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。
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超参数优化构成了典型的现代机器学习工作流程的很大一部分。这是由于这样一个事实，即机器学习方法和相应的预处理步骤通常只有在正确调整超参数时就会产生最佳性能。但是在许多应用中，我们不仅有兴趣仅仅为了预测精度而优化ML管道；确定最佳配置时，必须考虑其他指标或约束，从而导致多目标优化问题。由于缺乏知识和用于多目标超参数优化的知识和容易获得的软件实现，因此通常在实践中被忽略。在这项工作中，我们向读者介绍了多个客观超参数优化的基础知识，并激励其在应用ML中的实用性。此外，我们从进化算法和贝叶斯优化的领域提供了现有优化策略的广泛调查。我们说明了MOO在几个特定ML应用中的实用性，考虑了诸如操作条件，预测时间，稀疏，公平，可解释性和鲁棒性之类的目标。
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自动化封路计优化（HPO）已经获得了很大的普及，并且是大多数自动化机器学习框架的重要成分。然而，设计HPO算法的过程仍然是一个不系统和手动的过程：确定了现有工作的限制，提出的改进是 - 即使是专家知识的指导 - 仍然是一定任意的。这很少允许对哪些算法分量的驾驶性能进行全面了解，并且承载忽略良好算法设计选择的风险。我们提出了一个原理的方法来实现应用于多倍性HPO（MF-HPO）的自动基准驱动算法设计的原则方法：首先，我们正式化包括的MF-HPO候选的丰富空间，但不限于普通的HPO算法，然后呈现可配置的框架覆盖此空间。要自动和系统地查找最佳候选者，我们遵循通过优化方法，并通过贝叶斯优化搜索算法候选的空间。我们挑战是否必须通过执行消融分析来挑战所发现的设计选择或可以通过更加天真和更简单的设计。我们观察到使用相对简单的配置，在某些方式中比建立的方法更简单，只要某些关键配置参数具有正确的值，就可以很好地执行得很好。
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算法配置（AC）与对参数化算法最合适的参数配置的自动搜索有关。目前，文献中提出了各种各样的交流问题变体和方法。现有评论没有考虑到AC问题的所有衍生物，也没有提供完整的分类计划。为此，我们引入分类法以分别描述配置方法的交流问题和特征。我们回顾了分类法的镜头中现有的AC文献，概述相关的配置方法的设计选择，对比方法和问题变体相互对立，并描述行业中的AC状态。最后，我们的评论为研究人员和从业人员提供了AC领域的未来研究方向。
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我们介绍了数据科学预测生命周期中各个阶段开发和采用自动化的技术和文化挑战的说明概述，从而将重点限制为使用结构化数据集的监督学习。此外，我们回顾了流行的开源Python工具，这些工具实施了针对自动化挑战的通用解决方案模式，并突出了我们认为进步仍然需要的差距。
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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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比较不同的汽车框架是具有挑战性的，并且经常做错了。我们引入了一个开放且可扩展的基准测试，该基准遵循最佳实践，并在比较自动框架时避免常见错误。我们对71个分类和33项回归任务进行了9个著名的自动框架进行了详尽的比较。通过多面分析，评估模型的准确性，与推理时间的权衡以及框架失败，探索了自动框架之间的差异。我们还使用Bradley-terry树来发现相对自动框架排名不同的任务子集。基准配备了一个开源工具，该工具与许多自动框架集成并自动化经验评估过程端到端：从框架安装和资源分配到深入评估。基准测试使用公共数据集，可以轻松地使用其他Automl框架和任务扩展，并且具有最新结果的网站。
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由于其数据效率，贝叶斯优化已经出现在昂贵的黑盒优化的最前沿。近年来，关于新贝叶斯优化算法及其应用的发展的研究激增。因此，本文试图对贝叶斯优化的最新进展进行全面和更新的调查，并确定有趣的开放问题。我们将贝叶斯优化的现有工作分为九个主要群体，并根据所提出的算法的动机和重点。对于每个类别，我们介绍了替代模型的构建和采集功能的适应的主要进步。最后，我们讨论了开放的问题，并提出了有希望的未来研究方向，尤其是在分布式和联合优化系统中的异质性，隐私保护和公平性方面。
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无论是在功能选择的领域还是可解释的AI领域，都有基于其重要性的“排名”功能的愿望。然后可以将这种功能重要的排名用于：（1）减少数据集大小或（2）解释机器学习模型。但是，在文献中，这种特征排名没有以系统的，一致的方式评估。许多论文都有不同的方式来争论哪些具有重要性排名最佳的特征。本文通过提出一种新的评估方法来填补这一空白。通过使用合成数据集，可以事先知道特征重要性得分，从而可以进行更系统的评估。为了促进使用新方法的大规模实验，在Python建造了一个名为FSEVAL的基准测定框架。该框架允许并行运行实验，并在HPC系统上的计算机上分布。通过与名为“权重和偏见”的在线平台集成，可以在实时仪表板上进行交互探索图表。该软件作为开源软件发布，并在PYPI平台上以包裹发行。该研究结束时，探索了一个这样的大规模实验，以在许多方面找到参与算法的优势和劣势。
