骤的最佳解决方案。为了证明我们的发现并帮助工业用户和研究人员更好地实施汽车方法，在这项工作中提出了将汽车应用于IoT异常检测问题的案例研究。最后，我们讨论并分类了该领域的挑战和研究方向。
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神经网络（NNS）和决策树（DTS）都是机器学习的流行模型，但具有相互排斥的优势和局限性。为了带来两个世界中的最好，提出了各种方法来明确或隐式地集成NN和DTS。在这项调查中，这些方法是在我们称为神经树（NTS）的学校中组织的。这项调查旨在对NTS进行全面审查，并尝试确定它们如何增强模型的解释性。我们首先提出了NTS的彻底分类学，该分类法表达了NNS和DTS的逐步整合和共同进化。之后，我们根据NTS的解释性和绩效分析，并建议解决其余挑战的可能解决方案。最后，这项调查以讨论有条件计算和向该领域的有希望的方向进行讨论结束。该调查中审查的论文列表及其相应的代码可在以下网址获得：https：//github.com/zju-vipa/awesome-neural-trees
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Efficient energy consumption is crucial for achieving sustainable energy goals in the era of climate change and grid modernization. Thus, it is vital to understand how energy is consumed at finer resolutions such as household in order to plan demand-response events or analyze the impacts of weather, electricity prices, electric vehicles, solar, and occupancy schedules on energy consumption. However, availability and access to detailed energy-use data, which would enable detailed studies, has been rare. In this paper, we release a unique, large-scale, synthetic, residential energy-use dataset for the residential sector across the contiguous United States covering millions of households. The data comprise of hourly energy use profiles for synthetic households, disaggregated into Thermostatically Controlled Loads (TCL) and appliance use. The underlying framework is constructed using a bottom-up approach. Diverse open-source surveys and first principles models are used for end-use modeling. Extensive validation of the synthetic dataset has been conducted through comparisons with reported energy-use data. We present a detailed, open, high-resolution, residential energy-use dataset for the United States.
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可解释的人工智能和可解释的机器学习是重要性越来越重要的研究领域。然而，潜在的概念仍然难以捉摸，并且缺乏普遍商定的定义。虽然社会科学最近的灵感已经重新分为人类受助人的需求和期望的工作，但该领域仍然错过了具体的概念化。通过审查人类解释性的哲学和社会基础，我们采取措施来解决这一挑战，然后我们转化为技术领域。特别是，我们仔细审查了算法黑匣子的概念，并通过解释过程确定的理解频谱并扩展了背景知识。这种方法允许我们将可解释性（逻辑）推理定义为在某些背景知识下解释的透明洞察（进入黑匣子）的解释 - 这是一个从事在Admoleis中理解的过程。然后，我们采用这种概念化来重新审视透明度和预测权力之间的争议权差异，以及对安特 - 人穴和后宫后解释者的影响，以及可解释性发挥的公平和问责制。我们还讨论机器学习工作流程的组件，可能需要可解释性，从以人为本的可解释性建立一系列思想，重点介绍声明，对比陈述和解释过程。我们的讨论调整并补充目前的研究，以帮助更好地导航开放问题 - 而不是试图解决任何个人问题 - 从而为实现的地面讨论和解释的人工智能和可解释的机器学习的未来进展奠定了坚实的基础。我们结束了我们的研究结果，重新审视了实现所需的算法透明度水平所需的人以人为本的解释过程。
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除了机器学习（ML）模型的令人印象深刻的预测力外，最近还出现了解释方法，使得能够解释诸如深神经网络的复杂非线性学习模型。获得更好的理解尤其重要。对于安全 - 关键的ML应用或医学诊断等。虽然这种可解释的AI（XAI）技术对分类器达到了重大普及，但到目前为止对XAI的重点进行了很少的关注（Xair）。在这篇综述中，我们澄清了XAI对回归和分类任务的基本概念差异，为Xair建立了新的理论见解和分析，为Xair提供了真正的实际回归问题的示范，最后讨论了该领域仍然存在的挑战。
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