本文探讨了心电图成像网络（ECGI）中最佳传感器位置（OSP）的新的顺序选择框架。所提出的方法结合了使用最新的实验设计方法，用于在生物对象上进行地标的顺序选择，即高斯工艺地标（GPLMK），以更好地探索候选传感器。两种实验设计方法是使用时空高斯工艺（STGP）拟合的训练和验证位置的来源。使用训练集拟合了STGP，以预测使用GPLMK生成的当前验证集，并从当前验证集中选择具有最大预测绝对误差的传感器并将其添加到选定的传感器中。接下来，使用当前训练集生成和预测新的验证集。该过程一直持续到选择特定数量的传感器位置为止。该研究是在四个人类受试者的352个电极的人体表面电位映射（BSPM）的数据集上进行的。使用建议的算法选择了许多30个传感器位置。所选的传感器位置达到了平均$ r^2 = 94.40 \％$，用于估计整体QRS段。提出的方法通过改善其可穿戴能力并降低设计成本来增加更临床实用的心电图系统的设计工作。

心房颤动的计算模型已成功地用于预测最佳消融部位。评估消融模式的效果的关键步骤是从不同，潜在的随机的位置加速模型以确定是否可以在ATRIA中诱导心律失常。在这项工作中，我们建议使用黎曼歧管的多保真高斯过程分类，以有效地确定心律失常是诱导性诱导的区域内的区域。我们构建一个直接在心房表面上运行的概率分类器。我们利用较低的分辨率模型来探索心房表面，并与高分辨率模型无缝结合，以识别诱导区域。当用40个样本培训时，我们的多保真性分级器显示了比使用作为基线心房颤动模型的最近邻分类器的均衡精度，并且在心房颤动的情况下具有9％。我们希望这种新技术将允许更快，更精确地对心房颤动的计算模型临床应用。

在这项工作中，我们提出了一个新的高斯进程回归（GPR）方法：物理信息辅助Kriging（PHIK）。在标准数据驱动的Kriging中，感兴趣的未知功能通常被视为高斯过程，其中具有假定的静止协方差，其具有从数据估计的QuandEdmente。在PHIK中，我们从可用随机模型的实现中计算平均值和协方差函数，例如，从管理随机部分微分方程解决方案的实现。这种构造的高斯过程通常是非静止的，并且不承担特定形式的协方差。我们的方法避免了数据驱动的GPR方法中的优化步骤来识别超参数。更重要的是，我们证明了确定性线性操作员形式的物理约束在得到的预测中保证。当在随机模型实现中包含错误时，我们还提供了保留物理约束时的误差估计。为了降低获取随机模型的计算成本，我们提出了一种多级蒙特卡罗估计的平均和协方差函数。此外，我们介绍了一种有源学习算法，指导选择附加观察位置。 PHIK的效率和准确性被证明重建部分已知的修饰的Branin功能，研究三维传热问题，并从稀疏浓度测量学习保守的示踪剂分布。

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。

可以将多任务学习（MTL）范例追溯到Caruana（1997）的早期纸张中，其中表示可以使用来自多个任务的数据，其目的是在独立地学习每个任务的旨在获得更好的性能。 MTL与相互矛盾的目标的解决方案需要在它们中进行折衷，这通常超出了直线组合可以实现的。理论上原则和计算有效的策略正在寻找不受他人主导的解决方案，因为它在帕累托分析中解决了它。多任务学习环境中产生的多目标优化问题具有特定的功能，需要adhoc方法。对这些特征的分析和新的计算方法的提议代表了这项工作的重点。多目标进化算法（MOEAS）可以容易地包括优势的概念，因此可以分析。 MOEAS的主要缺点是关于功能评估的低样本效率。此缺点的关键原因是大多数进化方法不使用模型来近似于目标函数。贝叶斯优化采用基于代理模型的完全不同的方法，例如高斯过程。在本文中，输入空间中的解决方案表示为封装功能评估中包含的知识的概率分布。在这种概率分布的空间中，赋予由Wassersein距离给出的度量，可以设计一种新的算法MOEA / WST，其中模型不直接在目标函数上，而是在输入空间中的对象的中间信息空间中被映射成直方图。计算结果表明，MoEA / WST提供的样品效率和帕累托集的质量明显优于标准MoEa。

