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.
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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强化学习（RL）旨在通过与环境的互动来找到最佳政策。因此，学习复杂行为需要大量的样本，这在实践中可能是持久的。然而，而不是系统地推理和积极选择信息样本，用于本地搜索的政策梯度通常从随机扰动获得。这些随机样品产生高方差估计，因此在样本复杂性方面是次优。积极选择内容性样本是贝叶斯优化的核心，它构成了过去样本的目标的概率替代物，以推理信息的后来的随后。在本文中，我们建议加入两个世界。我们利用目标函数的概率模型及其梯度开发算法。基于该模型，该算法决定查询嘈杂的零顺序oracle以提高梯度估计。生成的算法是一种新型策略搜索方法，我们与现有的黑盒算法进行比较。比较揭示了改进的样本复杂性和对合成目标的广泛实证评估的差异降低。此外，我们突出了主动抽样对流行的RL基准测试的好处。
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贝叶斯优化（BO）被广泛用于优化随机黑匣子功能。尽管大多数BO方法都集中在优化条件期望上，但许多应用程序都需要规避风险的策略，并且需要考虑分配尾巴的替代标准。在本文中，我们提出了针对贝叶斯分位数和预期回归的新变异模型，这些模型非常适合异形的噪声设置。我们的模型分别由有条件分位数（或期望）的两个潜在高斯过程和不对称可能性函数的比例参数组成。此外，我们提出了基于最大值熵搜索和汤普森采样的两种BO策略，这些策略是针对此类型号量身定制的，可以容纳大量点。与现有的BO进行规避风险优化的方法相反，我们的策略可以直接针对分位数和预期进行优化，而无需复制观测值或假设噪声的参数形式。如实验部分所示，所提出的方法清楚地表现出异质的非高斯案例中的最新状态。
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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。
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使用复杂的数学方法建模的工程问题或者以昂贵的测试或实验为特征，占用有限预算或有限计算资源。此外，行业的实际情景，基于物流和偏好，对可以进行实验的方式施加限制。例如，材料供应可以仅在单次或计算模型的情况下仅实现少量实验，因此可以基于共享计算资源面临显着的等待时间。在这种情况下，一个人通常以允许最大化一个人的知识的方式进行实验，同时满足上述实际限制。实验顺序设计（Sdoe）是一种流行的方法套件，近年来越来越多的不同工程和实际问题。利用贝叶斯形式主义的普通战略是贝叶斯Sdoe，它通常在一步一步的一步中选择单一实验的一步或近视场景中最好的工作。在这项工作中，我们的目标是扩展SDOE策略，以批量输入查询实验或计算机代码。为此，我们利用基于深度加强学习（RL）的政策梯度方法，提出批次选择的查询，以考虑到整个预算。该算法保留了SDOE中固有的顺序性质，同时基于来自深rl域的任务的奖励元素。所提出的方法的独特能力是其应用于多个任务的能力，例如函数的优化，一旦其培训。我们展示了在合成问题上提出了算法的性能，以及挑战的高维工程问题。
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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。
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自动化封路计优化（HPO）已经获得了很大的普及，并且是大多数自动化机器学习框架的重要成分。然而，设计HPO算法的过程仍然是一个不系统和手动的过程：确定了现有工作的限制，提出的改进是 - 即使是专家知识的指导 - 仍然是一定任意的。这很少允许对哪些算法分量的驾驶性能进行全面了解，并且承载忽略良好算法设计选择的风险。我们提出了一个原理的方法来实现应用于多倍性HPO（MF-HPO）的自动基准驱动算法设计的原则方法：首先，我们正式化包括的MF-HPO候选的丰富空间，但不限于普通的HPO算法，然后呈现可配置的框架覆盖此空间。要自动和系统地查找最佳候选者，我们遵循通过优化方法，并通过贝叶斯优化搜索算法候选的空间。我们挑战是否必须通过执行消融分析来挑战所发现的设计选择或可以通过更加天真和更简单的设计。我们观察到使用相对简单的配置，在某些方式中比建立的方法更简单，只要某些关键配置参数具有正确的值，就可以很好地执行得很好。
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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),
