Efficient Learning Machines

Computer scienc

Integrated High-Resolution Modeling for Operational Hydrologic Forecasting

Current advances in Earth-sensing technologies, physically-based modeling, and computational processing, offer the promise of a major revolution in hydrologic forecasting—with profound implications for the management of water resources and protection from related disasters. However, access to the necessary capabilities for managing information from heterogeneous sources, and for its deployment in robust-enough modeling engines, remains the province of large governmental agencies. Moreover, even within this type of centralized operations, success is still challenged by the sheer computational complexity associated with overcoming uncertainty in the estimation of parameters and initial conditions in large-scale or high-resolution models. In this dissertation we seek to facilitate the access to hydrometeorological data products from various U.S. agencies and to advanced watershed modeling tools through the implementation of a lightweight GIS-based software package. Accessible data products currently include gauge, radar, and satellite precipitation; stream discharge; distributed soil moisture and snow cover; and multi-resolution weather forecasts. Additionally, we introduce a suite of open-source methods aimed at the efficient parameterization and initialization of complex geophysical models in contexts of high uncertainty, scarce information, and limited computational resources. The developed products in this suite include: 1) model calibration based on state of the art ensemble evolutionary Pareto optimization, 2) automatic parameter estimation boosted through the incorporation of expert criteria, 3) data assimilation that hybridizes particle smoothing and variational strategies, 4) model state compression by means of optimized clustering, 5) high-dimensional stochastic approximation of watershed conditions through a novel lightweight Gaussian graphical model, and 6) simultaneous estimation of model parameters and states for hydrologic forecasting applications. Each of these methods was tested using established distributed physically-based hydrologic modeling engines (VIC and the DHSVM) that were applied to watersheds in the U.S. of different sizes—from a small highly-instrumented catchment in Pennsylvania, to the basin of the Blue River in Oklahoma. A series of experiments was able to demonstrate statistically-significant improvements in the predictive accuracy of the proposed methods in contrast with traditional approaches. Taken together, these accessible and efficient tools can therefore be integrated within various model-based workflows for complex operational applications in water resources and beyond

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

No abstract available

Artificial Intelligence and Cognitive Computing

Artificial intelligence (AI) is a subject garnering increasing attention in both academia and the industry today. The understanding is that AI-enhanced methods and techniques create a variety of opportunities related to improving basic and advanced business functions, including production processes, logistics, financial management and others. As this collection demonstrates, AI-enhanced tools and methods tend to offer more precise results in the fields of engineering, financial accounting, tourism, air-pollution management and many more. The objective of this collection is to bring these topics together to offer the reader a useful primer on how AI-enhanced tools and applications can be of use in today’s world. In the context of the frequently fearful, skeptical and emotion-laden debates on AI and its value added, this volume promotes a positive perspective on AI and its impact on society. AI is a part of a broader ecosystem of sophisticated tools, techniques and technologies, and therefore, it is not immune to developments in that ecosystem. It is thus imperative that inter- and multidisciplinary research on AI and its ecosystem is encouraged. This collection contributes to that

Applied Metaheuristic Computing

For decades, Applied Metaheuristic Computing (AMC) has been a prevailing optimization technique for tackling perplexing engineering and business problems, such as scheduling, routing, ordering, bin packing, assignment, facility layout planning, among others. This is partly because the classic exact methods are constrained with prior assumptions, and partly due to the heuristics being problem-dependent and lacking generalization. AMC, on the contrary, guides the course of low-level heuristics to search beyond the local optimality, which impairs the capability of traditional computation methods. This topic series has collected quality papers proposing cutting-edge methodology and innovative applications which drive the advances of AMC

Advances in Artificial Intelligence: Models, Optimization, and Machine Learning

The present book contains all the articles accepted and published in the Special Issue “Advances in Artificial Intelligence: Models, Optimization, and Machine Learning” of the MDPI Mathematics journal, which covers a wide range of topics connected to the theory and applications of artificial intelligence and its subfields. These topics include, among others, deep learning and classic machine learning algorithms, neural modelling, architectures and learning algorithms, biologically inspired optimization algorithms, algorithms for autonomous driving, probabilistic models and Bayesian reasoning, intelligent agents and multiagent systems. We hope that the scientific results presented in this book will serve as valuable sources of documentation and inspiration for anyone willing to pursue research in artificial intelligence, machine learning and their widespread applications

