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。

顺序蒙特卡洛（SMC）是状态空间模型的推理算法，通过从一系列中间目标分布进行采样来近似后验。目标分布通常被选择为过滤分布，但是这些忽略了未来观察结果的信息，从而导致推理和模型学习的实际和理论局限性。我们介绍了SIXO，这种方法将学习近似平滑分布的目标，并结合了所有观测值的信息。关键思想是使用密度比估计来拟合将过滤分布扭曲到平滑分布中的功能。然后，我们将SMC与这些学习的目标一起使用，以定义模型和建议学习的变异目标。六体的产量可证明更紧密的对数边缘下限，并在各种域中提供了更准确的后验推断和参数估计。

我们提出了一种在线状态估计和参数学习中的变异方法（SSMS），这是一种无处不在的序列数据的潜在变量模型。根据标准批处理变异技术，我们使用随机梯度同时优化对数模型参数的对数证据的下限和状态后分布的变异近似。但是，与现有方法不同，我们的方法能够完全在线运作，因此，尽管联合后分布的维度越来越不断增长，但在合并后不需要重新审视，并且在每个时间步骤中的更新成本保持恒定国家。这是通过利用该联合后验分布及其变异近似的向后分解，并与贝尔曼型递归相结合的证据下限及其梯度来实现。我们在几个示例中证明了该方法的性能，包括高维SSM和顺序变异自动编码器。

变分推理（VI）与贝叶斯非线性滤波相结合，为潜在时间序列建模产生最先进的结果。最近的工作中的一个身体专注于序贯蒙特卡罗（SMC）及其变体，例如，前向滤波后仿真（FFBSI）。虽然这些研究成功了，但严重的问题仍然存在于粒子退化和偏见的渐变估计中。在本文中，我们提出了Enemble Kalman变分目标（ENKO），VI的混合方法和集合卡尔曼滤波器（ENKF），以推断出状态空间模型（SSMS）。我们所提出的方法可以有效地识别潜在动力学，因为其粒子多样性和无偏梯度估计值。我们展示了我们的ENKO在三个基准非线性系统识别任务的预测能力和粒子效率方面优于基于SMC的方法。

高斯过程状态空间模型通过在转换功能上放置高斯过程来以原则方式捕获复杂的时间依赖性。这些模型具有自然的解释，作为离散的随机微分方程，但困难的长期序列的推断是困难的。快速过渡需要紧密离散化，而慢速转换需要在长副图层上备份梯度。我们提出了一种由多个组件组成的新型高斯过程状态空间架构，每个组件都培训不同的分辨率，以对不同时间尺度进行模拟效果。组合模型允许在自适应刻度上进行时间进行时间，为具有复杂动态的任意长序列提供有效推断。我们在半合成数据和发动机建模任务上基准我们的新方法。在这两个实验中，我们的方法对其最先进的替代品仅比单一时间级运行的最先进的替代品。

许多机器学习问题可以在估计功能的背景下构成，并且通常是时间依赖的功能，随着观察结果的到来，这些功能是实时估计的。高斯工艺（GPS）是建模实现非线性函数的吸引人选择，这是由于其灵活性和不确定性定量。但是，典型的GP回归模型有几个缺点：1）相对于观测值的常规GP推理量表$ O（n^{3}）$； 2）顺序更新GP模型并非微不足道； 3）协方差内核通常在该函数上执行平稳性约束，而具有非平稳协方差内核的GP通常在实践中使用了很难使用。为了克服这些问题，我们提出了一种顺序的蒙特卡洛算法，以适合GP的无限混合物，这些混合物捕获非平稳行为，同时允许在线分布式推理。我们的方法从经验上改善了在时间序列数据中存在非平稳性的在线GP估计的最先进方法的性能。为了证明我们在应用设置中提出的在线高斯流程混合物方法的实用性，我们表明我们可以使用在线高斯工艺匪徒成功实现优化算法。

最近的机器学习进展已直接从数据中直接提出了对未知连续时间系统动力学的黑盒估计。但是，较早的作品基于近似ODE解决方案或点估计。我们提出了一种新型的贝叶斯非参数模型，该模型使用高斯工艺直接从数据中直接从数据中推断出未知ODE系统的后代。我们通过脱钩的功能采样得出稀疏的变异推断，以表示矢量场后代。我们还引入了一种概率的射击增强，以从任意长的轨迹中有效推断。该方法证明了计算矢量场后代的好处，预测不确定性得分优于多个ODE学习任务的替代方法。

