A methodology is proposed, which addresses the caveat that line-of-sight emission spectroscopy presents in that it cannot provide spatially resolved temperature measurements in nonhomogeneous temperature fields. The aim of this research is to explore the use of data-driven models in measuring temperature distributions in a spatially resolved manner using emission spectroscopy data. Two categories of data-driven methods are analyzed: (i) Feature engineering and classical machine learning algorithms, and (ii) end-to-end convolutional neural networks (CNN). In total, combinations of fifteen feature groups and fifteen classical machine learning models, and eleven CNN models are considered and their performances explored. The results indicate that the combination of feature engineering and machine learning provides better performance than the direct use of CNN. Notably, feature engineering which is comprised of physics-guided transformation, signal representation-based feature extraction and Principal Component Analysis is found to be the most effective. Moreover, it is shown that when using the extracted features, the ensemble-based, light blender learning model offers the best performance with RMSE, RE, RRMSE and R values of 64.3, 0.017, 0.025 and 0.994, respectively. The proposed method, based on feature engineering and the light blender model, is capable of measuring nonuniform temperature distributions from low-resolution spectra, even when the species concentration distribution in the gas mixtures is unknown.

我们研究机器学习（ML）和深度学习（DL）算法的能力，基于地下温度观察推断表面/地面交换通量。观察和助势是由代表哥伦比亚河附近的高分辨率数值模型，位于华盛顿州东南部的能源部汉福德遗址附近。随机测量误差，不同幅度的加入合成温度观察。结果表明，两个ML和DL方法可用于推断表面/地面交换通量。 DL方法，尤其是卷积神经网络，当用于用施加的平滑滤波器解释噪声温度数据时越高。然而，ML方法也表现良好，它们可以更好地识别减少数量的重要观察，这对于测量网络优化也是有用的。令人惊讶的是，M1和DL方法比向下通量更好地推断出向上的助焊剂。这与使用数值模型从温度观测推断出来的先前发现与先前的发现与先前的发现相反，并且可能表明将ML或DL推断的组合使用与数值推断相结合可以改善河流系统下方的助焊剂估计。

随着Terahertz（THZ）信号产生和辐射方法的最新进展，关节通信和传感应用正在塑造无线系统的未来。为此，预计将在用户设备设备上携带THZ光谱，以识别感兴趣的材料和气态组件。 THZ特异性的信号处理技术应补充这种对THZ感应的重新兴趣，以有效利用THZ频带。在本文中，我们介绍了这些技术的概述，重点是信号预处理（标准的正常差异归一化，最小值 - 最大归一化和Savitzky-Golay滤波），功能提取（主成分分析，部分最小二乘，t，T，T部分，t部分，t部分正方形，T - 分布的随机邻居嵌入和非负矩阵分解）和分类技术（支持向量机器，k-nearest邻居，判别分析和天真的贝叶斯）。我们还通过探索他们在THZ频段的有希望的传感能力来解决深度学习技术的有效性。最后，我们研究了在联合通信和传感的背景下，研究方法的性能和复杂性权衡；我们激励相应的用例，并在该领域提供未来的研究方向。

Fruit is a key crop in worldwide agriculture feeding millions of people. The standard supply chain of fruit products involves quality checks to guarantee freshness, taste, and, most of all, safety. An important factor that determines fruit quality is its stage of ripening. This is usually manually classified by experts in the field, which makes it a labor-intensive and error-prone process. Thus, there is an arising need for automation in the process of fruit ripeness classification. Many automatic methods have been proposed that employ a variety of feature descriptors for the food item to be graded. Machine learning and deep learning techniques dominate the top-performing methods. Furthermore, deep learning can operate on raw data and thus relieve the users from having to compute complex engineered features, which are often crop-specific. In this survey, we review the latest methods proposed in the literature to automatize fruit ripeness classification, highlighting the most common feature descriptors they operate on.

