Multiple-Target Tracking in Complex Scenarios

In this dissertation, we develop computationally efficient algorithms for multiple-target tracking: MTT) in complex scenarios. For each of these scenarios, we develop measurement and state-space models, and then exploit the structure in these models to propose efficient tracking algorithms. In addition, we address design issues such as sensor selection and resource allocation. First, we consider MTT when the targets themselves are moving in a time-varying multipath environment. We develop a sparse-measurement model that allows us to exploit the inherent joint delay-Doppler diversity offered by the environment. We then reformulate the problem of MTT as a block-support recovery problem using the sparse measurement model. We exploit the structure of the dictionary matrix to develop a computationally efficient block support recovery algorithm: and thereby a multiple-target tracking algorithm) under the assumption that the channel state describing the time-varying multipath environment is known. Further, we also derive an upper bound on the overall error probability of wrongly identifying the support of the sparse signal. We then relax the assumption that the channel state is known. We develop a new particle filter called the Multiple Rao-Blackwellized Particle Filter: MRBPF) to jointly estimate both the target and the channel states. We also compute the posterior Cramér-Rao bound: PCRB) on the estimates of the target and the channel states and use the PCRB to find a suitable subset of antennas to be used for transmission in each tracking interval, as well as the power transmitted by these antennas. Second, we consider the problem of tracking an unknown number and types of targets using a multi-modal sensor network. In a multi-modal sensor network, different quantities associated with the same state are measured using sensors of different kinds. Hence, an efficient method that can suitably combine the diverse information measured by each sensor is required. We first develop a Hierarchical Particle Filter: HPF) to estimate the unknown state from the multi-modal measurements for a special class of problems which can be modeled hierarchically. We then model our problem of tracking using a hierarchical model and then use the proposed HPF for joint initiation, termination and tracking of multiple targets. The multi-modal data consists of the measurements collected from a radar, an infrared camera and a human scout. We also propose a unified framework for multi-modal sensor management that comprises sensor selection: SS), resource allocation: RA) and data fusion: DF). Our approach is inspired by the trading behavior of economic agents in commercial markets. We model the sensors and the sensor manager as economic agents, and the interaction among them as a double sided market with both consumers and producers. We propose an iterative double auction mechanism for computing the equilibrium of such a market. We relate the equilibrium point to the solutions of SS, RA and DF. Third, we address MTT problem in the presence of data association ambiguity that arises due to clutter. Data association corresponds to the problem of assigning a measurement to each target. We treat the data association and state estimation as separate subproblems. We develop a game-theoretic framework to solve the data association, in which we model each tracker as a player and the set of measurements as strategies. We develop utility functions for each player, and then use a regret-based learning algorithm to find the correlated equilibrium of this game. The game-theoretic approach allows us to associate measurements to all the targets simultaneously. We then use particle filtering on the reduced dimensional state of each target, independently

Structured penalized regression for drug sensitivity prediction

Large-scale {\it in vitro} drug sensitivity screens are an important tool in personalized oncology to predict the effectiveness of potential cancer drugs. The prediction of the sensitivity of cancer cell lines to a panel of drugs is a multivariate regression problem with high-dimensional heterogeneous multi-omics data as input data and with potentially strong correlations between the outcome variables which represent the sensitivity to the different drugs. We propose a joint penalized regression approach with structured penalty terms which allow us to utilize the correlation structure between drugs with group-lasso-type penalties and at the same time address the heterogeneity between omics data sources by introducing data-source-specific penalty factors to penalize different data sources differently. By combining integrative penalty factors (IPF) with tree-guided group lasso, we create the IPF-tree-lasso method. We present a unified framework to transform more general IPF-type methods to the original penalized method. Because the structured penalty terms have multiple parameters, we demonstrate how the interval-search Efficient Parameter Selection via Global Optimization (EPSGO) algorithm can be used to optimize multiple penalty parameters efficiently. Simulation studies show that IPF-tree-lasso can improve the prediction performance compared to other lasso-type methods, in particular for heterogenous data sources. Finally, we employ the new methods to analyse data from the Genomics of Drug Sensitivity in Cancer project.Comment: Zhao Z, Zucknick M (2020). Structured penalized regression for drug sensitivity prediction. Journal of the Royal Statistical Society, Series C. 19 pages, 6 figures and 2 table