Tracking the Temporal-Evolution of Supernova Bubbles in Numerical Simulations

The study of low-dimensional, noisy manifolds embedded in a higher dimensional space has been extremely useful in many applications, from the chemical analysis of multi-phase flows to simulations of galactic mergers. Building a probabilistic model of the manifolds has helped in describing their essential properties and how they vary in space. However, when the manifold is evolving through time, a joint spatio-temporal modelling is needed, in order to fully comprehend its nature. We propose a first-order Markovian process that propagates the spatial probabilistic model of a manifold at fixed time, to its adjacent temporal stages. The proposed methodology is demonstrated using a particle simulation of an interacting dwarf galaxy to describe the evolution of a cavity generated by a Supernov

Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

Los retos científicos del siglo XXI precisan del tratamiento y análisis de una ingente cantidad de información en la conocida como la era del Big Data. Los futuros avances en distintos sectores de la sociedad como la medicina, la ingeniería o la producción eficiente de energía, por mencionar sólo unos ejemplos, están supeditados al crecimiento continuo en la potencia computacional de los computadores modernos. Sin embargo, la estela de este crecimiento computacional, guiado tradicionalmente por la conocida “Ley de Moore”, se ha visto comprometido en las últimas décadas debido, principalmente, a las limitaciones físicas del silicio. Los arquitectos de computadores han desarrollado numerosas contribuciones multicore, manycore, heterogeneidad, dark silicon, etc, para tratar de paliar esta ralentización computacional, dejando en segundo plano otros factores fundamentales en la resolución de problemas como la programabilidad, la fiabilidad, la precisión, etc. El desarrollo de software, sin embargo, ha seguido un camino totalmente opuesto, donde la facilidad de programación a través de modelos de abstracción, la depuración automática de código para evitar efectos no deseados y la puesta en producción son claves para una viabilidad económica y eficiencia del sector empresarial digital. Esta vía compromete, en muchas ocasiones, el rendimiento de las propias aplicaciones; consecuencia totalmente inadmisible en el contexto científico. En esta tesis doctoral tiene como hipótesis de partida reducir las distancias entre los campos hardware y software para contribuir a solucionar los retos científicos del siglo XXI. El desarrollo de hardware está marcado por la consolidación de los procesadores orientados al paralelismo masivo de datos, principalmente GPUs Graphic Processing Unit y procesadores vectoriales, que se combinan entre sí para construir procesadores o computadores heterogéneos HSA. En concreto, nos centramos en la utilización de GPUs para acelerar aplicaciones científicas. Las GPUs se han situado como una de las plataformas con mayor proyección para la implementación de algoritmos que simulan problemas científicos complejos. Desde su nacimiento, la trayectoria y la historia de las tarjetas gráficas ha estado marcada por el mundo de los videojuegos, alcanzando altísimas cotas de popularidad según se conseguía más realismo en este área. Un hito importante ocurrió en 2006, cuando NVIDIA (empresa líder en la fabricación de tarjetas gráficas) lograba hacerse con un hueco en el mundo de la computación de altas prestaciones y en el mundo de la investigación con el desarrollo de CUDA “Compute Unified Device Arquitecture. Esta arquitectura posibilita el uso de la GPU para el