Beam parameter optimization in accelerators involves multiple, sometimes competing objectives. Condensing these individual objectives into a single figure of merit unavoidably results in a bias towards particular outcomes, in absence of prior knowledge often in a non-desired way. Finding an optimal objective definition then requires operators to iterate over many possible objective weights and definitions, a process that can take many times longer than the optimization itself. A more versatile approach is multi-objective optimization, which establishes the trade-off curve or Pareto front between objectives. Here we present the first results on multi-objective Bayesian optimization of a simulated laser-plasma accelerator. We find that multi-objective optimization reaches comparable performance to its single-objective counterparts while allowing for instant evaluation of entirely new objectives. This dramatically reduces the time required to find appropriate objective definitions for new problems. Additionally, our multi-objective, multi-fidelity method reduces the time required for an optimization run by an order of magnitude. It does so by dynamically choosing simulation resolution and box size, requiring fewer slow and expensive simulations as it learns about the Pareto-optimal solutions from fast low-resolution runs. The techniques demonstrated in this paper can easily be translated into many different computational and experimental use cases beyond accelerator optimization.

贝叶斯优化已被证明是优化昂贵至尊评估系统的有效方法。然而，根据单一观察的成本，一个或多个目标的多维优化可能仍然是昂贵的。多保真优化通过包括多个更便宜的信息来源，例如数值模拟中的低分辨率近似来解决这个问题。用于多保真优化的采集功能通常基于勘探重算法，这些算法难以与多种目标的优化结合。在这里，我们认为预期的超越改善政策可以在许多情况下作为合适的替代品起作用。我们通过两步评估或在单个采集函数内纳入评估成本，额外的保真相关目标。这允许同时多目标和多保真优化，这允许以分数成本准确地建立帕累托集和前部。基准显示成本降低了一个数量级或更多的顺序。因此，我们的方法允许极其膨胀的黑盒功能进行静态优化。在现有的优化贝叶斯优化框架中实现了本方法简单且直接，可以立即扩展到批量优化。该技术还可用于组合不同的连续和/或离散保真度尺寸，这使得它们特别相关地与等离子体物理，流体动力学和许多科学计算分支中的模拟问题相关。

贝叶斯优化提供了一种优化昂贵黑匣子功能的有效方法。它最近已应用于流体动力学问题。本文研究并在一系列合成测试函数上从经验上比较了常见的贝叶斯优化算法。它研究了采集函数和训练样本数量的选择，采集功能的精确计算以及基于蒙特卡洛的方法以及单点和多点优化。该测试功能被认为涵盖了各种各样的挑战，因此是理想的测试床，以了解贝叶斯优化的性能，并确定贝叶斯优化表现良好和差的一般情况。这些知识可以用于应用程序中，包括流体动力学的知识，这些知识是未知的。这项调查的结果表明，要做出的选择与相对简单的功能不相关，而乐观的采集功能（例如上限限制）应首选更复杂的目标函数。此外，蒙特卡洛方法的结果与分析采集函数的结果相当。在目标函数允许并行评估的情况下，多点方法提供了更快的替代方法，但它可能需要进行更多的客观函数评估。

由于其良好的特性，诸如高强度重量比，设计灵活性，限量的应力浓度，平面力传递，良好损害耐受性和疲劳性，因此越来越多地应用于各种应用的各种应用。寻找粘合剂粘合过程的最佳过程参数是具有挑战性的：优化是固有的多目标（旨在最大限度地提高断裂强度，同时最小化成本）和受约束（该过程不应导致材料的任何视觉损坏，应应对压力测试不会导致粘附相关的故障。实验室中的现实生活实验需要昂贵;由于评估所需的禁止的实验，传统的进化方法（如遗传算法）被否则适合解决问题。在本研究中，我们成功地应用了特定的机器学习技术（高斯过程回归和逻辑回归），以基于有限量的实验数据来模拟目标和约束函数。该技术嵌入贝叶斯优化算法中，该算法成功地以高效的方式检测静态过程设置（即，需要有限数量的额外实验）。

