Configurable software systems are employed in many important application domains. Understanding the performance of the systems under all configurations is critical to prevent potential performance issues caused by misconfiguration. However, as the number of configurations can be prohibitively large, it is not possible to measure the system performance under all configurations. Thus, a common approach is to build a prediction model from a limited measurement data to predict the performance of all configurations as scalar values. However, it has been pointed out that there are different sources of uncertainty coming from the data collection or the modeling process, which can make the scalar predictions not certainly accurate. To address this problem, we propose a Bayesian deep learning based method, namely BDLPerf, that can incorporate uncertainty into the prediction model. BDLPerf can provide both scalar predictions for configurations' performance and the corresponding confidence intervals of these scalar predictions. We also develop a novel uncertainty calibration technique to ensure the reliability of the confidence intervals generated by a Bayesian prediction model. Finally, we suggest an efficient hyperparameter tuning technique so as to train the prediction model within a reasonable amount of time whilst achieving high accuracy. Our experimental results on 10 real-world systems show that BDLPerf achieves higher accuracy than existing approaches, in both scalar performance prediction and confidence interval estimation.

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。

当数据稀缺时，元学习可以通过利用相关的学习任务的先前经验来提高学习者的准确性。然而，现有方法具有不可靠的不确定性估计，通常过于自信。解决这些缺点，我们介绍了一个名为F-PACOH的新型元学习框架，该框架称为F-PACOH，该框架将Meta学习的前沿视为随机过程，并直接在函数空间中执行元级正则化。这使我们能够直接转向元学习者在元区域训练数据区域中对高至少认知不确定性的概率预测，从而获得良好的不确定性估计。最后，我们展示了我们的方法如何与顺序决策集成，其中可靠的不确定性量化是必要的。在我们对贝叶斯优化（BO）的元学习的基准研究中，F-PACOH显着优于所有其他元学习者和标准基线。

Deep Neural Networks (DNN) are increasingly used as components of larger software systems that need to process complex data, such as images, written texts, audio/video signals. DNN predictions cannot be assumed to be always correct for several reasons, among which the huge input space that is dealt with, the ambiguity of some inputs data, as well as the intrinsic properties of learning algorithms, which can provide only statistical warranties. Hence, developers have to cope with some residual error probability. An architectural pattern commonly adopted to manage failure-prone components is the supervisor, an additional component that can estimate the reliability of the predictions made by untrusted (e.g., DNN) components and can activate an automated healing procedure when these are likely to fail, ensuring that the Deep Learning based System (DLS) does not cause damages, despite its main functionality being suspended. In this paper, we consider DLS that implement a supervisor by means of uncertainty estimation. After overviewing the main approaches to uncertainty estimation and discussing their pros and cons, we motivate the need for a specific empirical assessment method that can deal with the experimental setting in which supervisors are used, where the accuracy of the DNN matters only as long as the supervisor lets the DLS continue to operate. Then we present a large empirical study conducted to compare the alternative approaches to uncertainty estimation. We distilled a set of guidelines for developers that are useful to incorporate a supervisor based on uncertainty monitoring into a DLS.

量化监督学习模型的不确定性在制定更可靠的预测方面发挥着重要作用。认知不确定性，通常是由于对模型的知识不足，可以通过收集更多数据或精炼学习模型来减少。在过去的几年里，学者提出了许多认识的不确定性处理技术，这些技术可以大致分为两类，即贝叶斯和集合。本文对过去五年来提供了对监督学习的认识性不确定性学习技术的全面综述。因此，我们首先，将认知不确定性分解为偏见和方差术语。然后，介绍了认知不确定性学习技术以及其代表模型的分层分类。此外，提出了几种应用，例如计算机视觉（CV）和自然语言处理（NLP），然后讨论研究差距和可能的未来研究方向。

非常希望知道模型的预测是多么不确定，特别是对于复杂的模型和难以理解的模型，如深度学习。虽然在扩散加权MRI中使用深度学习方法，但事先作品没有解决模型不确定性的问题。在这里，我们提出了一种深入的学习方法来估计扩散张量并计算估计不确定性。数据相关的不确定性由网络直接计算，并通过损耗衰减学习。使用Monte Carlo辍学来计算模型不确定性。我们还提出了一种评估预测不确定性的质量的新方法。我们将新方法与标准最小二乘张量估计和基于引导的不确定性计算技术进行比较。我们的实验表明，当测量数量小时，深度学习方法更准确，并且其不确定性预测比标准方法更好地校准。我们表明，新方法计算的估计不确定性可以突出显示模型的偏置，检测域移位，并反映测量中的噪声强度。我们的研究表明了基于深度学习的扩散MRI分析中建模预测不确定性的重要性和实际价值。