desarrollo de aplicaciones científicas de manera versátil. A pesar de la importancia de la GPU, es interesante la mejora que se puede producir mediante su utilización conjunta con la CPU, lo que nos lleva a introducir los sistemas heterogéneos tal y como detalla el título de este trabajo. Es en entornos heterogéneos CPU-GPU donde estos rendimientos alcanzan sus cotas máximas, ya que no sólo las GPUs soportan el cómputo científico de los investigadores, sino que es en un sistema heterogéneo combinando diferentes tipos de procesadores donde podemos alcanzar mayor rendimiento. En este entorno no se pretende competir entre procesadores, sino al contrario, cada arquitectura se especializa en aquella parte donde puede explotar mejor sus capacidades. Donde mayor rendimiento se alcanza es en estos clústeres heterogéneos, donde múltiples nodos son interconectados entre sí, pudiendo dichos nodos diferenciarse no sólo entre arquitecturas CPU-GPU, sino también en las capacidades computacionales dentro de estas arquitecturas. Con este tipo de escenarios en mente, se presentan nuevos retos en los que lograr que el software que hemos elegido como candidato se ejecuten de la manera más eficiente y obteniendo los mejores resultados posibles. Estas nuevas plataformas hacen necesario un rediseño del software para aprovechar al máximo los recursos computacionales disponibles. Se debe por tanto rediseñar y optimizar los algoritmos existentes para conseguir que las aportaciones en este campo sean relevantes, y encontrar algoritmos que, por su propia naturaleza sean candidatos para que su ejecución en dichas plataformas de alto rendimiento sea óptima. Encontramos en este punto una familia de algoritmos denominados bioinspirados, que utilizan la inteligencia colectiva como núcleo para la resolución de problemas. Precisamente esta inteligencia colectiva es la que les hace candidatos perfectos para su implementación en estas plataformas bajo el nuevo paradigma de computación paralela, puesto que las soluciones pueden ser construidas en base a individuos que mediante alguna forma de comunicación son capaces de construir conjuntamente una solución común. Esta tesis se centrará especialmente en uno de estos algoritmos bioinspirados que se engloba dentro del término metaheurísticas bajo el paradigma del Soft Computing, el Ant Colony Optimization “ACO”. Se realizará una contextualización, estudio y análisis del algoritmo. Se detectarán las partes más críticas y serán rediseñadas buscando su optimización y paralelización, manteniendo o mejorando la calidad de sus soluciones. Posteriormente se pasará a implementar y testear las posibles alternativas sobre diversas plataformas de alto rendimiento. Se utilizará el conocimiento adquirido en el estudio teórico-práctico anterior para su aplicación a casos reales, más en concreto se mostrará su aplicación sobre el plegado de proteínas. Todo este análisis es trasladado a su aplicación a un caso concreto. En este trabajo, aunamos las nuevas plataformas hardware de alto rendimiento junto al rediseño e implementación software de un algoritmo bioinspirado aplicado a un problema científico de gran complejidad como es el caso del plegado de proteínas. Es necesario cuando se implementa una solución a un problema real, realizar un estudio previo que permita la comprensión del problema en profundidad, ya que se encontrará nueva terminología y problemática para cualquier neófito en la materia, en este caso, se hablará de aminoácidos, moléculas o modelos de simulación que son desconocidos para los individuos que no sean de un perfil biomédico.Ingeniería, Industria y Construcció