在不断努力提高产品质量和降低运营成本中，越来越多地部署计算建模以确定产品设计或配置的可行性。通过本地模型代理这些计算机实验的建模，仅考虑短程交互，诱导稀疏性，可以解决复杂输入输出关系的巨大分析。然而，缩小到地方规模的重点意味着必须一遍又一遍地重新学习全球趋势。在本文中，我们提出了一种框架，用于将来自全局敏感性分析的信息纳入代理模型作为输入旋转和重新扫描预处理步骤。我们讨论了基于内核回归的几个敏感性分析方法的关系在描述它们如何产生输入变量的转换之前。具体而言，我们执行输入扭曲，使得“翘曲模拟器”对所有输入方向同样敏感，释放本地模型以专注于本地动态。观测数据和基准测试功能的数值实验，包括来自汽车行业的高维计算机模拟器，提供了实证验证。

机器学习方法的最新进展以及扫描探针显微镜（SPMS）的可编程接口的新兴可用性使自动化和自动显微镜在科学界的关注方面推向了最前沿。但是，启用自动显微镜需要开发特定于任务的机器学习方法，了解物理发现与机器学习之间的相互作用以及完全定义的发现工作流程。反过来，这需要平衡领域科学家的身体直觉和先验知识与定义实验目标和机器学习算法的奖励，这些算法可以将它们转化为特定的实验协议。在这里，我们讨论了贝叶斯活跃学习的基本原理，并说明了其对SPM的应用。我们从高斯过程作为一种简单的数据驱动方法和对物理模型的贝叶斯推断作为基于物理功能的扩展的贝叶斯推断，再到更复杂的深内核学习方法，结构化的高斯过程和假设学习。这些框架允许使用先验数据，在光谱数据中编码的特定功能以及在实验过程中表现出的物理定律的探索。讨论的框架可以普遍应用于结合成像和光谱，SPM方法，纳米识别，电子显微镜和光谱法以及化学成像方法的所有技术，并且对破坏性或不可逆测量的影响特别影响。

当没有光学信息可用时，在不确定环境下的机器人探索具有挑战性。在本文中，我们提出了一种自主解决方案，即仅基于触觉感测，探索一个未知的任务空间。我们首先根据MEMS晴雨表设备设计了晶须传感器。该传感器可以通过非侵入性与环境进行交互来获取联系信息。该传感器伴随着一种计划技术，可以通过使用触觉感知来产生探索轨迹。该技术依赖于触觉探索的混合政策，其中包括用于对象搜索的主动信息路径计划，以及用于轮廓跟踪的反应性HOPF振荡器。结果表明，混合勘探政策可以提高对象发现的效率。最后，通过细分对象和分类来促进场景的理解。开发了一个分类器，以根据晶须传感器收集的几何特征识别对象类别。这种方法证明了晶须传感器以及触觉智能，可以提供足够的判别特征来区分对象。

胎儿心电图（FECG）首先在20世纪初从母体腹表面记录。在过去的五十年中，最先进的电子技术和信号处理算法已被用于将非侵入性胎儿心电图转化为可靠的胎儿心脏监测技术。在本章中，已经对来自非侵入性母亲腹部录像进行了建模，提取和分析的主要信号处理技术，并详细介绍了来自非侵入性母亲腹部录像的型号的建模，提取和分析。本章的主要主题包括：1）FECG的电生理学从信号处理视点，2）母体体积传导介质的数学模型和从体表的FECG的波形模型，3）信号采集要求，4）基于模型的FECG噪声和干扰取消的技术，包括自适应滤波器和半盲源分离技术，以及5）胎儿运动跟踪和在线FECG提取的最近算法的进步。

空气污染监测平台在预防和减轻污染影响方面发挥着非常重要的作用。绘图信号处理领域的最新进展使得可以使用图表描述和分析空气污染监测网络。其中一个主要应用是使用传感器的子集重新重建图表中的测量信号。使用来自传感器邻居的信息重建信号可以有助于提高网络数据的质量，示例是用相关的相邻节点的缺失数据填充，或者校正与更准确的相邻传感器的漂移传感器。本文比较了各种类型的图形信号重建方法应用于西班牙空气污染参考站的真实数据集。所考虑的方法是拉普拉斯插值，曲线​​图信号处理低通基的曲线曲线信号重建，以及基于内核的曲线图信号重建，并在测量O3，NO2和PM10的实际空气污染数据集上进行比较。示出了重建污染物信号的方法的能力，以及该重建的计算成本。结果表明了基于基于内核的曲线图信号重建的方法的优越性，以及具有大量低成本传感器的空气污染监测网络中的方法的难度。但是，我们表明可以通过简单的方法克服可扩展性，例如使用聚类算法对网络进行分区。

