Bayesian optimization (BO) has proven to be an effective paradigm for the global optimization of expensive-to-sample systems. One of the main advantages of BO is its use of Gaussian processes (GPs) to characterize model uncertainty which can be leveraged to guide the learning and search process. However, BO typically treats systems as black-boxes and this limits the ability to exploit structural knowledge (e.g., physics and sparse interconnections). Composite functions of the form $f(x, y(x))$, wherein GP modeling is shifted from the performance function $f$ to an intermediate function $y$, offer an avenue for exploiting structural knowledge. However, the use of composite functions in a BO framework is complicated by the need to generate a probability density for $f$ from the Gaussian density of $y$ calculated by the GP (e.g., when $f$ is nonlinear it is not possible to obtain a closed-form expression). Previous work has handled this issue using sampling techniques; these are easy to implement and flexible but are computationally intensive. In this work, we introduce a new paradigm which allows for the efficient use of composite functions in BO; this uses adaptive linearizations of $f$ to obtain closed-form expressions for the statistical moments of the composite function. We show that this simple approach (which we call BOIS) enables the exploitation of structural knowledge, such as that arising in interconnected systems as well as systems that embed multiple GP models and combinations of physics and GP models. Using a chemical process optimization case study, we benchmark the effectiveness of BOIS against standard BO and sampling approaches. Our results indicate that BOIS achieves performance gains and accurately captures the statistics of composite functions.


翻译:贝叶斯优化已被证明是对昂贵采样系统进行全局优化的有效范式。其主要优势之一在于利用高斯过程表征模型不确定性,从而指导学习与搜索过程。然而,贝叶斯优化通常将系统视为黑箱,这限制了其利用结构知识(如物理规律和稀疏互连)的能力。形如 $f(x, y(x))$ 的复合函数通过将高斯过程建模从性能函数 $f$ 转移至中间函数 $y$,为利用结构知识提供了途径。但在贝叶斯优化框架中使用复合函数时,需基于高斯过程计算的 $y$ 的高斯密度生成 $f$ 的概率密度(例如,当 $f$ 为非线性时无法获得闭合表达式),这使得问题复杂化。已有研究通过采样技术处理该问题,这类方法实现简便且灵活,但计算成本高昂。本文提出一种新范式,可在贝叶斯优化中高效使用复合函数:该方法通过对 $f$ 进行自适应线性化以获取复合函数统计矩的闭合表达式。研究表明,这种简单方法(称为BOIS)能够利用互联系统、嵌入多个高斯过程模型及物理模型与高斯过程组合系统等场景中的结构知识。通过化工过程优化案例研究,我们将BOIS与标准贝叶斯优化及采样方法进行了基准对比。结果表明,BOIS实现了性能提升,并准确捕获了复合函数的统计特性。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
17+阅读 · 2021年7月18日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
VIP会员
最新内容
无人机已改变战场,但并未解决指挥问题
专知会员服务
5+阅读 · 8月14日
驱动军事决策变革的顶尖人工智能指挥系统
专知会员服务
11+阅读 · 8月11日
非对称防御中的自组织临界性:俄乌战争
专知会员服务
10+阅读 · 8月10日
《战争中的大语言模型监管》
专知会员服务
16+阅读 · 8月10日
《边缘计算关键技术分析及美军作战实践应用》
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员