In this work, we propose a novel generative model for mapping inputs to structured, high-dimensional outputs using structured conditional normalizing flows and Gaussian process regression. The model is motivated by the need to characterize uncertainty in the input/output relationship when making inferences on new data. In particular, in the physical sciences, limited training data may not adequately characterize future observed data; it is critical that models adequately indicate uncertainty, particularly when they may be asked to extrapolate. In our proposed model, structured conditional normalizing flows provide parsimonious latent representations that relate to the inputs through a Gaussian process, providing exact likelihood calculations and uncertainty that naturally increases away from the training data inputs. We demonstrate the methodology on laser-induced breakdown spectroscopy data from the ChemCam instrument onboard the Mars rover Curiosity. ChemCam was designed to recover the chemical composition of rock and soil samples by measuring the spectral properties of plasma atomic emissions induced by a laser pulse. We show that our model can generate realistic spectra conditional on a given chemical composition and that we can use the model to perform uncertainty quantification of chemical compositions for new observed spectra. Based on our results, we anticipate that our proposed modeling approach may be useful in other scientific domains with high-dimensional, complex structure where it is important to quantify predictive uncertainty.

风电场设计主要取决于风力涡轮机唤醒流向大气风条件的可变性，以及唤醒之间的相互作用。使用高保真度捕获唤醒流场的物理学模型是计算风电场的布局优化的计算非常昂贵，因此数据驱动的减少的订单模型可以代表模拟风电场的有效替代方案。在这项工作中，我们使用现实世界的光检测和测量（LIDAR）测量的风力涡轮机唤醒，用机器学习构建预测代理模型。具体而言，我们首先展示使用深度自动控制器来找到低维\ emph {潜在}空间，其给出了唤醒激光雷达测量的计算易逼近的近似。然后，我们学习使用深神经网络的参数空间和（潜在空间）唤醒流场之间的映射。此外，我们还展示了使用概率机器学习技术，即高斯过程建模，除了数据中的认知和炼拉内不确定性之外，学习参数空间潜空间映射。最后，为了应对培训大型数据集，我们展示了使用变分高斯过程模型，为大型数据集提供了传统的高斯工艺模型的传统高斯工艺模型。此外，我们介绍了主动学习以自适应地构建和改进传统的高斯过程模型预测能力。总的来说，我们发现我们的方法提供了风力涡轮机唤醒流场的准确近似，其可以以比具有基于高保真物理的模拟产生的级别更便宜的成本来查询。

使用马尔可夫链蒙特卡洛（Monte Carlo）以贝叶斯方式将理论模型拟合到实验数据中，通常需要一个评估数千（或数百万）型的型号。当模型是慢速到计算的物理模拟时，贝叶斯模型拟合就变得不可行。为了解决这个问题，可以使用模拟输出的第二个统计模型，该模型可以用来代替模型拟合期间的完整仿真。选择的典型仿真器是高斯过程（GP），这是一种灵活的非线性模型，在每个输入点提供了预测均值和方差。高斯流程回归对少量培训数据（$ n <10^3 $）非常有效，但是当数据集大小变大时，训练和用于预测的速度慢。可以使用各种方法来加快中高级数据集制度（$ n> 10^5 $）的加快高斯流程，从而使人们的预测准确性大大降低了。这项工作研究了几种近似高斯过程模型的准确度折叠 - 稀疏的变异GP，随机变异GP和深内核学习的GP - 在模拟密度功能理论（DFT）模型的预测时。此外，我们使用模拟器以贝叶斯的方式校准DFT模型参数，使用观察到的数据，解决数据集大小所施加的计算屏障，并将校准结果与先前的工作进行比较。这些校准的DFT模型的实用性是根据观察到的数据对实验意义的核素的性质进行预测，例如超重核。

基于神经网络的学习，从光伏（PV）和风中的来源以及负载需求的来源的不可转型可再生发电的分布的学习最近得到了注意力。由于通过直接对数似然最大化训练，归一化流量密度模型特别适用于此任务。然而，从图像生成领域的研究表明，标准归一化流量只能学习歧管分布的涂抹版本。以前的作品在规范化基于流的方案生成的情况下，不要解决这个问题，并且掩弹的分布导致噪声时间序列的采样。在本文中，我们利用了主成分分析（PCA）的等距，从而建立了较低尺寸空间中的标准化流量，同时保持直接和计算有效的似然最大化。我们在2013年至2015年培训PV和风力发电的数据以及德国的负载需求的所得到的主要成分流量（PCF）。本研究结果表明，PCF保留了原始分布的关键特征，如作为时间序列的概率密度和频率行为。然而，PCF的应用不限于可再生能力，而是扩展到任何数据集，时间序列或其他方式，可以使用PCA有效地减少。