准确的动力学模型在许多机器人技术应用程序（例如越野导航和高速驾驶）中起着至关重要的作用。然而，学习随机运动动力学模型的许多最先进的方法需要对机器人状态作为标记的输入/输出示例进行精确测量，由于传感器功能有限，并且缺乏地面真相，在室外设置中可能很难获得。 。在这项工作中，我们提出了一种新技术，用于通过执行同时进行状态估计和动力学学习，从嘈杂和间接观察中学习神经随机的动力学模型。所提出的技术迭代地改善了预期最大化环路中的动力学模型，其中E步骤采样了使用粒子过滤的后状态轨迹，并且M步骤更新动力学，以使通过随机梯度上升的采样轨迹更加一致。我们在模拟和实际基准测试中评估了我们的方法，并将其与几种基线技术进行比较。我们的方法不仅达到了更高的精度，而且对观察噪声也更加强大，从而显示出有望提高许多其他机器人应用的性能。

粒子过滤是针对多种顺序推断任务的标准蒙特卡洛方法。粒子过滤器的关键成分是一组具有重要性权重的粒子，它们可以作为某些随机过程的真实后验分布的代理。在这项工作中，我们提出了连续的潜在粒子过滤器，该方法将粒子过滤扩展到连续时域。我们证明了如何将连续的潜在粒子过滤器用作依赖于学到的变异后验的推理技术的通用插件替换。我们对基于潜在神经随机微分方程的不同模型家族进行的实验表明，在推理任务中，连续时间粒子滤波在推理任务中的卓越性能，例如似然估计和各种随机过程的顺序预测。

有效推论是一种数学框架，它起源于计算神经科学，作为大脑如何实现动作，感知和学习的理论。最近，已被证明是在不确定性下存在国家估算和控制问题的有希望的方法，以及一般的机器人和人工代理人的目标驱动行为的基础。在这里，我们审查了最先进的理论和对国家估计，控制，规划和学习的积极推断的实现;描述当前的成就，特别关注机器人。我们展示了相关实验，以适应，泛化和稳健性而言说明其潜力。此外，我们将这种方法与其他框架联系起来，并讨论其预期的利益和挑战：使用变分贝叶斯推理具有功能生物合理性的统一框架。

它已被广泛记录说粒子过滤器中的采样和重采样步骤不能差异化。介绍{\ itshape Reparameterisisisisisation技巧}以允许采样步骤重新重整为可微分功能。我们扩展{\ itshape Reparameterisisisation Trick}以包括重采样的随机输入，因此在此步骤之后限制了梯度计算中的不连续性。了解先前和可能性的梯度允许我们运行粒子马尔可夫链蒙特卡罗（P-MCMC）并在估算参数时使用No-U转样采样器（螺母）作为提案。我们将大都市调整后的Langevin算法（MALA）进行比较，汉密尔顿蒙特卡罗与不同数量的步骤和坚果。我们考虑两个状态空间模型，并表明坚果改善了马尔可夫链的混合，可以在较少的计算时间内产生更准确的结果。

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。

How can we perform efficient inference and learning in directed probabilistic models, in the presence of continuous latent variables with intractable posterior distributions, and large datasets? We introduce a stochastic variational inference and learning algorithm that scales to large datasets and, under some mild differentiability conditions, even works in the intractable case. Our contributions is two-fold. First, we show that a reparameterization of the variational lower bound yields a lower bound estimator that can be straightforwardly optimized using standard stochastic gradient methods. Second, we show that for i.i.d. datasets with continuous latent variables per datapoint, posterior inference can be made especially efficient by fitting an approximate inference model (also called a recognition model) to the intractable posterior using the proposed lower bound estimator. Theoretical advantages are reflected in experimental results.

The kernel function and its hyperparameters are the central model selection choice in a Gaussian proces (Rasmussen and Williams, 2006). Typically, the hyperparameters of the kernel are chosen by maximising the marginal likelihood, an approach known as Type-II maximum likelihood (ML-II). However, ML-II does not account for hyperparameter uncertainty, and it is well-known that this can lead to severely biased estimates and an underestimation of predictive uncertainty. While there are several works which employ a fully Bayesian characterisation of GPs, relatively few propose such approaches for the sparse GPs paradigm. In this work we propose an algorithm for sparse Gaussian process regression which leverages MCMC to sample from the hyperparameter posterior within the variational inducing point framework of Titsias (2009). This work is closely related to Hensman et al. (2015b) but side-steps the need to sample the inducing points, thereby significantly improving sampling efficiency in the Gaussian likelihood case. We compare this scheme against natural baselines in literature along with stochastic variational GPs (SVGPs) along with an extensive computational analysis.