Machine Learning for Resource-Constrained Computing Systems

Die verfügbaren Ressourcen in Informationsverarbeitungssystemen wie Prozessoren sind in der Regel eingeschränkt. Das umfasst z. B. die elektrische Leistungsaufnahme, den Energieverbrauch, die Wärmeabgabe oder die Chipfläche. Daher ist die Optimierung der Verwaltung der verfügbaren Ressourcen von größter Bedeutung, um Ziele wie maximale Performanz zu erreichen. Insbesondere die Ressourcenverwaltung auf der Systemebene hat über die (dynamische) Zuweisung von Anwendungen zu Prozessorkernen und über die Skalierung der Spannung und Frequenz (dynamic voltage and frequency scaling, DVFS) einen großen Einfluss auf die Performanz, die elektrische Leistung und die Temperatur während der Ausführung von Anwendungen. Die wichtigsten Herausforderungen bei der Ressourcenverwaltung sind die hohe Komplexität von Anwendungen und Plattformen, unvorhergesehene (zur Entwurfszeit nicht bekannte) Anwendungen oder Plattformkonfigurationen, proaktive Optimierung und die Minimierung des Laufzeit-Overheads. Bestehende Techniken, die auf einfachen Heuristiken oder analytischen Modellen basieren, gehen diese Herausforderungen nur unzureichend an. Aus diesem Grund ist der Hauptbeitrag dieser Dissertation der Einsatz maschinellen Lernens (ML) für Ressourcenverwaltung. ML-basierte Lösungen ermöglichen die Bewältigung dieser Herausforderungen durch die Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Entscheidungen in der Ressourcenverwaltung, durch Schätzung verborgener (unbeobachtbarer) Eigenschaften von Anwendungen oder durch direktes Lernen einer Ressourcenverwaltungs-Strategie. Diese Dissertation entwickelt mehrere neuartige ML-basierte Ressourcenverwaltung-Techniken für verschiedene Plattformen, Ziele und Randbedingungen. Zunächst wird eine auf Vorhersagen basierende Technik zur Maximierung der Performanz von Mehrkernprozessoren mit verteiltem Last-Level Cache und limitierter Maximaltemperatur vorgestellt. Diese verwendet ein neuronales Netzwerk (NN) zur Vorhersage der Auswirkungen potenzieller Migrationen von Anwendungen zwischen Prozessorkernen auf die Performanz. Diese Vorhersagen erlauben die Bestimmung der bestmöglichen Migration und ermöglichen eine proaktive Verwaltung. Das NN ist so trainiert, dass es mit unbekannten Anwendungen und verschiedenen Temperaturlimits zurechtkommt. Zweitens wird ein Boosting-Verfahren zur Maximierung der Performanz homogener Mehrkernprozessoren mit limitierter Maximaltemperatur mithilfe von DVFS vorgestellt. Dieses basiert auf einer neuartigen {Boostability}-Metrik, die die Abhängigkeiten von Performanz, elektrischer Leistung und Temperatur auf Spannungs/Frequenz-Änderungen in einer Metrik vereint. % ignorerepeated Die Abhängigkeiten von Performanz und elektrischer Leistung hängen von der Anwendung ab und können zur Laufzeit nicht direkt beobachtet (gemessen) werden. Daher wird ein NN verwendet, um diese Werte für unbekannte Anwendungen zu schätzen und so die Komplexität der Boosting-Optimierung zu bewältigen. Drittens wird eine Technik zur Temperaturminimierung von heterogenen Mehrkernprozessoren mit Quality of Service-Zielen vorgestellt. Diese verwendet Imitationslernen, um eine Migrationsstrategie von Anwendungen aus optimalen Orakel-Demonstrationen zu lernen. Dafür wird ein NN eingesetzt, um die Komplexität der Plattform und des Anwendungsverhaltens zu bewältigen. Die Inferenz des NNs wird mit Hilfe eines vorhandenen generischen Beschleunigers, einer Neural Processing Unit (NPU), beschleunigt. Auch die ML Algorithmen selbst müssen auch mit begrenzten Ressourcen ausgeführt werden. Zuletzt wird eine Technik für ressourcenorientiertes Training auf verteilten Geräten vorgestellt, um einen konstanten Trainingsdurchsatz bei sich schnell ändernder Verfügbarkeit von Rechenressourcen aufrechtzuerhalten, wie es z.~B.~aufgrund von Konflikten bei gemeinsam genutzten Ressourcen der Fall ist. Diese Technik verwendet Structured Dropout, welches beim Training zufällige Teile des NNs auslässt. Dadurch können die erforderlichen Ressourcen für das Training dynamisch angepasst werden -- mit vernachlässigbarem Overhead, aber auf Kosten einer langsameren Trainingskonvergenz. Die Pareto-optimalen Dropout-Parameter pro Schicht des NNs werden durch eine Design Space Exploration bestimmt. Evaluierungen dieser Techniken werden sowohl in Simulationen als auch auf realer Hardware durchgeführt und zeigen signifikante Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, bei vernachlässigbarem Laufzeit-Overhead. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, dass ML eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Verwaltung der limitierten Ressourcen auf Systemebene ist, indem die damit verbundenen Herausforderungen angegangen werden