明显大小的时间变化（称为光曲线）是望远镜在长时间内捕获的感兴趣的观察统计。光曲线提供了空间域意识（SDA）目标（例如对象识别或姿势估计）作为潜在变量推理问题等目标的探索。与较高的精确仪器相比，来自货架上商业架子（COTS）摄像机的地面观测仍然很便宜，但是，有限的传感器可用性与嘈杂的观察结果相结合，可能会产生可能难以建模的gappy时间序列数据。这些外部因素混淆了对光曲线的自动开发，这使光曲线预测和外推成为应用的关键问题。传统上，使用基于扩散或基于示例的方法解决了图像或时间序列的完成问题。最近，由于学习复杂的非线性嵌入方面的经验成功，深度神经网络（DNNS）已成为首选工具。但是，DNN通常需要大量的培训数据，而这些数据不一定在查看单个卫星的光曲线的独特功能时可用。在本文中，我们提出了一种新的方法，可以使用高斯工艺（GPS）预测光曲线的缺失和未来数据点。 GPS是非线性概率模型，可推断后验分布在功能上并自然量化不确定性。但是，GP推理和培训的立方缩放是其在应用中采用的主要障碍。特别是，单个光曲线可以具有数十万个观测值，这远远超出了单个机器上常规GP的实际实现极限。因此，我们采用MUYGP，这是一种可扩展的框架，用于使用最近的邻居稀疏和局部交叉验证的GP模型的超参数估计。 muygps ...

众所周知，即使通过核心点之间捕获数据点之间的相似性，也可以通过捕获相似性来提供准确的预测和不确定性估计，以提供准确的预测和不确定性估计。然而，传统的GP内核在捕获高维数据点之间的相似性时不是非常有效的。神经网络可用于学习在高维数据中编码复杂结构的良好表示，并且可以用作GP内核的输入。然而，神经网络的巨大数据要求使得这种方法在小数据设置中无效。为了解决代表学习和数据效率的冲突问题，我们建议通过使用概率神经网络来学习概率嵌入的深核。我们的方法将高维数据映射到低维子空间中的概率分布，然后计算这些分布之间的内核以捕获相似性。要启用端到端学习，我们可以推导出用于培训模型的功能梯度血清过程。各种数据集的实验表明，我们的方法在监督和半监督设置中占GP内核学习中的最先进。我们还将我们的方法扩展到其他小型数据范例，例如少量分类，在迷你想象网和小熊数据集上以前的方式胜过先前的方法。

随机过程提供了数学上优雅的方式模型复杂数据。从理论上讲，它们为可以编码广泛有趣的假设的功能类提供了灵活的先验。但是，实际上，难以通过优化或边缘化来有效推断，这一问题进一步加剧了大数据和高维输入空间。我们提出了一种新颖的变性自动编码器（VAE），称为先前的编码变量自动编码器（$ \ pi $ vae）。 $ \ pi $ vae是有限的交换且Kolmogorov一致的，因此是一个连续的随机过程。我们使用$ \ pi $ vae学习功能类的低维嵌入。我们表明，我们的框架可以准确地学习表达功能类，例如高斯流程，也可以学习函数的属性以启用统计推断（例如log高斯过程的积分）。对于流行的任务，例如空间插值，$ \ pi $ vae在准确性和计算效率方面都达到了最先进的性能。也许最有用的是，我们证明了所学的低维独立分布的潜在空间表示提供了一种优雅，可扩展的方法，可以在概率编程语言（例如Stan）中对随机过程进行贝叶斯推断。