风电场设计主要取决于风力涡轮机唤醒流向大气风条件的可变性，以及唤醒之间的相互作用。使用高保真度捕获唤醒流场的物理学模型是计算风电场的布局优化的计算非常昂贵，因此数据驱动的减少的订单模型可以代表模拟风电场的有效替代方案。在这项工作中，我们使用现实世界的光检测和测量（LIDAR）测量的风力涡轮机唤醒，用机器学习构建预测代理模型。具体而言，我们首先展示使用深度自动控制器来找到低维\ emph {潜在}空间，其给出了唤醒激光雷达测量的计算易逼近的近似。然后，我们学习使用深神经网络的参数空间和（潜在空间）唤醒流场之间的映射。此外，我们还展示了使用概率机器学习技术，即高斯过程建模，除了数据中的认知和炼拉内不确定性之外，学习参数空间潜空间映射。最后，为了应对培训大型数据集，我们展示了使用变分高斯过程模型，为大型数据集提供了传统的高斯工艺模型的传统高斯工艺模型。此外，我们介绍了主动学习以自适应地构建和改进传统的高斯过程模型预测能力。总的来说，我们发现我们的方法提供了风力涡轮机唤醒流场的准确近似，其可以以比具有基于高保真物理的模拟产生的级别更便宜的成本来查询。

作为行业4.0时代的一项新兴技术，数字双胞胎因其承诺进一步优化流程设计，质量控制，健康监测，决策和政策制定等，通过全面对物理世界进行建模，以进一步优化流程设计，质量控制，健康监测，决策和政策，因此获得了前所未有的关注。互连的数字模型。在一系列两部分的论文中，我们研究了不同建模技术，孪生启用技术以及数字双胞胎常用的不确定性量化和优化方法的基本作用。第二篇论文介绍了数字双胞胎的关键启示技术的文献综述，重点是不确定性量化，优化方法，开源数据集和工具，主要发现，挑战和未来方向。讨论的重点是当前的不确定性量化和优化方法，以及如何在数字双胞胎的不同维度中应用它们。此外，本文介绍了一个案例研究，其中构建和测试了电池数字双胞胎，以说明在这两部分评论中回顾的一些建模和孪生方法。 GITHUB上可以找到用于生成案例研究中所有结果和数字的代码和预处理数据。

在2015年和2019年之间，地平线的成员2020年资助的创新培训网络名为“Amva4newphysics”，研究了高能量物理问题的先进多变量分析方法和统计学习工具的定制和应用，并开发了完全新的。其中许多方法已成功地用于提高Cern大型Hadron撞机的地图集和CMS实验所执行的数据分析的敏感性;其他几个人，仍然在测试阶段，承诺进一步提高基本物理参数测量的精确度以及新现象的搜索范围。在本文中，在研究和开发的那些中，最相关的新工具以及对其性能的评估。

多维时空数据的概率建模对于许多现实世界应用至关重要。然而，现实世界时空数据通常表现出非平稳性的复杂依赖性，即相关结构随位置/时间而变化，并且在空间和时间之间存在不可分割的依赖性，即依赖关系。开发有效和计算有效的统计模型，以适应包含远程和短期变化的非平稳/不可分割的过程，成为一项艰巨的任务，尤其是对于具有各种腐败/缺失结构的大规模数据集。在本文中，我们提出了一个新的统计框架 - 贝叶斯互补内核学习（BCKL），以实现多维时空数据的可扩展概率建模。为了有效地描述复杂的依赖性，BCKL与短距离时空高斯过程（GP）相结合的内核低级分解（GP），其中两个组件相互补充。具体而言，我们使用多线性低级分组组件来捕获数据中的全局/远程相关性，并基于紧凑的核心函数引入加法短尺度GP，以表征其余的局部变异性。我们为模型推断开发了有效的马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）算法，并在合成和现实世界时空数据集上评估了所提出的BCKL框架。我们的结果证实了BCKL在提供准确的后均值和高质量不确定性估计方面的出色表现。

The saddle point (SP) calculation is a grand challenge for computationally intensive energy function in computational chemistry area, where the saddle point may represent the transition state (TS). The traditional methods need to evaluate the gradients of the energy function at a very large number of locations. To reduce the number of expensive computations of the true gradients, we propose an active learning framework consisting of a statistical surrogate model, Gaussian process regression (GPR) for the energy function, and a single-walker dynamics method, gentle accent dynamics (GAD), for the saddle-type transition states. SP is detected by the GAD applied to the GPR surrogate for the gradient vector and the Hessian matrix. Our key ingredient for efficiency improvements is an active learning method which sequentially designs the most informative locations and takes evaluations of the original model at these locations to train GPR. We formulate this active learning task as the optimal experimental design problem and propose a very efficient sample-based sub-optimal criterion to construct the optimal locations. We show that the new method significantly decreases the required number of energy or force evaluations of the original model.