深度神经网络是各种任务的强大预测因子。但是，它们不会直接捕捉不确定性。使用神经网络集合来量化不确定性与基于贝叶斯神经网络的方法具有竞争力，同时受益于更好的计算可扩展性。然而，神经网络的构建集合是一个具有挑战性的任务，因为除了为整个集合的每个成员选择正确的神经结构或超参数之外，还有增加训练每个模型的成本。我们提出了一种自动化方法，用于生成深神经网络的集合。我们的方法利用联合神经结构和封锁统计数据搜索来生成合奏。我们使用总方差定律来分解深度集成的预测方差，进入炼层（数据）和认知（模型）的不确定性。我们展示了AutodeUQ优于概率的概率BackProjagation，Monte Carlo辍学，深组合，无分配的集合以及多元回归基准的超集合方法。

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。

现代深度学习方法构成了令人难以置信的强大工具，以解决无数的挑战问题。然而，由于深度学习方法作为黑匣子运作，因此与其预测相关的不确定性往往是挑战量化。贝叶斯统计数据提供了一种形式主义来理解和量化与深度神经网络预测相关的不确定性。本教程概述了相关文献和完整的工具集，用于设计，实施，列车，使用和评估贝叶斯神经网络，即使用贝叶斯方法培训的随机人工神经网络。

贝叶斯优化是一种过程，允许获得黑盒功能的全局最佳功能，并且在超参数优化等应用中有用。在目标函数的形状上估计的不确定性估计是引导优化过程的工具。但是，如果客观函数违反基础模型（例如，高斯）的假设，这些估计可能是不准确的。我们提出了一种简单的算法，可以通过目标函数校准后部分布的不确定性作为贝叶斯型优化过程的一部分。我们表明，通过提高校准后分布的不确定性估计，贝叶斯优化使得更好的决策并以较少的步骤到达全球最佳。我们表明，该技术提高了贝叶斯优化对标准基准函数和超参数优化任务的性能。

目前，难以获得贝叶斯方法深入学习的好处，这允许明确的知识规范，准确地捕获模型不确定性。我们呈现先前数据拟合网络（PFN）。 PFN利用大规模机器学习技术来近似一组一组后索。 PFN唯一要求工作的要求是能够从先前分配通过监督的学习任务（或函数）来采样。我们的方法将后近似的目标重新定为具有带有值的输入的监督分类问题：它反复从先前绘制任务（或功能），从中绘制一组数据点及其标签，掩盖其中一个标签并学习基于其余数据点的设定值输入对其进行概率预测。呈现来自新的监督学习任务的一组样本作为输入，PFNS在单个前向传播中对任意其他数据点进行概率预测，从而学习到近似贝叶斯推断。我们展示了PFN可以接近完全模仿高斯过程，并且还可以实现高效的贝叶斯推理对难以处理的问题，与当前方法相比，多个设置中有超过200倍的加速。我们在非常多样化的地区获得强烈的结果，如高斯过程回归，贝叶斯神经网络，小型表格数据集的分类，以及少量图像分类，展示了PFN的一般性。代码和培训的PFN在https://github.com/automl/transformerscandobayesianinference发布。

在过去几十年中，已经提出了各种方法，用于估计回归设置中的预测间隔，包括贝叶斯方法，集合方法，直接间隔估计方法和保形预测方法。重要问题是这些方法的校准：生成的预测间隔应该具有预定义的覆盖水平，而不会过于保守。在这项工作中，我们从概念和实验的角度审查上述四类方法。结果来自各个域的基准数据集突出显示从一个数据集中的性能的大波动。这些观察可能归因于违反某些类别的某些方法所固有的某些假设。我们说明了如何将共形预测用作提供不具有校准步骤的方法的方法的一般校准程序。

不确定性量化对于机器人感知至关重要，因为过度自信或点估计人员可以导致环境和机器人侵犯和损害。在本文中，我们评估了单视图监督深度学习中的不确定量化的可扩展方法，特别是MC辍学和深度集成。特别是对于MC辍学，我们探讨了阵列在架构中不同级别的效果。我们表明，在编码器的所有层中添加丢失会带来比文献中的其他变化更好的结果。此配置类似地执行与Deep Ensembles具有更低的内存占用，这是相关的简单。最后，我们探讨了伪RGBD ICP的深度不确定性，并展示其估计具有实际规模的准确的双视图相对运动的可能性。

人工智能（AI）和机器学习（ML）的最新表现突破，尤其是深度学习的进步（DL），功能强大，易于使用的ML库（例如Scikit-Learn，Tensorflow，Pytorch。），Pytorch。，Pytorch。。核工程师对AI/ML的前所未有的兴趣，并增加了计算能力。对于基于物理学的计算模型，已经广泛研究了验证，验证和不确定性定量（VVUQ），并且已经开发了许多方法。但是，ML模型的VVUQ的研究相对较少，尤其是在核工程中。在这项工作中，我们专注于ML模型的UQ作为ML VVUQ的初步步骤，更具体地说，是Deep Neural Networks（DNNS），因为它们是用于回归和分类任务的最广泛使用的监督ML算法。这项工作旨在量化DNN的预测或近似不确定性，当它们用作昂贵的物理模型的替代模型时。比较了DNN UQ的三种技术，即Monte Carlo辍学（MCD），深层合奏（DE）和贝叶斯神经网络（BNNS）。两个核工程示例用于基准这些方法，（1）使用野牛代码的时间依赖性裂变气体释放数据，以及（2）基于BFBT基准测试的无效分数模拟使用痕量代码。发现这三种方法通常需要不同的DNN体系结构和超参数来优化其性能。 UQ结果还取决于可用培训数据的量和数据的性质。总体而言，所有这三种方法都可以提供对近似不确定性的合理估计。当平均预测接近测试数据时，不确定性通常较小，而BNN方法通常会产生比MCD和DE更大的不确定性。