上印度河盆地喜马拉雅山为2.7亿人和无数的生态系统提供水。然而，在这一领域，降水是水文建模的关键组成部分。围绕这种不确定性的关键挑战来自整个盆地降水的复杂时空分布。在这项工作中，我们提出了具有结构化非平稳核的高斯过程，以模拟UIB中的降水模式。先前试图在印度库什karakoram喜马拉雅地区量化或建模降水的尝试通常是定性的，或者包括在较低分辨率下无法解决的粗略假设和简化。这项研究也几乎没有错误传播。我们用非平稳的Gibbs内核参数为输入依赖性长度尺度来解释降水的空间变化。这允许后函数样品适应印度河地区不同基础地形所固有的不同降水模式。输入依赖的长度尺寸由带有固定平方 - 指数内核的潜在高斯过程控制，以使功能级别的超参数平稳变化。在消融实验中，我们通过证明其对空间协方差，时间结构和关节时空重建的能力来激励所提出的内核的每个组成部分。我们通过固定的高斯工艺和深度高斯工艺进行基准测试模型。

我们从一组稀疏的光谱时间序列中构建了一个物理参数化的概率自动编码器（PAE），以学习IA型超新星（SNE IA）的内在多样性。 PAE是一个两阶段的生成模型，由自动编码器（AE）组成，该模型在使用归一化流（NF）训练后概率地解释。我们证明，PAE学习了一个低维的潜在空间，该空间可捕获人口内存在的非线性特征范围，并且可以直接从数据直接从数据中准确地对整个波长和观察时间进行精确模拟SNE IA的光谱演化。通过引入相关性惩罚项和多阶段训练设置以及我们的物理参数化网络，我们表明可以在训练期间分离内在和外在的可变性模式，从而消除了需要进行额外标准化的其他模型。然后，我们在SNE IA的许多下游任务中使用PAE进行越来越精确的宇宙学分析，包括自动检测SN Outliers，与数据分布一致的样本的产生以及在存在噪音和不完整数据的情况下解决逆问题限制宇宙距离测量。我们发现，与以前的研究相一致的最佳固有模型参数数量似乎是三个，并表明我们可以用$ 0.091 \ pm 0.010 $ mag标准化SNE IA的测试样本，该样本对应于$ 0.074 \ pm。 0.010 $ mag如果删除了特殊的速度贡献。训练有素的模型和代码在\ href {https://github.com/georgestein/supaernova} {github.com/georgestein/supaernova}上发布

现代时间域的光度测验收集了许多天文学对象的观察结果，大规模调查的即将到来的时代将提供更多信息。大多数对象从未接受过光谱随访，这对于瞬态尤其至关重要。超新星。在这种情况下，观察到的光曲线可以提供负担得起的替代方案。时间序列被积极用于光度分类和表征，例如峰值和光度下降估计。但是，收集的时间序列是多维的，不规则地采样，包含异常值，并且没有明确定义的系统不确定性。机器学习方法有助于以最有效的方式从可用数据中提取有用的信息。我们考虑了基于神经网络的几种光曲线近似方法：多层感知，贝叶斯神经网络以及使流量正常化，以近似单光曲线观察。使用模拟的Parperc和Real Zwicky瞬态设施数据样本的测试表明，即使很少有观察值足以拟合网络并获得比其他最新方法更好的近似质量。我们表明，这项工作中描述的方法具有比高斯流程更快的计算复杂性和更快的工作速度。我们分析了旨在填补光曲线观察中空白的近似技术的性能，并表明使用适当的技术会提高峰值发现和超新星分类的准确性。此外，研究结果是在GitHub上可用的Fulu Python库中组织的，该库可以很容易地由社区使用。

机器学习的许多应用涉及预测模型输出的灵活概率分布。我们提出了自动评级分位式流动，这是一种灵活的概率模型，高维变量，可用于准确地捕获预测的炼膜不确定性。这些模型是根据适当评分规则使用新颖目标培训的自回归流动的情况，这简化了培训期间雅各比亚的计算昂贵的决定因素，并支持新型的神经结构。我们证明这些模型可用于参数化预测条件分布，提高时间序列预测和对象检测的概率预测质量。

