黑匣子优化（BBO）具有广泛的应用，包括自动机器学习，工程，物理和实验设计。但是，在适用性，性能和效率方面，用户对用户将BBO方法应用于现有软件包的问题仍有挑战。在本文中，我们构建了OpenBox，开源和通用BBO服务，具有改进的可用性。OpenBox后面的模块化设计还有助于灵活的抽象和优化在其他现有系统中常见的基本BBO组件。OpenBox分布，容错和可扩展。为了提高效率，OpenBox进一步利用“算法不可知”并行化和转移学习。我们的实验结果表明，与现有系统相比，OpenBox的有效性和效率。

端到端的Automl吸引了学术界和行业的密集兴趣，它们在功能工程，算法/模型选择和超参数调整引起的空间中自动搜索ML管道。但是，现有的Automl系统在适用于具有较大高维搜索空间的应用程序域时会遇到可伸缩性问题。我们提出了火山洛（Volcanoml），这是一个可扩展且可扩展的框架，可促进对大型汽车搜索空间的系统探索。 Volcanoml引入并实施了将大型搜索空间分解为较小的基本构建块，并允许用户利用这些构建块来制定手头上的汽车问题的执行计划。 Volcanoml进一步支持火山风格的执行模型（类似于现代数据库系统支持的模型）来执行构建的计划。我们的评估表明，不仅火山团提高了汽车中搜索空间分解的表达水平，还导致了分解策略的实际发现，这些发现比先进的自动符号系统所采用的策略更有效率地更加有效。作为自动滑雪。

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。

贝叶斯优化（BO）是一种用于计算昂贵的黑盒优化的方法，例如模拟器校准和深度学习方法的超参数优化。在BO中，采用动态更新的计算廉价替代模型来学习黑框函数的投入输出关系。该替代模型用于探索和利用输入空间的有前途的区域。多点BO方法采用单个经理/多个工人策略，以在较短的时间内实现高质量的解决方案。但是，多点生成方案中的计算开销是设计BO方法的主要瓶颈，可以扩展到数千名工人。我们提出了一种异步分配的BO（ADBO）方法，其中每个工人都会运行搜索，并异步地传达所有其他没有经理的工人的黑框评估的输入输出值。我们将方法扩展到4,096名工人，并证明了解决方案质量和更快的收敛质量。我们证明了我们从Exascale计算项目烛台基准调整神经网络超参数的方法的有效性。

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。

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。

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。

Modern deep learning methods are very sensitive to many hyperparameters, and, due to the long training times of state-of-the-art models, vanilla Bayesian hyperparameter optimization is typically computationally infeasible. On the other hand, bandit-based configuration evaluation approaches based on random search lack guidance and do not converge to the best configurations as quickly. Here, we propose to combine the benefits of both Bayesian optimization and banditbased methods, in order to achieve the best of both worlds: strong anytime performance and fast convergence to optimal configurations. We propose a new practical state-of-the-art hyperparameter optimization method, which consistently outperforms both Bayesian optimization and Hyperband on a wide range of problem types, including high-dimensional toy functions, support vector machines, feed-forward neural networks, Bayesian neural networks, deep reinforcement learning, and convolutional neural networks. Our method is robust and versatile, while at the same time being conceptually simple and easy to implement.

算法配置（AC）与对参数化算法最合适的参数配置的自动搜索有关。目前，文献中提出了各种各样的交流问题变体和方法。现有评论没有考虑到AC问题的所有衍生物，也没有提供完整的分类计划。为此，我们引入分类法以分别描述配置方法的交流问题和特征。我们回顾了分类法的镜头中现有的AC文献，概述相关的配置方法的设计选择，对比方法和问题变体相互对立，并描述行业中的AC状态。最后，我们的评论为研究人员和从业人员提供了AC领域的未来研究方向。

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。

Vizier是Google的DeCACTO BlackBox和Hyper参数优化服务，它优化了Google一些最大的产品和研究工作。为了按照调整数千个用户的关键系统的规模运行，Google Vizier在提供多个不同的功能方面解决了关键的设计挑战，同时保持完全容忍。在本文中，我们介绍了基于Google内部Vizier基础架构和框架的基于Python的独立界面开源（OSS）Vizier。 OSS Vizier提供了一个能够定义和解决各种优化问题的API，包括多样性，早期停止，转移学习和条件搜索。此外，它被设计为可确保可靠性的分布式系统，并允许对用户的目标函数进行多次平行评估。基于RPC的灵活基础架构使用户可以从任何语言编写的二进制文件中访问OSS Vizier。 OSS Vizier还提供了一个后端（“ Pythia”）API，该API为算法作者提供了一种与Core OSS Vizier系统接口新算法的方法。 OSS Vizier可从https://github.com/google/vizier获得。

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。

为了实现峰值预测性能，封路计优化（HPO）是机器学习的重要组成部分及其应用。在过去几年中，HPO的有效算法和工具的数量大幅增加。与此同时，社区仍缺乏现实，多样化，计算廉价和标准化的基准。这是多保真HPO方法的情况。为了缩短这个差距，我们提出了HPoBench，其中包括7个现有和5个新的基准家庭，共有100多个多保真基准问题。 HPobench允许以可重复的方式运行该可扩展的多保真HPO基准，通过隔离和包装容器中的各个基准。它还提供了用于计算实惠且统计数据的评估的代理和表格基准。为了展示HPoBench与各种优化工具的广泛兼容性，以及其有用性，我们开展了一个来自6个优化工具的13个优化器的示例性大规模研究。我们在这里提供HPobench：https://github.com/automl/hpobench。