Democratizing machine learning

Modelle des maschinellen Lernens sind zunehmend in der Gesellschaft verankert, oft in Form von automatisierten Entscheidungsprozessen. Ein wesentlicher Grund dafür ist die verbesserte Zugänglichkeit von Daten, aber auch von Toolkits für maschinelles Lernen, die den Zugang zu Methoden des maschinellen Lernens für Nicht-Experten ermöglichen. Diese Arbeit umfasst mehrere Beiträge zur Demokratisierung des Zugangs zum maschinellem Lernen, mit dem Ziel, einem breiterem Publikum Zugang zu diesen Technologien zu er- möglichen. Die Beiträge in diesem Manuskript stammen aus mehreren Bereichen innerhalb dieses weiten Gebiets. Ein großer Teil ist dem Bereich des automatisierten maschinellen Lernens (AutoML) und der Hyperparameter-Optimierung gewidmet, mit dem Ziel, die oft mühsame Aufgabe, ein optimales Vorhersagemodell für einen gegebenen Datensatz zu finden, zu vereinfachen. Dieser Prozess besteht meist darin ein für vom Benutzer vorgegebene Leistungsmetrik(en) optimales Modell zu finden. Oft kann dieser Prozess durch Lernen aus vorhergehenden Experimenten verbessert oder beschleunigt werden. In dieser Arbeit werden drei solcher Methoden vorgestellt, die entweder darauf abzielen, eine feste Menge möglicher Hyperparameterkonfigurationen zu erhalten, die wahrscheinlich gute Lösungen für jeden neuen Datensatz enthalten, oder Eigenschaften der Datensätze zu nutzen, um neue Konfigurationen vorzuschlagen. Darüber hinaus wird eine Sammlung solcher erforderlichen Metadaten zu den Experimenten vorgestellt, und es wird gezeigt, wie solche Metadaten für die Entwicklung und als Testumgebung für neue Hyperparameter- Optimierungsmethoden verwendet werden können. Die weite Verbreitung von ML-Modellen in vielen Bereichen der Gesellschaft erfordert gleichzeitig eine genauere Untersuchung der Art und Weise, wie aus Modellen abgeleitete automatisierte Entscheidungen die Gesellschaft formen, und ob sie möglicherweise Individuen oder einzelne Bevölkerungsgruppen benachteiligen. In dieser Arbeit wird daher ein AutoML-Tool vorgestellt, das es ermöglicht, solche Überlegungen in die Suche nach einem optimalen Modell miteinzubeziehen. Diese Forderung nach Fairness wirft gleichzeitig die Frage auf, ob die Fairness eines Modells zuverlässig geschätzt werden kann, was in einem weiteren Beitrag in dieser Arbeit untersucht wird. Da der Zugang zu Methoden des maschinellen Lernens auch stark vom Zugang zu Software und Toolboxen abhängt, sind mehrere Beiträge in Form von Software Teil dieser Arbeit. Das R-Paket mlr3pipelines ermöglicht die Einbettung von Modellen in sogenan- nte Machine Learning Pipelines, die Vor- und Nachverarbeitungsschritte enthalten, die im maschinellen Lernen und AutoML häufig benötigt werden. Das mlr3fairness R-Paket hingegen ermöglicht es dem Benutzer, Modelle auf potentielle Benachteiligung hin zu über- prüfen und diese durch verschiedene Techniken zu reduzieren. Eine dieser Techniken, multi-calibration wurde darüberhinaus als seperate Software veröffentlicht.Machine learning artifacts are increasingly embedded in society, often in the form of automated decision-making processes. One major reason for this, along with methodological improvements, is the increasing accessibility of data but also machine learning toolkits that enable access to machine learning methodology for non-experts. The core focus of this thesis is exactly this – democratizing access to machine learning in order to enable a wider audience to benefit from its potential. Contributions in this manuscript stem from several different areas within this broader area. A major section is dedicated to the field of automated machine learning (AutoML) with the goal to abstract away the tedious task of obtaining an optimal predictive model for a given dataset. This process mostly consists of finding said optimal model, often through hyperparameter optimization, while the user in turn only selects the appropriate performance metric(s) and validates the resulting models. This process can be improved or sped up by learning from previous experiments. Three such methods one with the goal to obtain a fixed set of possible hyperparameter configurations that likely contain good solutions for any new dataset and two using dataset characteristics to propose new configurations are presented in this thesis. It furthermore presents a collection of required experiment metadata and how such meta-data can be used for the development and as a test bed for new hyperparameter optimization methods. The pervasion of models derived from ML in many aspects of society simultaneously calls for increased scrutiny with respect to how such models shape society and the eventual biases they exhibit. Therefore, this thesis presents an AutoML tool that allows incorporating fairness considerations into the search for an optimal model. This requirement for fairness simultaneously poses the question of whether we can reliably estimate a model’s fairness, which is studied in a further contribution in this thesis. Since access to machine learning methods also heavily depends on access to software and toolboxes, several contributions in the form of software are part of this thesis. The mlr3pipelines R package allows for embedding models in so-called machine learning pipelines that include pre- and postprocessing steps often required in machine learning and AutoML. The mlr3fairness R package on the other hand enables users to audit models for potential biases as well as reduce those biases through different debiasing techniques. One such technique, multi-calibration is published as a separate software package, mcboost

New Fundamental Technologies in Data Mining

The progress of data mining technology and large public popularity establish a need for a comprehensive text on the subject. The series of books entitled by "Data Mining" address the need by presenting in-depth description of novel mining algorithms and many useful applications. In addition to understanding each section deeply, the two books present useful hints and strategies to solving problems in the following chapters. The contributing authors have highlighted many future research directions that will foster multi-disciplinary collaborations and hence will lead to significant development in the field of data mining