主体组件分析（PCA）在给定固定组件维度的一类线性模型的情况下，将重建误差最小化。概率PCA通过学习PCA潜在空间权重的概率分布，从而创建生成模型，从而添加了概率结构。自动编码器（AE）最小化固定潜在空间维度的一类非线性模型中的重建误差，在固定维度处胜过PCA。在这里，我们介绍了概率自动编码器（PAE），该自动编码器（PAE）使用归一化流量（NF）了解了AE潜在空间权重的概率分布。 PAE快速且易于训练，并在下游任务中遇到小的重建错误，样本质量高以及良好的性能。我们将PAE与差异AE（VAE）进行比较，表明PAE训练更快，达到较低的重建误差，并产生良好的样品质量，而无需特殊的调整参数或培训程序。我们进一步证明，PAE是在贝叶斯推理的背景下，用于涂抹和降解应用程序的贝叶斯推断，可以执行概率图像重建的下游任务的强大模型。最后，我们将NF的潜在空间密度确定为有希望的离群检测度量。

高斯工艺（GPS）模型是具有由内核功能控制的电感偏差的功能丰富的分布。通过使用边际似然作为目标优化内核超参数来实现学习。这种称为II类型最大似然（ML-II）的经典方法产生了高参数的点估计，并继续成为培训GPS的默认方法。然而，这种方法在低估预测不确定性并且易于在有许多近似数目时易于过度拟合。此外，基于梯度的优化使ML-II点估计高度易受局部最小值的存在。这项工作提出了一种替代的学习过程，其中核心函数的超参数使用嵌套采样（NS）被边缘化，这是一种非常适合于复杂的多模态分布来采样的技术。我们专注于具有频谱混合物（SM）粒子的回归任务，并发现定量模型不确定性的原则方法导致在一系列合成和基准数据集中的预测性能中的大量收益。在这种情况下，还发现嵌套的抽样在汉密尔顿蒙特卡罗（HMC）上提供了速度优势，广泛认为是基于MCMC推断的金标准。

远期操作员的计算成本和选择适当的先前分布的计算成本挑战了贝叶斯对高维逆问题的推断。摊销的变异推理解决了这些挑战，在这些挑战中，训练神经网络以近似于现有模型和数据对的后验分布。如果以前看不见的数据和正态分布的潜在样品作为输入，则预处理的深神经网络（在我们的情况下是有条件的正常化流量）几乎没有成本的后验样品。然而，这种方法的准确性取决于高保真训练数据的可用性，由于地球的异质结构，由于地球物理逆问题很少存在。此外，准确的摊销变异推断需要从训练数据分布中汲取观察到的数据。因此，我们建议通过基于物理学的校正对有条件的归一化流量分布来提高摊销变异推断的弹性。为了实现这一目标，我们不是标准的高斯潜在分布，我们通过具有未知平均值和对角线协方差的高斯分布来对潜在分布进行参数化。然后，通过最小化校正后分布和真实后验分布之间的kullback-leibler差异来估算这些未知数量。尽管通用和适用于其他反问题，但通过地震成像示例，我们表明我们的校正步骤可提高摊销变异推理的鲁棒性，以相对于源实验数量的变化，噪声方差以及先前分布的变化。这种方法提供了伪像有限的地震图像，并评估其不确定性，其成本大致与五个反度迁移相同。

Uncertainty quantification (UQ) has increasing importance in building robust high-performance and generalizable materials property prediction models. It can also be used in active learning to train better models by focusing on getting new training data from uncertain regions. There are several categories of UQ methods each considering different types of uncertainty sources. Here we conduct a comprehensive evaluation on the UQ methods for graph neural network based materials property prediction and evaluate how they truly reflect the uncertainty that we want in error bound estimation or active learning. Our experimental results over four crystal materials datasets (including formation energy, adsorption energy, total energy, and band gap properties) show that the popular ensemble methods for uncertainty estimation is NOT the best choice for UQ in materials property prediction. For the convenience of the community, all the source code and data sets can be accessed freely at \url{https://github.com/usccolumbia/materialsUQ}.