机器学习（ML）是指根据大量数据预测有意义的输出或对复杂系统进行分类的计算机算法。 ML应用于各个领域，包括自然科学，工程，太空探索甚至游戏开发。本文的重点是在化学和生物海洋学领域使用机器学习。在预测全球固定氮水平，部分二氧化碳压力和其他化学特性时，ML的应用是一种有前途的工具。机器学习还用于生物海洋学领域，可从各种图像（即显微镜，流车和视频记录器），光谱仪和其他信号处理技术中检测浮游形式。此外，ML使用其声学成功地对哺乳动物进行了分类，在特定的环境中检测到濒临灭绝的哺乳动物和鱼类。最重要的是，使用环境数据，ML被证明是预测缺氧条件和有害藻华事件的有效方法，这是对环境监测的重要测量。此外，机器学习被用来为各种物种构建许多对其他研究人员有用的数据库，而创建新算法将帮助海洋研究界更好地理解海洋的化学和生物学。

Recent years have witnessed a growth in mathematics for deep learning--which seeks a deeper understanding of the concepts of deep learning with mathematics, and explores how to make it more robust--and deep learning for mathematics, where deep learning algorithms are used to solve problems in mathematics. The latter has popularised the field of scientific machine learning where deep learning is applied to problems in scientific computing. Specifically, more and more neural network architectures have been developed to solve specific classes of partial differential equations (PDEs). Such methods exploit properties that are inherent to PDEs and thus solve the PDEs better than classical feed-forward neural networks, recurrent neural networks, and convolutional neural networks. This has had a great impact in the area of mathematical modeling where parametric PDEs are widely used to model most natural and physical processes arising in science and engineering, In this work, we review such methods and extend them for parametric studies as well as for solving the related inverse problems. We equally proceed to show their relevance in some industrial applications.

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。

A deep learning strategy is developed for fast and accurate gas property measurements using flame emission spectroscopy (FES). Particularly, the short-gated fast FES is essential to resolve fast-evolving combustion behaviors. However, as the exposure time for capturing the flame emission spectrum gets shorter, the signal-to-noise ratio (SNR) decreases, and characteristic spectral features indicating the gas properties become relatively weaker. Then, the property estimation based on the short-gated spectrum is difficult and inaccurate. Denoising convolutional neural networks (CNN) can enhance the SNR of the short-gated spectrum. A new CNN architecture including a reversible down- and up-sampling (DU) operator and a loss function based on proper orthogonal decomposition (POD) coefficients is proposed. For training and testing the CNN, flame chemiluminescence spectra were captured from a stable methane-air flat flame using a portable spectrometer (spectral range: 250 - 850 nm, resolution: 0.5 nm) with varied equivalence ratio (0.8 - 1.2), pressure (1 - 10 bar), and exposure time (0.05, 0.2, 0.4, and 2 s). The long exposure (2 s) spectra were used as the ground truth when training the denoising CNN. A kriging model with POD is trained by the long-gated spectra for calibration, and then the prediction of the gas properties taking the denoised short-gated spectrum as the input: The property prediction errors of pressure and equivalence ratio were remarkably lowered in spite of the low SNR attendant with reduced exposure.

从随机字段或纹理中提取信息是科学中无处不在的任务，从探索性数据分析到分类和参数估计。从物理学到生物学，它往往通过功率谱分析来完成，这通常过于有限，或者使用需要大型训练的卷积神经网络（CNNS）并缺乏解释性。在本文中，我们倡导使用散射变换（Mallat 2012），这是一种强大的统计数据，它来自CNNS的数学思想，但不需要任何培训，并且是可解释的。我们表明它提供了一种相对紧凑的汇总统计数据，具有视觉解释，并在广泛的科学应用中携带大多数相关信息。我们向该估算者提供了非技术性介绍，我们认为它可以使数据分析有利于多种科学领域的模型和参数推断。有趣的是，了解散射变换的核心操作允许人们解读CNN的内部工作的许多关键方面。

在概述中，引入了通用数学对象（映射），并解释了其与模型物理参数化的关系。引入了可用于模拟和/或近似映射的机器学习（ML）工具。ML的应用在模拟现有参数化，开发新的参数化，确保物理约束和控制开发应用程序的准确性。讨论了一些允许开发人员超越标准参数化范式的ML方法。