Methods for reasoning under uncertainty are a key building block of accurate and reliable machine learning systems. Bayesian methods provide a general framework to quantify uncertainty. However, because of model misspecification and the use of approximate inference, Bayesian uncertainty estimates are often inaccurate -for example, a 90% credible interval may not contain the true outcome 90% of the time. Here, we propose a simple procedure for calibrating any regression algorithm; when applied to Bayesian and probabilistic models, it is guaranteed to produce calibrated uncertainty estimates given enough data. Our procedure is inspired by Platt scaling and extends previous work on classification. We evaluate this approach on Bayesian linear regression, feedforward, and recurrent neural networks, and find that it consistently outputs well-calibrated credible intervals while improving performance on time series forecasting and model-based reinforcement learning tasks.

In robotics, optimizing controller parameters under safety constraints is an important challenge. Safe Bayesian optimization (BO) quantifies uncertainty in the objective and constraints to safely guide exploration in such settings. Hand-designing a suitable probabilistic model can be challenging, however. In the presence of unknown safety constraints, it is crucial to choose reliable model hyper-parameters to avoid safety violations. Here, we propose a data-driven approach to this problem by meta-learning priors for safe BO from offline data. We build on a meta-learning algorithm, F-PACOH, capable of providing reliable uncertainty quantification in settings of data scarcity. As core contribution, we develop a novel framework for choosing safety-compliant priors in a data-riven manner via empirical uncertainty metrics and a frontier search algorithm. On benchmark functions and a high-precision motion system, we demonstrate that our meta-learned priors accelerate the convergence of safe BO approaches while maintaining safety.

Deep learning models that leverage large datasets are often the state of the art for modelling molecular properties. When the datasets are smaller (< 2000 molecules), it is not clear that deep learning approaches are the right modelling tool. In this work we perform an extensive study of the calibration and generalizability of probabilistic machine learning models on small chemical datasets. Using different molecular representations and models, we analyse the quality of their predictions and uncertainties in a variety of tasks (binary, regression) and datasets. We also introduce two simulated experiments that evaluate their performance: (1) Bayesian optimization guided molecular design, (2) inference on out-of-distribution data via ablated cluster splits. We offer practical insights into model and feature choice for modelling small chemical datasets, a common scenario in new chemical experiments. We have packaged our analysis into the DIONYSUS repository, which is open sourced to aid in reproducibility and extension to new datasets.

我们有兴趣估计深神经网络的不确定性，这些神经网络在许多科学和工程问题中起着重要作用。在本文中，我们提出了一个引人注目的新发现，即具有相同权重初始化的神经网络的合奏，在数据集中受到持续偏差的转移而训练会产生稍微不一致的训练模型，其中预测的差异是强大的指标。认知不确定性。使用神经切线核（NTK），我们证明了这种现象是由于NTK不变的部分而发生的。由于这是通过微不足道的输入转换来实现的，因此我们表明可以使用单个神经网络（使用我们称为$ \ delta- $ uq的技术）来近似它，从而通过边缘化效果来估计预测周围的不确定性偏见。我们表明，$ \ delta- $ uq的不确定性估计值优于各种基准测试的当前方法 - 异常拒绝，分配变化下的校准以及黑匣子功能的顺序设计优化。

可预测的不确定性可以通过两个性能 - 校准和清晰度来表征。本文争辩说明这些属性的不确定性，并提出了在深度学习中强制执行它们的简单算法。我们的方法专注于校准 - 分布校准的最强概念 - 并通过用神经估计器拟合低维密度或定量函数来实施它。由此产生的方法比以前的分类和回归方式更简单，更广泛适用。凭经验，我们发现我们的方法改善了几个任务的预测性不确定性，具有最小的计算和实现开销。我们的见解表明，培训深度学习模式的简单和改进方式，导致应准确的不确定性，应利用，以改善下游应用程序的性能。

尽管自动超参数优化（HPO）的所有好处，但大多数现代的HPO算法本身都是黑盒子。这使得很难理解导致所选配置，减少对HPO的信任，从而阻碍其广泛采用的决策过程。在这里，我们研究了HPO与可解释的机器学习（IML）方法（例如部分依赖图）的组合。但是，如果将这种方法天真地应用于HPO过程的实验数据，则优化器的潜在采样偏差会扭曲解释。我们提出了一种修改的HPO方法，该方法有效地平衡了对全局最佳W.R.T.的搜索。预测性能以及通过耦合贝叶斯优化和贝叶斯算法执行的基础黑框函数的IML解释的可靠估计。在神经网络的合成目标和HPO的基准情况下，我们证明我们的方法返回对基础黑盒的更可靠的解释，而不会损失优化性能。