基于物理仿真的优化是科学与工程的共同任务。许多这样的模拟产生了所需目标的图像或张量的输出，其中所需的目标是那些输出的函数，并且在高维参数空间上执行优化。我们开发贝叶斯优化方法利用张量的高斯工艺代理和信任区域贝叶斯优化，以有效地模拟图像输出，并有效地优化这些类型的模拟，包括射频塔配置问题和光学设计问题。

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。

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。

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。

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。

贝叶斯优化（BO）是用于全局优化昂贵的黑盒功能的流行范式，但是在许多域中，该函数并不完全是黑色框。数据可能具有一些已知的结构（例如对称性）和/或数据生成过程可能是一个复合过程，除优化目标的值外，还可以产生有用的中间或辅助信息。但是，传统上使用的代孕模型，例如高斯工艺（GPS），随数据集大小的规模较差，并且不容易适应已知的结构。取而代之的是，我们使用贝叶斯神经网络，这是具有感应偏见的一类可扩展和灵活的替代模型，将BO扩展到具有高维度的复杂，结构化问题。我们证明了BO在物理和化学方面的许多现实问题，包括使用卷积神经网络对光子晶体材料进行拓扑优化，以及使用图神经网络对分子进行化学性质优化。在这些复杂的任务上，我们表明，就抽样效率和计算成本而言，神经网络通常优于GP作为BO的替代模型。

在工程和科学的许多领域中，优化多个混合变量，昂贵的黑盒问题的多个非首选目标很重要。这些问题的昂贵，嘈杂，黑盒的性质使它们成为贝叶斯优化（BO）的理想候选者。然而，由于BO的基础平稳的高斯工艺替代模型，混合变量和多目标问题是一个挑战。当前的多目标BO算法无法处理可混合变量的问题。我们提出了MixMobo，这是第一个用于此类问题的混合变量，多目标贝叶斯优化框架。使用MixMobo，可以有效地找到用于多目标，混合变量设计空间的最佳帕累托叶，同时确保多样化的解决方案。该方法足够灵活地结合了不同的内核和采集功能，包括其他作者为混合变量或多目标问题开发的函数。我们还提出了Hedgemo，这是一种修改后的对冲策略，该策略使用采集功能的投资组合来解决多目标问题。我们提出了新的采集功能，SMC。我们的结果表明，MixMobo在合成问题上针对其他可混合变量算法表现良好。我们将MixMobo应用于架构材料的现实世界设计，并表明我们的最佳设计是经过实验制造和验证的，其应变能密度$ 10^4 $ $ 10^4 $ $倍。

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。

Bayesian optimization provides sample-efficient global optimization for a broad range of applications, including automatic machine learning, engineering, physics, and experimental design. We introduce BOTORCH, a modern programming framework for Bayesian optimization that combines Monte-Carlo (MC) acquisition functions, a novel sample average approximation optimization approach, autodifferentiation, and variance reduction techniques. BOTORCH's modular design facilitates flexible specification and optimization of probabilistic models written in PyTorch, simplifying implementation of new acquisition functions. Our approach is backed by novel theoretical convergence results and made practical by a distinctive algorithmic foundation that leverages fast predictive distributions, hardware acceleration, and deterministic optimization. We also propose a novel "one-shot" formulation of the Knowledge Gradient, enabled by a combination of our theoretical and software contributions. In experiments, we demonstrate the improved sample efficiency of BOTORCH relative to other popular libraries.34th Conference on Neural Information Processing Systems (NeurIPS 2020),

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.

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。

寻找可调谐GPU内核的最佳参数配置是一种非普通的搜索空间练习，即使在自动化时也是如此。这在非凸搜索空间上造成了优化任务，使用昂贵的来评估具有未知衍生的函数。这些特征为贝叶斯优化做好了良好的候选人，以前尚未应用于这个问题。然而，贝叶斯优化对这个问题的应用是具有挑战性的。我们演示如何处理粗略的，离散的受限搜索空间，包含无效配置。我们介绍了一种新颖的上下文方差探索因子，以及具有改进的可扩展性的新采集功能，与知识的采集功能选择机制相结合。通过比较我们贝叶斯优化实现对各种测试用例的性能，以及核心调谐器中的现有搜索策略以及其他贝叶斯优化实现，我们证明我们的搜索策略概括了良好的良好，并始终如一地以广泛的保证金更优于其他搜索策略。

本文重点介绍了具有高输出方差的随机模拟器的多目标优化，其中输入空间是有限的，并且目标函数的评估昂贵。我们依靠贝叶斯优化算法，这些算法使用概率模型来对要优化的功能进行预测。所提出的方法是用于估计帕累托最佳溶液的帕累托主动学习（PAL）算法的扩展，该算法使其适合随机环境。我们将其命名为随机模拟器（PAL）的Pareto主动学习。通过数值实验对一组双维，双目标测试问题进行数值实验评估了PAL的表现。与其他基于标量的和随机搜索的方法相比，PAL表现出卓越的性能。