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。

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。

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。

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。

在处理多点测量时，即传统的黑盒优化方法效率低下，即，当控制域中的每个查询需要在次级域中的一组测量以计算目标时。在粒子加速器中，四极扫描的发射率调整是具有多点测量的优化示例。尽管发射率是高亮度机器（包括X射线激光器和线性碰撞者）的性能的关键参数，但综合优化通常受到调整所需的时间的限制。在这里，我们将最近提供的贝叶斯算法执行（BAX）扩展到具有多点测量的优化任务。 BAX通过在关节控制测量域中选择和建模各个点来实现样品效率。我们将BAX应用于Linac相干光源（LCLS）和晚期加速器实验测试II（Facet-II）粒子加速器的设施。在LCLS模拟环境中，我们表明BAX的效率提高了20倍，同时与传统优化方法相比，噪声也更强。此外，我们在LCLS和facet-II上运行了Bax，与Facet-II的手工调整发射率相匹配，并获得了比LCLS在LCLS上获得的最佳发射率低24％。我们预计我们的方法很容易适应其他类型的优化问题，这些优化问题涉及科学仪器中常见的多点测量。

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。

由于强烈的非线性系统行为和多个竞争目标，能源系统优化问题很复杂，例如，经济增益与环境影响。此外，大量输入变量和不同的变量类型，例如，连续和分类，是现实世界应用中常见的挑战。在某些情况下，提出的最佳解决方案需要遵守与物理性质或安全关键操作条件相关的显式输入限制。本文提出了一种新的数据驱动策略，使用树集合用于对黑匣子问题的约束多目标优化，与模型或未知的基础系统动态太复杂的异构变量空间。在由合成基准和相关能源应用组成的广泛案例研究中，我们展示了与其他最先进的工具相比，所提出的算法的竞争性能和采样效率，使其成为一个有用的全能解决方案 - 世界申请有限评价预算。

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。

可以将多任务学习（MTL）范例追溯到Caruana（1997）的早期纸张中，其中表示可以使用来自多个任务的数据，其目的是在独立地学习每个任务的旨在获得更好的性能。 MTL与相互矛盾的目标的解决方案需要在它们中进行折衷，这通常超出了直线组合可以实现的。理论上原则和计算有效的策略正在寻找不受他人主导的解决方案，因为它在帕累托分析中解决了它。多任务学习环境中产生的多目标优化问题具有特定的功能，需要adhoc方法。对这些特征的分析和新的计算方法的提议代表了这项工作的重点。多目标进化算法（MOEAS）可以容易地包括优势的概念，因此可以分析。 MOEAS的主要缺点是关于功能评估的低样本效率。此缺点的关键原因是大多数进化方法不使用模型来近似于目标函数。贝叶斯优化采用基于代理模型的完全不同的方法，例如高斯过程。在本文中，输入空间中的解决方案表示为封装功能评估中包含的知识的概率分布。在这种概率分布的空间中，赋予由Wassersein距离给出的度量，可以设计一种新的算法MOEA / WST，其中模型不直接在目标函数上，而是在输入空间中的对象的中间信息空间中被映射成直方图。计算结果表明，MoEA / WST提供的样品效率和帕累托集的质量明显优于标准MoEa。

在2015年和2019年之间，地平线的成员2020年资助的创新培训网络名为“Amva4newphysics”，研究了高能量物理问题的先进多变量分析方法和统计学习工具的定制和应用，并开发了完全新的。其中许多方法已成功地用于提高Cern大型Hadron撞机的地图集和CMS实验所执行的数据分析的敏感性;其他几个人，仍然在测试阶段，承诺进一步提高基本物理参数测量的精确度以及新现象的搜索范围。在本文中，在研究和开发的那些中，最相关的新工具以及对其性能的评估。

Explicitly accounting for uncertainties is paramount to the safety of engineering structures. Optimization which is often carried out at the early stage of the structural design offers an ideal framework for this task. When the uncertainties are mainly affecting the objective function, robust design optimization is traditionally considered. This work further assumes the existence of multiple and competing objective functions that need to be dealt with simultaneously. The optimization problem is formulated by considering quantiles of the objective functions which allows for the combination of both optimality and robustness in a single metric. By introducing the concept of common random numbers, the resulting nested optimization problem may be solved using a general-purpose solver, herein the non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II). The computational cost of such an approach is however a serious hurdle to its application in real-world problems. We therefore propose a surrogate-assisted approach using Kriging as an inexpensive approximation of the associated computational model. The proposed approach consists of sequentially carrying out NSGA-II while using an adaptively built Kriging model to estimate the quantiles. Finally, the methodology is adapted to account for mixed categorical-continuous parameters as the applications involve the selection of qualitative design parameters as well. The methodology is first applied to two analytical examples showing its efficiency. The third application relates to the selection of optimal renovation scenarios of a building considering both its life cycle cost and environmental impact. It shows that when it comes to renovation, the heating system replacement should be the priority.

