Online Bayesian Experimental Design for Partially Observed Dynamical Systems
Sara Pérez-Vieites, Sahel Iqbal, Simo Särkkä, Dominik Baumann
贝叶斯实验设计(BED)为优化数据收集提供了一个原则性框架,但现有方法不适用于关键的现实世界设置,例如具有部分可观测性的动态系统,其中只有嘈杂和不完整的观测可用。 这些系统自然被建模为状态空间模型(SSM),其中潜在状态介导参数和数据之间的联系,使得可能性 - 从而像预期信息增益(EIG)这样的信息理论目标 - 难以解决。 此外,该系统的动态性质需要在线算法,以计算高效的方式更新后分发并按顺序选择设计。 我们通过推导 EIG 及其梯度的新估算器来应对这些挑战,这些梯度明确将潜在状态边缘化,从而在非线性 SSM 中实现可扩展的随机优化。 我们的方法利用嵌套粒子过滤器(NPF)来实现有效的在线推理和收敛保证。 适用于现实模型的应用,如易感染恢复(SIR)和移动源位置任务,表明我们的框架成功地处理了部分可观察性和在线计算。
Bayesian experimental design (BED) provides a principled framework for optimizing data collection, but existing approaches do not apply to crucial real-world settings such as dynamical systems with partial observability, where only noisy and incomplete observations are available. These systems are naturally modeled as state-space models (SSMs), where latent states mediate the link between parameters and data, making the likelihood – and thus information-theoretic objectives like the expected inf...