本文提出了一种有效的变分推导框架，用于导出结构化高斯进程回归网络（SGPRN）模型的系列。关键的想法是将辅助诱导变量合并到潜在函数中，并共同处理诱导变量和超参数的分布作为变分参数。然后，我们提出了结构化可变分布和边缘化潜变量，这使得可分解的变分性下限并导致随机优化。我们推断方法能够建模数据，其中输出不共享具有与输入和输出大小无关的计算复杂性的公共输入集，因此容易处理具有缺失值的数据集。我们说明了我们对合成数据和真实数据集的方法的性能，并显示我们的模型通常提供比最先进的数据缺失数据的更好的估算结果。我们还提供了一种可视化方法，用于电职业学数据的输出中的输出的时变相关性，并且这些估计提供了了解神经群体动态的洞察力。

神经随机微分方程（NSDES）模拟随机过程作为神经网络的漂移和扩散函数。尽管已知NSDE可以进行准确的预测，但到目前为止，其不确定性定量属性仍未探索。我们报告了经验发现，即从NSDE获得良好的不确定性估计是计算上的过度估计。作为一种补救措施，我们开发了一种计算负担得起的确定性方案，该方案在动力学受NSD管辖时准确地近似过渡内核。我们的方法引入了匹配算法的二维力矩：沿着神经净层和沿时间方向水平的垂直力，这受益于有效近似的原始组合。我们对过渡内核的确定性近似适用于培训和预测。我们在多个实验中观察到，我们方法的不确定性校准质量只有在引入高计算成本后才通过蒙特卡洛采样来匹配。由于确定性培训的数值稳定性，我们的方法还提高了预测准确性。

在本文中，我们提出了一种基于模型的增强学习（MBRL）算法，称为\ emph {Monte Carlo概率的学习控制}（MC-PILCO）。该算法依赖于高斯流程（GPS）来对系统动力学进行建模以及蒙特卡洛方法以估计策略梯度。这定义了一个框架，在该框架中，我们可以在其中选择以下组件的选择：（i）成本函数的选择，（ii）使用辍学的策略优化，（iii）通过在使用中的结构内核来提高数据效率GP型号。上述方面的组合会极大地影响MC-PILCO的性能。在模拟卡车杆环境中的数值比较表明，MC-PILCO具有更好的数据效率和控制性能W.R.T.最先进的基于GP的MBRL算法。最后，我们将MC-PILCO应用于实际系统，考虑到具有部分可测量状态的特定系统。我们讨论了在策略优化过程中同时建模测量系统和国家估计器的重要性。已在模拟和两个真实系统（Furuta pendulum和一个球形式钻机）中测试了所提出的溶液的有效性。

我们制定自然梯度变推理（VI），期望传播（EP），和后线性化（PL）作为牛顿法用于优化贝叶斯后验分布的参数扩展。这种观点明确地把数值优化框架下的推理算法。我们表明，通用近似牛顿法从优化文献，即高斯 - 牛顿和准牛顿方法（例如，该BFGS算法），仍然是这种“贝叶斯牛顿”框架下有效。这导致了一套这些都保证以产生半正定协方差矩阵，不像标准VI和EP新颖算法。我们统一的观点提供了新的见解各种推理方案之间的连接。所有提出的方法适用于具有高斯事先和非共轭的可能性，这是我们与（疏）高斯过程和状态空间模型展示任何模型。

Multi-object state estimation is a fundamental problem for robotic applications where a robot must interact with other moving objects. Typically, other objects' relevant state features are not directly observable, and must instead be inferred from observations. Particle filtering can perform such inference given approximate transition and observation models. However, these models are often unknown a priori, yielding a difficult parameter estimation problem since observations jointly carry transition and observation noise. In this work, we consider learning maximum-likelihood parameters using particle methods. Recent methods addressing this problem typically differentiate through time in a particle filter, which requires workarounds to the non-differentiable resampling step, that yield biased or high variance gradient estimates. By contrast, we exploit Fisher's identity to obtain a particle-based approximation of the score function (the gradient of the log likelihood) that yields a low variance estimate while only requiring stepwise differentiation through the transition and observation models. We apply our method to real data collected from autonomous vehicles (AVs) and show that it learns better models than existing techniques and is more stable in training, yielding an effective smoother for tracking the trajectories of vehicles around an AV.

高斯过程中的变量选择（GPS）通常通过阈值平衡“自动相关性确定”内核的逆宽度，但在高维数据集中，这种方法可能是不可靠的。更概率的原则性的替代方案是使用尖峰和平板前沿并推断可变包裹物的后验概率。但是，GPS中的现有实现是以高维和大量$ N $数据集运行的昂贵，或者对于大多数内核都是棘手的。因此，我们为具有任意微分内核的秒杀和平板GP开发了一种快速且可扩展的变分推理算法。我们提高了算法通过贝叶斯模型对普遍存在的模型进行平均来适应相关变量的稀疏性的能力，并使用零温度后部限制，辍学灌注和最近的邻米匹配来实现大量速度UPS。在实验中，我们的方法始终如一地优于Vanilla和稀疏变分的GPS，同时保留类似的运行时间（即使是N = 10 ^ 6美元），并且使用MCMC使用Spike和Slab GP竞争地执行，但速度最高可达1000美元。