最近，开发了EAGL-I系统是为了迅速创建大量标记的植物数据集，该数据集旨在被农民和研究人员普遍使用，以创建农业中的AI驱动解决方案。结果，由40,000张图像组成的公开植物识别数据集与系统一起创建了由8种植物物种组成的不同尺寸的图像，以证明其能力。本文提出了一种新颖的方法，称为可变重叠的时间连续滑动窗口（fotcsw），该方法将由图像组成的图像转换为具有可变大小的图像的数据集，为3D表示，具有适合卷积神经网络的固定大小，并证明了此表示形式是比将数据集的图像调整到给定尺寸的信息更丰富。我们从理论上正式化了该方法的用例及其固有的属性，我们证明了它对数据具有过采样和正则化效果。通过将Fotcsw方法与最近提出的称为1维多项式神经网络的机器学习模型的3D扩展相结合，我们能够创建一个模型，该模型在数据集中创建的数据集中达到了99.9％的最新精度， EAGL-I系统超过了众所周知的建筑，例如重新系统和启动。此外，我们创建了一种启发式算法，该算法能够降低任何预先训练的N维多项式神经网络，并在不改变其性能的情况下压缩它，从而使模型更快，更轻。此外，我们确定当前可用的数据集无法以目前的形式用于机器学习，这是因为训练集和测试集之间存在很大的类不平衡。因此，我们创建了一个特定的预处理和模型开发框架，使我们能够将准确性从49.23％提高到99.9％。

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。

评估能源转型和能源市场自由化对资源充足性的影响是一种越来越重要和苛刻的任务。能量系统的上升复杂性需要足够的能量系统建模方法，从而提高计算要求。此外，随着复杂性，同样调用概率评估和场景分析同样增加不确定性。为了充分和高效地解决这些各种要求，需要来自数据科学领域的新方法来加速当前方法。通过我们的系统文献综述，我们希望缩小三个学科之间的差距（1）电力供应安全性评估，（2）人工智能和（3）实验设计。为此，我们对所选应用领域进行大规模的定量审查，并制作彼此不同学科的合成。在其他发现之外，我们使用基于AI的方法和应用程序的AI方法和应用来确定电力供应模型的复杂安全性的元素，并作为未充分涵盖的应用领域的储存调度和（非）可用性。我们结束了推出了一种新的方法管道，以便在评估电力供应安全评估时充分有效地解决当前和即将到来的挑战。

映射近场污染物的浓度对于跟踪城市地区意外有毒羽状分散体至关重要。通过求解大部分湍流谱，大型模拟（LES）具有准确表示污染物浓度空间变异性的潜力。找到一种合成大量信息的方法，以提高低保真操作模型的准确性（例如，提供更好的湍流封闭条款）特别有吸引力。这是一个挑战，在多质量环境中，LES的部署成本高昂，以了解羽流和示踪剂分散如何随着各种大气和源参数的变化。为了克服这个问题，我们提出了一个合并正交分解（POD）和高斯过程回归（GPR）的非侵入性降低阶模型，以预测与示踪剂浓度相关的LES现场统计。通过最大的后验（MAP）过程，GPR HyperParameter是通过POD告知的最大后验（MAP）过程来优化组件的。我们在二维案例研究上提供了详细的分析，该案例研究对应于表面安装的障碍物上的湍流大气边界层流。我们表明，障碍物上游的近源浓度异质性需要大量的POD模式才能得到充分捕获。我们还表明，逐组分的优化允许捕获POD模式中的空间尺度范围，尤其是高阶模式中较短的浓度模式。如果学习数据库由至少五十至100个LES快照制成，则可以首先估算所需的预算，以朝着更逼真的大气分散应用程序迈进，因此减少订单模型的预测仍然可以接受。

以知情方式监测和管理地球林是解决生物多样性损失和气候变化等挑战的重要要求。虽然森林评估的传统或空中运动提供了在区域一级分析的准确数据，但将其扩展到整个国家，以外的高度分辨率几乎不可能。在这项工作中，我们提出了一种贝叶斯深度学习方法，以10米的分辨率为全国范围的森林结构变量，使用自由可用的卫星图像作为输入。我们的方法将Sentinel-2光学图像和Sentinel-1合成孔径雷达图像共同变换为五种不同的森林结构变量的地图：95th高度百分位，平均高度，密度，基尼系数和分数盖。我们从挪威的41个机载激光扫描任务中培训和测试我们的模型，并证明它能够概括取消测试区域，从而达到11％和15％之间的归一化平均值误差，具体取决于变量。我们的工作也是第一个提出贝叶斯深度学习方法的工作，以预测具有良好校准的不确定性估计的森林结构变量。这些提高了模型的可信度及其适用于需要可靠的信心估计的下游任务，例如知情决策。我们提出了一组广泛的实验，以验证预测地图的准确性以及预测的不确定性的质量。为了展示可扩展性，我们为五个森林结构变量提供挪威地图。