标准GPS为行为良好的流程提供了灵活的建模工具。然而，预计与高斯的偏差有望在现实世界数据集中出现，结构异常值和冲击通常会观察到。在这些情况下，GP可能无法充分建模不确定性，并且可能会过度推动。在这里，我们将GP框架扩展到一类新的时间变化的GP，从而可以直接建模重尾非高斯行为，同时通过非均匀GPS表示的无限混合物保留了可拖动的条件GP结构。有条件的GP结构是通过在潜在转化的输入空间上调节观测值来获得的，并使用L \'{e} Vy过程对潜在转化的随机演变进行建模，该过程允许贝叶斯在后端预测密度和潜在转化中的贝叶斯推断功能。我们为该模型提供了马尔可夫链蒙特卡洛推理程序，并证明了与标准GP相比的潜在好处。

The combination of machine learning models with physical models is a recent research path to learn robust data representations. In this paper, we introduce p$^3$VAE, a generative model that integrates a perfect physical model which partially explains the true underlying factors of variation in the data. To fully leverage our hybrid design, we propose a semi-supervised optimization procedure and an inference scheme that comes along meaningful uncertainty estimates. We apply p$^3$VAE to the semantic segmentation of high-resolution hyperspectral remote sensing images. Our experiments on a simulated data set demonstrated the benefits of our hybrid model against conventional machine learning models in terms of extrapolation capabilities and interpretability. In particular, we show that p$^3$VAE naturally has high disentanglement capabilities. Our code and data have been made publicly available at https://github.com/Romain3Ch216/p3VAE.

我们考虑基于活动的运输模拟器的校准和不确定性分析问题。基于活动的模型（ABM）依靠单个旅行者行为的统计模型来预测大都市地区的高阶旅行模式。输入参数通常是使用最大似然从旅行者调查中估算的。我们开发了一种使用高斯工艺模拟器使用流量流数据校准这些参数的方法。我们的方法扩展了传统的模拟器，以处理运输模拟器的高维和非平稳性。我们介绍了一个深度学习维度降低模型，该模型与高斯工艺模型共同估计以近似模拟器。我们使用几个模拟示例以及校准伊利诺伊州布卢明顿的关键参数来证明方法。

Real engineering and scientific applications often involve one or more qualitative inputs. Standard Gaussian processes (GPs), however, cannot directly accommodate qualitative inputs. The recently introduced latent variable Gaussian process (LVGP) overcomes this issue by first mapping each qualitative factor to underlying latent variables (LVs), and then uses any standard GP covariance function over these LVs. The LVs are estimated similarly to the other GP hyperparameters through maximum likelihood estimation, and then plugged into the prediction expressions. However, this plug-in approach will not account for uncertainty in estimation of the LVs, which can be significant especially with limited training data. In this work, we develop a fully Bayesian approach for the LVGP model and for visualizing the effects of the qualitative inputs via their LVs. We also develop approximations for scaling up LVGPs and fully Bayesian inference for the LVGP hyperparameters. We conduct numerical studies comparing plug-in inference against fully Bayesian inference over a few engineering models and material design applications. In contrast to previous studies on standard GP modeling that have largely concluded that a fully Bayesian treatment offers limited improvements, our results show that for LVGP modeling it offers significant improvements in prediction accuracy and uncertainty quantification over the plug-in approach.

人工智能（AI）和机器学习（ML）的最新表现突破，尤其是深度学习的进步（DL），功能强大，易于使用的ML库（例如Scikit-Learn，Tensorflow，Pytorch。），Pytorch。，Pytorch。。核工程师对AI/ML的前所未有的兴趣，并增加了计算能力。对于基于物理学的计算模型，已经广泛研究了验证，验证和不确定性定量（VVUQ），并且已经开发了许多方法。但是，ML模型的VVUQ的研究相对较少，尤其是在核工程中。在这项工作中，我们专注于ML模型的UQ作为ML VVUQ的初步步骤，更具体地说，是Deep Neural Networks（DNNS），因为它们是用于回归和分类任务的最广泛使用的监督ML算法。这项工作旨在量化DNN的预测或近似不确定性，当它们用作昂贵的物理模型的替代模型时。比较了DNN UQ的三种技术，即Monte Carlo辍学（MCD），深层合奏（DE）和贝叶斯神经网络（BNNS）。两个核工程示例用于基准这些方法，（1）使用野牛代码的时间依赖性裂变气体释放数据，以及（2）基于BFBT基准测试的无效分数模拟使用痕量代码。发现这三种方法通常需要不同的DNN体系结构和超参数来优化其性能。 UQ结果还取决于可用培训数据的量和数据的性质。总体而言，所有这三种方法都可以提供对近似不确定性的合理估计。当平均预测接近测试数据时，不确定性通常较小，而BNN方法通常会产生比MCD和DE更大的不确定性。