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在开发和分析新的高参数优化方法时，在经过良好策划的基准套件上进行经验评估和比较至关重要。在这项工作中，我们提出了一套新的具有挑战性和相关的基准问题，这些问题是由此类基准测试的理想属性和要求所激发的。我们新的基于替代物的基准集合包含14个方案，这些方案总共构成了700多个多保体超参数优化问题，所有这些方案都可以实现多目标超参数优化。此外，我们从经验上将基于替代物的基准测试与更广泛的表格基准进行了比较，并证明后者可能会在HPO方法的性能排名中产生不忠实的结果。我们检查并比较了根据定义要求的基准收集，并提出了一个单目标和多目标基准套件，我们在基准实验中比较了7个单目标和7个多目标优化器。我们的软件可从[https://github.com/slds-lmu/yahpo_gym]获得。
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HyperParameter Optimization（HPO）是一种确保机器学习（ML）算法最佳性能的必要步骤。已经开发了几种方法来执行HPO;其中大部分都集中在优化一个性能措施（通常是基于错误的措施），并且在这种单一目标HPO问题上的文献是巨大的。然而，最近似乎似乎侧重于同时优化多个冲突目标的算法。本文提出了对2014年至2020年的文献的系统调查，在多目标HPO算法上发布，区分了基于成逐的算法，Metamodel的算法以及使用两者混合的方法。我们还讨论了用于比较多目标HPO程序和今后的研究方向的质量指标。
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为了实现峰值预测性能，封路计优化（HPO）是机器学习的重要组成部分及其应用。在过去几年中，HPO的有效算法和工具的数量大幅增加。与此同时，社区仍缺乏现实，多样化，计算廉价和标准化的基准。这是多保真HPO方法的情况。为了缩短这个差距，我们提出了HPoBench，其中包括7个现有和5个新的基准家庭，共有100多个多保真基准问题。 HPobench允许以可重复的方式运行该可扩展的多保真HPO基准，通过隔离和包装容器中的各个基准。它还提供了用于计算实惠且统计数据的评估的代理和表格基准。为了展示HPoBench与各种优化工具的广泛兼容性，以及其有用性，我们开展了一个来自6个优化工具的13个优化器的示例性大规模研究。我们在这里提供HPobench：https://github.com/automl/hpobench。
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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。
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深入学习的强化学习（RL）的结合导致了一系列令人印象深刻的壮举，许多相信（深）RL提供了一般能力的代理。然而，RL代理商的成功往往对培训过程中的设计选择非常敏感，这可能需要繁琐和易于易于的手动调整。这使得利用RL对新问题充满挑战，同时也限制了其全部潜力。在许多其他机器学习领域，AutomL已经示出了可以自动化这样的设计选择，并且在应用于RL时也会产生有希望的初始结果。然而，自动化强化学习（AutorL）不仅涉及Automl的标准应用，而且还包括RL独特的额外挑战，其自然地产生了不同的方法。因此，Autorl已成为RL中的一个重要研究领域，提供来自RNA设计的各种应用中的承诺，以便玩游戏等游戏。鉴于RL中考虑的方法和环境的多样性，在不同的子领域进行了大部分研究，从Meta学习到进化。在这项调查中，我们寻求统一自动的领域，我们提供常见的分类法，详细讨论每个区域并对研究人员来说是一个兴趣的开放问题。
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蒙特卡洛树搜索（MCT）是设计游戏机器人或解决顺序决策问题的强大方法。该方法依赖于平衡探索和开发的智能树搜索。MCT以模拟的形式进行随机抽样，并存储动作的统计数据，以在每个随后的迭代中做出更有教育的选择。然而，该方法已成为组合游戏的最新技术，但是，在更复杂的游戏（例如那些具有较高的分支因素或实时系列的游戏）以及各种实用领域（例如，运输，日程安排或安全性）有效的MCT应用程序通常需要其与问题有关的修改或与其他技术集成。这种特定领域的修改和混合方法是本调查的主要重点。最后一项主要的MCT调查已于2012年发布。自发布以来出现的贡献特别感兴趣。
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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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我们查看模型可解释性的特定方面：模型通常需要限制在大小上才能被认为是可解释的，例如，深度5的决策树比深度50中的一个更容易解释。但是，较小的模型也倾向于高偏见。这表明可解释性和准确性之间的权衡。我们提出了一种模型不可知论技术，以最大程度地减少这种权衡。我们的策略是首先学习甲骨文，这是培训数据上高度准确的概率模型。 Oracle预测的不确定性用于学习培训数据的抽样分布。然后，对使用此分布获得的数据样本进行了可解释的模型，通常会导致精确度明显更高。我们将抽样策略作为优化问题。我们的解决方案1具有以下关键的有利属性：（1）它使用固定数量的七个优化变量，而与数据的维度（2）无关，它是模型不可知的 - 因为可解释的模型和甲骨文都可能属于任意性模型家族（3）它具有模型大小的灵活概念，并且可以容纳向量大小（4）它是一个框架，使其能够从优化领域的进度中受益。我们还提出了以下有趣的观察结果：（a）通常，小型模型大小的最佳训练分布与测试分布不同； （b）即使可解释的模型和甲骨文来自高度截然不同的模型家族，也存在这种效果：我们通过使用封闭的复发单位网络作为甲骨文来提高决策树的序列分类精度，从而在文本分类任务上显示此效果。使用字符n-grams； （c）对于模型，我们的技术可用于确定给定样本量的最佳训练样本。
