我们介绍一种用于推断和预测潜伏状态的方法，以便只能模拟观察，并且转换动态未知。在此设置中，观察的可能性不可用，并且只能从黑盒模拟器生成合成观察。我们提出了一种在有限数量的模拟中完成状态的似然推理（LFI）和状态预测的方法。我们的方法使用多输出高斯工艺进行状态推理，以及贝叶斯神经网络作为状态预测的转换动态的模型。我们改进了现有的推断任务的LFI方法，同时还准确学习过渡动态。所提出的方法对于使用计算昂贵的模拟来建模动态系统中的逆问题是必要的，如使用非静止用户模型的实验中所示。

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。

社会和自然中的极端事件，例如大流行尖峰，流氓波浪或结构性失败，可能会带来灾难性的后果。极端的表征很困难，因为它们很少出现，这似乎是由良性的条件引起的，并且属于复杂且通常是未知的无限维系统。这种挑战使他们将其描述为“毫无意义”。我们通过将贝叶斯实验设计（BED）中的新型训练方案与深神经操作员（DNOS）合奏结合在一起来解决这些困难。这个模型不足的框架配对了一个床方案，该床方案积极选择数据以用近似于无限二二维非线性运算符的DNO集合来量化极端事件。我们发现，这个框架不仅清楚地击败了高斯流程（GPS），而且只有两个成员的浅色合奏表现最好； 2）无论初始数据的状态如何（即有或没有极端），都会发现极端； 3）我们的方法消除了“双研究”现象； 4）与逐步全球Optima相比，使用次优的采集点的使用不会阻碍床的性能； 5）蒙特卡洛的获取优于高量级的标准优化器。这些结论共同构成了AI辅助实验基础设施的基础，该基础设施可以有效地推断并查明从物理到社会系统的许多领域的关键情况。

We present the GPry algorithm for fast Bayesian inference of general (non-Gaussian) posteriors with a moderate number of parameters. GPry does not need any pre-training, special hardware such as GPUs, and is intended as a drop-in replacement for traditional Monte Carlo methods for Bayesian inference. Our algorithm is based on generating a Gaussian Process surrogate model of the log-posterior, aided by a Support Vector Machine classifier that excludes extreme or non-finite values. An active learning scheme allows us to reduce the number of required posterior evaluations by two orders of magnitude compared to traditional Monte Carlo inference. Our algorithm allows for parallel evaluations of the posterior at optimal locations, further reducing wall-clock times. We significantly improve performance using properties of the posterior in our active learning scheme and for the definition of the GP prior. In particular we account for the expected dynamical range of the posterior in different dimensionalities. We test our model against a number of synthetic and cosmological examples. GPry outperforms traditional Monte Carlo methods when the evaluation time of the likelihood (or the calculation of theoretical observables) is of the order of seconds; for evaluation times of over a minute it can perform inference in days that would take months using traditional methods. GPry is distributed as an open source Python package (pip install gpry) and can also be found at https://github.com/jonaselgammal/GPry.

非线性状态空间模型是一种强大的工具，可以在复杂时间序列中描述动态结构。在一个流的媒体设置中，当一次处理一个样本的情况下，状态的同时推断及其非线性动力学在实践中提出了重大挑战。我们开发了一个小说在线学习框架，利用变分推理和顺序蒙特卡罗，这使得灵活和准确的贝叶斯联合过滤。我们的方法提供了滤波后的近似，这可以任意地接近针对广泛的动态模型和观察模型的真正滤波分布。具体地，所提出的框架可以使用稀疏高斯过程有效地近似于动态的后验，允许潜在动力学的可解释模型。每个样本的恒定时间复杂性使我们的方法能够适用于在线学习场景，适用于实时应用。