机器学习方法的最新进展以及扫描探针显微镜（SPMS）的可编程接口的新兴可用性使自动化和自动显微镜在科学界的关注方面推向了最前沿。但是，启用自动显微镜需要开发特定于任务的机器学习方法，了解物理发现与机器学习之间的相互作用以及完全定义的发现工作流程。反过来，这需要平衡领域科学家的身体直觉和先验知识与定义实验目标和机器学习算法的奖励，这些算法可以将它们转化为特定的实验协议。在这里，我们讨论了贝叶斯活跃学习的基本原理，并说明了其对SPM的应用。我们从高斯过程作为一种简单的数据驱动方法和对物理模型的贝叶斯推断作为基于物理功能的扩展的贝叶斯推断，再到更复杂的深内核学习方法，结构化的高斯过程和假设学习。这些框架允许使用先验数据，在光谱数据中编码的特定功能以及在实验过程中表现出的物理定律的探索。讨论的框架可以普遍应用于结合成像和光谱，SPM方法，纳米识别，电子显微镜和光谱法以及化学成像方法的所有技术，并且对破坏性或不可逆测量的影响特别影响。

由于评估成本函数的费用（例如，使用计算流体动力学）来确定表面控制所需的性能，因此通常不可能找到流体动力或空气动力表面的最佳设计。此外，由于强加的几何限制，常规的参数化方法和用户偏见，设计空间本身的固有局限性可以限制所选设计空间内设计的{\ IT}，而不管传统的优化方法还是较新的，数据驱动的方法使用机器学习的设计算法用于搜索设计空间。我们提出了2条攻击来解决这些困难：我们提出了（1）一种方法，可以使用变形创建设计空间，我们称之为{\ it by-morphing}（dbm）; （2）一种优化算法，用于搜索使用新型贝叶斯优化（BO）策略的空间，我们称之为{\ it混合变量，多目标贝叶斯优化}（MixMobo）。我们采用这种形状优化策略来最大程度地提高基本动力学涡轮的功率输出。在同时应用这两种策略，我们证明我们可以创建一个新颖的，几何毫无约束的设计空间和轮毂形状的设计空间，然后通过{\ it最低}成本函数的数量来同时优化它们。我们的框架是多功能的，可以应用于各种流体问题的形状优化。

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.

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。

软件配置调整对于优化给定的性能目标（例如，最小化延迟）至关重要。然而，由于软件的本质上复杂的配置景观和昂贵的测量，成功存在相当轻微的成功，特别是在防止搜索被困在本地Optima中。为了解决这个问题，在本文中，我们采取了不同的视角。除了专注于改进优化器，而不是专注于优化模型的水平，并提出了一种META多象化（MMO）模型，其考虑辅助性能目标（例如，除了延迟之外的吞吐率）。是什么让这个型号独特的是我们没有优化辅助性能目标，而是使用它来类似地进行，而不同的配置较差的不同（即，彼此Nondominize的Pareto），从而防止搜索被困在本地Optima中。重要的是，通过一种新的常规化方法，我们展示了如何有效地使用MMO模型而不担心其重量 - 可能影响其有效性的唯一但高度敏感的参数。来自11个现实世界软件系统/环境的22例实验证实，我们的MMO模型具有新的归一化的MMO模型在82％的情况下比其最先进的单一目标对应物更好，同时实现高达2.09倍的加速。对于67％的病例，新的归一化也使MMO模型能够在使用我们之前的FSE工作中使用的正常化时优于实例，以便在预先调整的最佳重量下，节省了大量资源找到一个很好的重量。我们还表明，具有新标准化的MMO模型可以整合闪存，最近的基于模型的调音工具，在68％的情况下，一般的加速1.22倍。