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端到端的Automl吸引了学术界和行业的密集兴趣，它们在功能工程，算法/模型选择和超参数调整引起的空间中自动搜索ML管道。但是，现有的Automl系统在适用于具有较大高维搜索空间的应用程序域时会遇到可伸缩性问题。我们提出了火山洛（Volcanoml），这是一个可扩展且可扩展的框架，可促进对大型汽车搜索空间的系统探索。 Volcanoml引入并实施了将大型搜索空间分解为较小的基本构建块，并允许用户利用这些构建块来制定手头上的汽车问题的执行计划。 Volcanoml进一步支持火山风格的执行模型（类似于现代数据库系统支持的模型）来执行构建的计划。我们的评估表明，不仅火山团提高了汽车中搜索空间分解的表达水平，还导致了分解策略的实际发现，这些发现比先进的自动符号系统所采用的策略更有效率地更加有效。作为自动滑雪。
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Modern deep learning methods are very sensitive to many hyperparameters, and, due to the long training times of state-of-the-art models, vanilla Bayesian hyperparameter optimization is typically computationally infeasible. On the other hand, bandit-based configuration evaluation approaches based on random search lack guidance and do not converge to the best configurations as quickly. Here, we propose to combine the benefits of both Bayesian optimization and banditbased methods, in order to achieve the best of both worlds: strong anytime performance and fast convergence to optimal configurations. We propose a new practical state-of-the-art hyperparameter optimization method, which consistently outperforms both Bayesian optimization and Hyperband on a wide range of problem types, including high-dimensional toy functions, support vector machines, feed-forward neural networks, Bayesian neural networks, deep reinforcement learning, and convolutional neural networks. Our method is robust and versatile, while at the same time being conceptually simple and easy to implement.
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Performance of machine learning algorithms depends critically on identifying a good set of hyperparameters. While recent approaches use Bayesian optimization to adaptively select configurations, we focus on speeding up random search through adaptive resource allocation and early-stopping. We formulate hyperparameter optimization as a pure-exploration nonstochastic infinite-armed bandit problem where a predefined resource like iterations, data samples, or features is allocated to randomly sampled configurations. We introduce a novel algorithm, Hyperband, for this framework and analyze its theoretical properties, providing several desirable guarantees. Furthermore, we compare Hyperband with popular Bayesian optimization methods on a suite of hyperparameter optimization problems. We observe that Hyperband can provide over an order-of-magnitude speedup over our competitor set on a variety of deep-learning and kernel-based learning problems.
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