The purpose of this study is to introduce new design-criteria for next-generation hyperparameter optimization software. The criteria we propose include (1) define-by-run API that allows users to construct the parameter search space dynamically, (2) efficient implementation of both searching and pruning strategies, and (3) easy-to-setup, versatile architecture that can be deployed for various purposes, ranging from scalable distributed computing to light-weight experiment conducted via interactive interface. In order to prove our point, we will introduce Optuna, an optimization software which is a culmination of our effort in the development of a next generation optimization software. As an optimization software designed with define-by-run principle, Optuna is particularly the first of its kind. We will present the design-techniques that became necessary in the development of the software that meets the above criteria, and demonstrate the power of our new design through experimental results and real world applications. Our software is available under the MIT license (https://github.com/pfnet/optuna/).

超参数优化构成了典型的现代机器学习工作流程的很大一部分。这是由于这样一个事实，即机器学习方法和相应的预处理步骤通常只有在正确调整超参数时就会产生最佳性能。但是在许多应用中，我们不仅有兴趣仅仅为了预测精度而优化ML管道；确定最佳配置时，必须考虑其他指标或约束，从而导致多目标优化问题。由于缺乏知识和用于多目标超参数优化的知识和容易获得的软件实现，因此通常在实践中被忽略。在这项工作中，我们向读者介绍了多个客观超参数优化的基础知识，并激励其在应用ML中的实用性。此外，我们从进化算法和贝叶斯优化的领域提供了现有优化策略的广泛调查。我们说明了MOO在几个特定ML应用中的实用性，考虑了诸如操作条件，预测时间，稀疏，公平，可解释性和鲁棒性之类的目标。

寻找可调谐GPU内核的最佳参数配置是一种非普通的搜索空间练习，即使在自动化时也是如此。这在非凸搜索空间上造成了优化任务，使用昂贵的来评估具有未知衍生的函数。这些特征为贝叶斯优化做好了良好的候选人，以前尚未应用于这个问题。然而，贝叶斯优化对这个问题的应用是具有挑战性的。我们演示如何处理粗略的，离散的受限搜索空间，包含无效配置。我们介绍了一种新颖的上下文方差探索因子，以及具有改进的可扩展性的新采集功能，与知识的采集功能选择机制相结合。通过比较我们贝叶斯优化实现对各种测试用例的性能，以及核心调谐器中的现有搜索策略以及其他贝叶斯优化实现，我们证明我们的搜索策略概括了良好的良好，并始终如一地以广泛的保证金更优于其他搜索策略。

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),

多目标优化问题的目标在现实世界中通常会看到不同的评估成本。现在，此类问题被称为异质目标（HE-MOPS）的多目标优化问题。然而，到目前为止，只有少数研究来解决HE-MOPS，其中大多数专注于一个快速目标和一个缓慢目标的双向目标问题。在这项工作中，我们旨在应对具有两个以上黑盒和异质目标的He-mops。为此，我们通过利用He-Mops中廉价且昂贵的目标的不同数据集来减轻因评估不同目标而导致的搜索偏见，从而减轻了廉价且昂贵的目标，从而为HE-MOPS开发了多目标贝叶斯进化优化方法。为了充分利用两个不同的培训数据集，一种对所有目标进行评估的解决方案，另一个与仅在快速目标上进行评估的解决方案，构建了两个单独的高斯过程模型。此外，提出了一种新的采集函数，以减轻对快速目标的搜索偏见，从而在收敛与多样性之间达到平衡。我们通过对广泛使用的多/多目标基准问题进行测试来证明该算法的有效性，这些问题被认为是异质昂贵的。

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.

Surrogate algorithms such as Bayesian optimisation are especially designed for black-box optimisation problems with expensive objectives, such as hyperparameter tuning or simulation-based optimisation. In the literature, these algorithms are usually evaluated with synthetic benchmarks which are well established but have no expensive objective, and only on one or two real-life applications which vary wildly between papers. There is a clear lack of standardisation when it comes to benchmarking surrogate algorithms on real-life, expensive, black-box objective functions. This makes it very difficult to draw conclusions on the effect of algorithmic contributions and to give substantial advice on which method to use when. A new benchmark library, EXPObench, provides first steps towards such a standardisation. The library is used to provide an extensive comparison of six different surrogate algorithms on four expensive optimisation problems from different real-life applications. This has led to new insights regarding the relative importance of exploration, the evaluation time of the objective, and the used model. We also provide rules of thumb for which surrogate algorithm to use in which situation. A further contribution is that we make the algorithms and benchmark problem instances publicly available, contributing to more uniform analysis of surrogate algorithms. Most importantly, we include the performance of the six algorithms on all evaluated problem instances. This results in a unique new dataset that lowers the bar for researching new methods as the number of expensive evaluations required for comparison is significantly reduced.