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。

各种科学和工程领域使用参数化机制模型。工程师和科学家通常可以假设几个竞争模型来解释特定的过程或现象。考虑一个模特歧视设置，我们希望找到最佳机械，动态模型候选者和最佳模型参数估计。通常，若干竞争机械模型可以解释可用数据，因此通过找到最大化模型预测发散的实验设置，可以通过找到最大化模型预测发散的实验设置来实现最佳地收集额外数据的动态实验。我们争论文献中有两种主要方法，用于解决最佳设计问题：（i）分析方法，使用线性和高斯近似来找设计目标的闭合表达式，以及（ii）数据驱动方法，这通常依赖于计算密集的蒙特卡罗技术。 olofsson等人。 （ICML 35,2018）介绍了高斯工艺（GP）替代模型来杂交的分析和数据驱动方法，这允许计算的实验设计，以识别黑盒式模型。在这项研究中，我们证明我们可以扩展现有的动态实验设计方法，以纳入更广泛的问题不确定性。我们还延伸了Olofsson等人。 （2018）使用GP代理模型来辨别动态黑盒式模型的方法。我们在文献中的着名案例研究中评估了我们的方法，并探讨了使用GP代理到近似基于梯度的方法的后果。

非线性动态系统的识别仍然是整个工程的重大挑战。这项工作提出了一种基于贝叶斯过滤的方法，以提取和确定系统中未知的非线性项的贡献，可以将其视为恢复力表面类型方法的替代观点。为了实现这种识别，最初将非线性恢复力的贡献作为高斯过程建模。该高斯过程将转换为状态空间模型，并与系统的线性动态组件结合使用。然后，通过推断过滤和平滑分布，可以提取系统的内部状态和非线性恢复力。在这些状态下，可以构建非线性模型。在模拟案例研究和实验基准数据集中，该方法被证明是有效的。

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。

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。

贝叶斯优化（BO）被广泛用于优化随机黑匣子功能。尽管大多数BO方法都集中在优化条件期望上，但许多应用程序都需要规避风险的策略，并且需要考虑分配尾巴的替代标准。在本文中，我们提出了针对贝叶斯分位数和预期回归的新变异模型，这些模型非常适合异形的噪声设置。我们的模型分别由有条件分位数（或期望）的两个潜在高斯过程和不对称可能性函数的比例参数组成。此外，我们提出了基于最大值熵搜索和汤普森采样的两种BO策略，这些策略是针对此类型号量身定制的，可以容纳大量点。与现有的BO进行规避风险优化的方法相反，我们的策略可以直接针对分位数和预期进行优化，而无需复制观测值或假设噪声的参数形式。如实验部分所示，所提出的方法清楚地表现出异质的非高斯案例中的最新状态。

多目标优化问题的目标在现实世界中通常会看到不同的评估成本。现在，此类问题被称为异质目标（HE-MOPS）的多目标优化问题。然而，到目前为止，只有少数研究来解决HE-MOPS，其中大多数专注于一个快速目标和一个缓慢目标的双向目标问题。在这项工作中，我们旨在应对具有两个以上黑盒和异质目标的He-mops。为此，我们通过利用He-Mops中廉价且昂贵的目标的不同数据集来减轻因评估不同目标而导致的搜索偏见，从而减轻了廉价且昂贵的目标，从而为HE-MOPS开发了多目标贝叶斯进化优化方法。为了充分利用两个不同的培训数据集，一种对所有目标进行评估的解决方案，另一个与仅在快速目标上进行评估的解决方案，构建了两个单独的高斯过程模型。此外，提出了一种新的采集函数，以减轻对快速目标的搜索偏见，从而在收敛与多样性之间达到平衡。我们通过对广泛使用的多/多目标基准问题进行测试来证明该算法的有效性，这些问题被认为是异质昂贵的。

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。

我们考虑使用昂贵的功能评估（也称为实验）的黑匣子多目标优化（MOO）的问题，其中目标是通过最小化实验的总资源成本来近似真正的帕累托解决方案。例如，在硬件设计优化中，我们需要使用昂贵的计算模拟找到权衡性能，能量和面积开销的设计。关键挑战是选择使用最小资源揭示高质量解决方案的实验顺序。在本文中，我们提出了一种基于输出空间熵（OSE）搜索原理来解决MOO问题的一般框架：选择最大化每单位资源成本的信息的实验，这是真正的帕累托前线所获得的信息。我们适当地实例化了OSE搜索的原理，以导出以下四个Moo问题设置的高效算法：1）最基本的EM单一保真设置，实验昂贵且准确; 2）处理EM黑匣子约束}在不执行实验的情况下无法进行评估; 3）离散的多保真设置，实验可以在消耗的资源量和评估准确度时变化; 4）EM连续保真设置，其中连续函数近似导致巨大的实验空间。不同综合和现实世界基准测试的实验表明，基于OSE搜索的算法在既有计算效率和MOO解决方案的准确性方面改进了最先进的方法。