成像，散射和光谱是理解和发现新功能材料的基础。自动化和实验技术的当代创新导致这些测量更快，分辨率更高，从而产生了大量的分析数据。这些创新在用户设施和同步射击光源时特别明显。机器学习（ML）方法经常开发用于实时地处理和解释大型数据集。然而，仍然存在概念障碍，进入设施一般用户社区，通常缺乏ML的专业知识，以及部署ML模型的技术障碍。在此，我们展示了各种原型ML模型，用于在国家同步光源II（NSLS-II）的多个波束线上在飞行分析。我们谨慎地描述这些示例，专注于将模型集成到现有的实验工作流程中，使得读者可以容易地将它们自己的ML技术与具有普通基础设施的NSLS-II或设施的实验中的实验。此处介绍的框架展示了几乎没有努力，多样化的ML型号通过集成到实验编程和数据管理的现有Blueske套件中与反馈回路一起运行。

在收获前的作物产量的准确预测对于世界各地的作物物流，市场计划和食物分配至关重要。产量预测需要在延长的时间段内监测物候和气候特征，以模拟农作物发育中涉及的复杂关系。绕过世界各种卫星提供的遥感卫星图像是获取数据预测数据的廉价且可靠的方法。目前，收益率预测的领域由深度学习方法主导。尽管使用这些方法达到的精度是有希望的，但所需的数据量和``Black-Box''性质可以限制深度学习方法的应用。可以通过提出一条管道将遥感图像处理为基于特征的表示形式来克服局限性，该图像允许使用极端梯度提升（XGBoost）进行产量预测。与基于深度学习的最先进的收益率预测系统相比，对美国大豆产量预测的比较评估显示出了有希望的预测准确性。特征重要性将近红外光谱视为我们模型中的重要特征。报告的结果暗示了XGBoost进行产量预测的能力，并鼓励将来对XGBoost进行XGBoost的实验，以对世界各地的其他农作物进行产量预测。

通过有效的监控和调整电池操作条件，促进了锂离子电池的寿命和安全性。因此，为电池管理系统上的健康状况（SOH）监测提供快速准确的算法至关重要。由于对电池劣化的复杂性和多种因素的复杂性和多种因素的复杂性，特别是因为不同的劣化过程发生在各种时间尺度，并且它们的相互作用发挥着重要作用。数据驱动方法通过用统计或机器学习模型近似复杂进程来绕过这个问题。本文提出了一种数据驱动方法，在电池劣化的背景下，尽管其简单性和易于计算：多变量分数多项式（MFP）回归。模型从一个耗尽的细胞的历史数据训练，并用于预测其他细胞的SOH。数据的特征在于模拟动态操作条件的载荷变化。考虑了两个假设情景：假设最近的容量测量是已知的，则另一个仅基于标称容量。结果表明，在考虑到电池寿命的电池结束时，通过其历史数据的历史数据受到它们的历史数据的影响，电池的降解行为受到其历史数据的影响。此外，我们提供了一种多因素视角，分析了每个不同因素的影响程度。最后，我们与长期内记忆神经网络和其他来自相同数据集的文献的其他作品进行比较。我们得出结论，MFP回归与当代作品有效和竞争，提供了几种额外的优点。在可解释性，恒定性和可实现性方面。

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。

信号处理是几乎任何传感器系统的基本组件，具有不同科学学科的广泛应用。时间序列数据，图像和视频序列包括可以增强和分析信息提取和量化的代表性形式的信号。人工智能和机器学习的最近进步正在转向智能，数据驱动，信号处理的研究。该路线图呈现了最先进的方法和应用程序的关键概述，旨在突出未来的挑战和对下一代测量系统的研究机会。它涵盖了广泛的主题，从基础到工业研究，以简明的主题部分组织，反映了每个研究领域的当前和未来发展的趋势和影响。此外，它为研究人员和资助机构提供了识别新前景的指导。