我们考虑使用高斯工艺（GP）先验在贝叶斯框架中解决反问题。众所周知，GPS的计算复杂性在数据点数中立方缩放。我们在这里表明，在涉及整体操作员的反问题的背景下，人们面临的其他困难阻碍了大网格上的倒置。此外，在这种情况下，协方差矩阵可能会变得太大而无法存储。通过利用有关高斯措施的顺序分解的结果，我们能够引入后协方差矩阵的隐式表示，该矩阵仅通过存储低级中间矩阵来降低记忆足迹，同时允许在不用的情况下访问单个元素建立完整的后协方差矩阵。此外，它允许快速顺序包含新的观测值。在考虑顺序实验设计任务时，这些功能至关重要。我们通过计算重量逆问题的偏移集合恢复的顺序数据收集计划来证明我们的方法，该计划的目标是提供意大利Stromboli火山内高密度区域的精细分辨率估计。顺序数据收集计划是通过将加权集成方差降低（WIVR）标准扩展到反问题来计算的。我们的结果表明，该标准能够显着减少偏移量的不确定性，达到接近最小的残余不确定性水平。总体而言，我们的技术允许将概率模型的优势带到自然科学中引起的大规模逆问题上。

制造中的一个自主实验平台据说能够进行顺序搜索，以便自行为先进材料寻找合适的制造条件，甚至用于发现具有最小的人为干预的新材料。这种平台的智能控制的核心是政策指导顺序实验，即根据到目前为止所做的事情来决定在下次进行下一个实验的地方。此类政策不可避免地违反勘探，而目前的做法是利用预期改进标准或其变体的贝叶斯优化框架。我们讨论是否利用与直接观察相关的元素和惊喜程度来促进剥削与勘探有益。我们使用两个现有的惊喜指标设计了一个惊喜的反应政策，称为香农惊喜和贝叶斯惊喜。我们的分析表明，令人惊讶的反应政策似乎更适合于在资源限制下快速表征响应面或设计地点的整体景观。我们认为未来派自治实验平台需要这种能力。我们没有声称我们有一个完全自主的实验平台，但相信我们目前的努力揭示了新灯或提供了不同的视角，因为研究人员正在赛车提升各种原始自治实验系统的自主权。

评估能源转型和能源市场自由化对资源充足性的影响是一种越来越重要和苛刻的任务。能量系统的上升复杂性需要足够的能量系统建模方法，从而提高计算要求。此外，随着复杂性，同样调用概率评估和场景分析同样增加不确定性。为了充分和高效地解决这些各种要求，需要来自数据科学领域的新方法来加速当前方法。通过我们的系统文献综述，我们希望缩小三个学科之间的差距（1）电力供应安全性评估，（2）人工智能和（3）实验设计。为此，我们对所选应用领域进行大规模的定量审查，并制作彼此不同学科的合成。在其他发现之外，我们使用基于AI的方法和应用程序的AI方法和应用来确定电力供应模型的复杂安全性的元素，并作为未充分涵盖的应用领域的储存调度和（非）可用性。我们结束了推出了一种新的方法管道，以便在评估电力供应安全评估时充分有效地解决当前和即将到来的挑战。

我们引入了一种新颖的方式，将增强功能与高斯工艺和混合效应模型相结合。首先，在高斯过程中先前的平均函数的零或线性假设可以放松，并以灵活的非参数方式分组随机效应模型，其次，第二个在大多数增强算法中做出的独立性假设。前者有利于预测准确性和避免模型错误。后者对于有效学习固定效应预测函数和获得概率预测很重要。我们提出的算法也是用于处理培养树木中高心电图分类变量的新颖解决方案。此外，我们提出了一个扩展名，该扩展是使用维奇亚近似为高斯工艺模型缩放到大数据的，该模型依靠新的结果进行协方差参数推断。与几个模拟和现实世界数据集的现有方法相比，我们获得了提高的预测准确性。

这项工作提出了一个非参数时空模型，用于在长期背景下通过移动自主机器人绘制人类活动。基于变异性高斯过程回归，该模型结合了先前的空间和时间周期性依赖性信息，以创建人类事件的连续表示。由机器人运动产生的不均匀数据分布通过异源性可能性函数包括在模型中，可以作为预测性不确定性。使用稀疏的公式，可以在数周内进行数据集，并且可以将数百平方米用于模型创建。基于多周数据集的实验评估表明，所提出的方法在预测质量和随后的路径计划方面都超过了艺术的表现。