Bayesian Optimization（BO）是全球优化的黑匣子客观功能的方法，这是昂贵的评估。 Bo Powered实验设计在材料科学，化学，实验物理，药物开发等方面发现了广泛的应用。这项工作旨在提请注意应用BO在设计实验中的益处，并提供博手册，涵盖方法和软件，为了方便任何想要申请或学习博的人。特别是，我们简要解释了BO技术，审查BO中的所有应用程序在添加剂制造中，比较和举例说明不同开放BO库的功能，解锁BO的新潜在应用，以外的数据（例如，优先输出）。本文针对读者，了解贝叶斯方法的一些理解，但不一定符合添加剂制造的知识;软件性能概述和实施说明是任何实验设计从业者的乐器。此外，我们在添加剂制造领域的审查突出了博的目前的知识和技术趋势。本文在线拥有补充材料。

Bayesian Optimization is a useful tool for experiment design. Unfortunately, the classical, sequential setting of Bayesian Optimization does not translate well into laboratory experiments, for instance battery design, where measurements may come from different sources and their evaluations may require significant waiting times. Multi-fidelity Bayesian Optimization addresses the setting with measurements from different sources. Asynchronous batch Bayesian Optimization provides a framework to select new experiments before the results of the prior experiments are revealed. This paper proposes an algorithm combining multi-fidelity and asynchronous batch methods. We empirically study the algorithm behavior, and show it can outperform single-fidelity batch methods and multi-fidelity sequential methods. As an application, we consider designing electrode materials for optimal performance in pouch cells using experiments with coin cells to approximate battery performance.

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。

贝叶斯优化是一种全球优化未知和昂贵目标的方法。它结合了替代贝叶斯回归模型与采集函数，以决定在哪里评估目标。典型的回归模型是具有固定协方差函数的高斯流程，但是，该过程无法表达事先的输入依赖性信息，特别是有关最佳位置的信息。固定模型的普遍性导致了通过信息丰富的均值功能利用先验信息的共同实践。在本文中，我们强调说，这些模型会导致性能差，尤其是在高维度中。我们提出了新颖的信息协方差函数，以利用非平稳性来编码搜索空间某些区域的偏好，并在优化期间自适应促进局部探索。我们证明，即使在弱的先验信息下，它们也可以在高维度中提高优化的样本效率。

许多现实世界的科学和工业应用都需要优化多个竞争的黑盒目标。当目标是昂贵的评估时，多目标贝叶斯优化（BO）是一种流行的方法，因为其样品效率很高。但是，即使有了最近的方法学进步，大多数现有的多目标BO方法在具有超过几十个参数的搜索空间上的表现较差，并且依赖于随着观测值数量进行立方体扩展的全局替代模型。在这项工作中，我们提出了Morbo，这是高维搜索空间上多目标BO的可扩展方法。 Morbo通过使用协调策略并行在设计空间的多个局部区域中执行BO来确定全球最佳解决方案。我们表明，Morbo在几种高维综合问题和现实世界应用中的样品效率中的最新效率显着提高，包括光学显示设计问题和146和222参数的车辆设计问题。在这些问题上，如果现有的BO算法无法扩展和表现良好，Morbo为从业者提供了刻度级别的效率，则在当前方法上可以提高样本效率。

强化学习（RL）旨在通过与环境的互动来找到最佳政策。因此，学习复杂行为需要大量的样本，这在实践中可能是持久的。然而，而不是系统地推理和积极选择信息样本，用于本地搜索的政策梯度通常从随机扰动获得。这些随机样品产生高方差估计，因此在样本复杂性方面是次优。积极选择内容性样本是贝叶斯优化的核心，它构成了过去样本的目标的概率替代物，以推理信息的后来的随后。在本文中，我们建议加入两个世界。我们利用目标函数的概率模型及其梯度开发算法。基于该模型，该算法决定查询嘈杂的零顺序oracle以提高梯度估计。生成的算法是一种新型策略搜索方法，我们与现有的黑盒算法进行比较。比较揭示了改进的样本复杂性和对合成目标的广泛实证评估的差异降低。此外，我们突出了主动抽样对流行的RL基准测试的好处。