Bayesian Optimization（Bo）是全球优化昂贵的客观功能的框架。古典BO方法假设客观函数是一个黑匣子。但是，有关客观函数计算的内部信息通常可用。例如，在使用模拟优化制造行的吞吐量时，除了整体吞吐量之外，我们还会观察每个工作站等待等待的部件数。最近的BO方法利用此类内部信息显着提高性能。我们称之为这些“灰盒”BO方法，因为它们将客观计算视为部分可观察且甚至可修改，将黑盒方法与所谓的“白盒”的第一原理进行客观函数计算的知识。本教程描述了这些方法，专注于复合物镜功能的博，其中可以观察和选择性地评估饲喂整体目标的单个成分;和多保真博，其中一个人可以通过改变评估oracle的参数来评估目标函数的更便宜的近似。

多代理市场仿真通常用于为下游机器学习或加强学习任务创建环境，例如在部署它们以实时交易之前培训或测试交易策略。在电子交易市场中，只有多个市场参与者的互动导致的价格或体积时间序列通常是直接可观察到的。因此，需要校准多代理市场环境，以使模拟代理的相互作用与历史相互作用导致的时间序列 - 这使得解决高度复杂的大规模优化问题。在本文中，我们提出了一种简单而有效的框架，可以从历史时间序列观测校准多代理市场模拟器参数。首先，我们考虑一个新颖的资格概念，以绕过潜在的不可识别性问题。其次，我们通过Bonferroni校正概括了两个样本的Kolmogorov-Smirnov（K-S）测试，以测试两个高维时间序列分布之间的相似性，这在时间序列样本集之间提供了一个简单但有效的距离度量。第三，我们建议使用贝叶斯优化（BO）和信任区域BO（Turbo）来最小化上述距离度量。最后，我们展示了使用数值实验的框架的效率。

由于其样本效率，贝叶斯优化（BO）已成为处理昂贵的黑匣子优化问题的流行方法，如Quand参数优化（HPO）。最近的实证实验表明，HPO问题的损失景观往往比以前假设的良好良好，即，在最佳的单模和凸起的情况下，如果它可以专注于那些有前途的当地地区，BO框架可能会更有效。在本文中，我们提出了船舶，这是一种双阶段方法，它针对中型配置空间量身定制，因为许多HPO问题中的一个遇到。在第一阶段，我们建立一个可扩展的全球代理模型，随机森林来描述整体景观结构。此外，我们通过上级树结构上的自下而上的方法选择有希望的次区域。在第二阶段，利用该子区域中的本地模型来建议接下来进行评估。实证实验表明，鲍威能够利用典型的HPO问题的结构，并特别吻合来自合成功能和HPO的中型问题。

我们提出了高度可行的帕累托优化（HIPPO） - 批处理采集功能，可实现多目标贝叶斯优化方法有效利用并行处理资源。多目标贝叶斯优化（MOBO）是解决昂贵的黑盒问题的非常有效的工具。但是，大多数主板算法被设计为纯粹的顺序策略，而现有的批次方法对于除最小的批量尺寸以外的所有人都非常昂贵。我们表明，通过通过以相似的预测目标值进行惩罚评估来鼓励批处理多样性，Hippo可以便宜地建立大量的信息观点。我们广泛的实验验证表明，河马至少与现有替代方案一样有效，同时产生的计算开销较低，并易于扩展到比文献中目前支持的批次大小要高得多。此外，我们证明了河马在充满挑战的热交换器设计问题上的应用，这强调了我们高度可行的MOBO方法的现实效用。

贝叶斯优化是黑匣子功能优化的流行框架。多重方法方法可以通过利用昂贵目标功能的低保真表示来加速贝叶斯优化。流行的多重贝叶斯策略依赖于采样政策，这些策略解释了在特定意见下评估目标函数的立即奖励，从而排除了更多的信息收益，这些收益可能会获得更多的步骤。本文提出了一个非侧重多倍数贝叶斯框架，以掌握优化的未来步骤的长期奖励。我们的计算策略具有两步的lookahead多因素采集函数，可最大程度地提高累积奖励，从而测量解决方案的改进，超过了前面的两个步骤。我们证明，所提出的算法在流行的基准优化问题上优于标准的多尺寸贝叶斯框架。

我们考虑使用昂贵的黑盒功能评估优化组合空间（例如，序列，树木和图形）的问题。例如，使用物理实验室实验优化用于药物设计的分子。贝叶斯优化（BO）是一种有效的框架，可以通过智能地选择由学习的代理模型引导的高实用程序的输入来解决这些问题。最近用于组合空间的BO方法是通过使用深生成模型（DGMS）学习结构的潜在表示来减少到连续空间。从连续空间的所选输入被解码为用于执行功能评估的离散结构。然而，潜在空间上的代理模型仅使用DGM学习的信息，这可能不具有所需的感应偏压来近似于目标黑盒功能。为了克服这篇缺点，本文提出了一种原则方法，称为梯子。关键的想法是定义一种新颖的结构耦合内核，该内核明确地将结构信息与解码结构与学习的潜空间表示进行了解，以获得更好的代理建模。我们对现实世界基准测试的实验表明，梯子显着改善了纬度的潜伏空间方法，并表现出更好或更好地与最先进的方法。

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。