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信息理论的贝叶斯优化技术因其非洋流品质而变得越来越流行，以优化昂贵的黑盒功能。熵搜索和预测性熵搜索都考虑了输入空间中最佳的熵，而最新的最大值熵搜索则考虑了输出空间中最佳值的熵。我们提出了联合熵搜索（JES），这是一种新的信息理论采集函数，它考虑了全新的数量，即输入和输出空间上关节最佳概率密度的熵。为了结合此信息，我们考虑从幻想的最佳输入/输出对条件下的熵减少。最终的方法主要依赖于标准的GP机械，并去除通常与信息理论方法相关的复杂近似值。凭借最少的计算开销，JES展示了卓越的决策，并在各种任务中提供了信息理论方法的最新性能。作为具有出色结果的轻重量方法，JES为贝叶斯优化提供了新的首选功能。
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贝叶斯优化（BO）已成为许多昂贵现实世界功能的全球优化的流行策略。与普遍认为BO适合优化黑框功能的信念相反，它实际上需要有关这些功能特征的域知识才能成功部署BO。这样的领域知识通常表现在高斯流程先验中，这些先验指定了有关功能的初始信念。但是，即使有专家知识，选择先验也不是一件容易的事。对于复杂的机器学习模型上的超参数调谐问题尤其如此，在这种模型中，调整目标的景观通常很难理解。我们寻求一种设定这些功能性先验的替代实践。特别是，我们考虑了从类似功能的数据中，使我们可以先验地进行更紧密的分布。从理论上讲，我们与预先训练的先验表示对BO的遗憾。为了验证我们在现实的模型培训设置中的方法，我们通过训练在流行图像和文本数据集上的数以万计的近状态模型配置来收集了大型多任务超参数调谐数据集，以及蛋白质序列数据集。我们的结果表明，平均而言，我们的方法能够比最佳竞争方法更有效地定位良好的超参数。
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2021-12-06
计算高效的非近视贝叶斯优化（BO）的最新进展提高了传统近视方法的查询效率，如预期的改进，同时仅适度提高计算成本。然而，这些进展在很大程度上是有限的，因为不受约束的优化。对于约束优化，少数现有的非近视博方法需要重量计算。例如，一个现有的非近视约束BO方法[LAM和Willcox，2017]依赖于计算昂贵的不可靠的暴力衍生物的无可靠性衍生物优化蒙特卡罗卷展卷采集功能。使用Reparameterization技巧进行更有效的基于衍生物的优化的方法，如在不受约束的环境中，如样本平均近似和无限扰动分析，不扩展：约束在取样的采集功能表面中引入阻碍其优化的不连续性。此外，我们认为非近视在受限制问题中更为重要，因为违反限制的恐惧将近视方法推动了可行和不可行区域之间的边界，减缓了具有严格约束的最佳解决方案的发现。在本文中，我们提出了一种计算的有效的两步保护受限贝叶斯优化采集功能（2-OPT-C）支持顺序和批处理设置。为了实现快速采集功能优化，我们开发了一种新的基于似然比的非偏见估计，其两步最佳采集函数的梯度不使用Reparameterization技巧。在数值实验中，2-OPT-C通常通过先前的方法通过2倍或更多的查询效率，并且在某些情况下通过10倍或更大。
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2022-09-22
贝叶斯优化（BO）算法在涉及昂贵的黑盒功能的应用中表现出了显着的成功。传统上，BO被设置为一个顺序决策过程，该过程通过采集函数和先前的功能（例如高斯过程）来估计查询点的实用性。然而，最近，通过密度比率估计（BORE）对BO进行重新制定允许将采集函数重新诠释为概率二进制分类器，从而消除了对函数的显式先验和提高可伸缩性的需求。在本文中，我们介绍了对孔的遗憾和算法扩展的理论分析，并提高了不确定性估计。我们还表明，通过将问题重新提交为近似贝叶斯推断，可以自然地扩展到批处理优化设置。所得算法配备了理论性能保证，并在一系列实验中对其他批处理基本线进行了评估。
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最大值熵搜索（MES）是贝叶斯优化（BO）的最先进的方法之一。在本文中，我们提出了一种用于受约束问题的MES的新型变型，通过信息下限（CMES-IBO）称为受约束的ME，其基于互信息的下限的蒙特卡罗（MC）估计器（MI）。我们首先定义定义最大值的MI，以便它可以在可行性方面结合不确定性。然后，我们得出了保证非消极性的MI的下限，而传统ME的受约束对应物可以是负的。我们进一步提供了理论分析，确保我们估算者的低变异性，从未针对任何现有的信息理论博进行调查。此外，使用条件MI，我们将CMES-1BO扩展到并联设置，同时保持所需的性质。我们展示了CMES-IBO对多个基准功能和真实问题的有效性。
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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。
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