Gaussian process state-space models (GPSSMs) offer a principled framework for learning and inference in nonlinear dynamical systems with uncertainty quantification. However, existing GPSSMs are limited by the use of multiple independent stationary Gaussian processes (GPs), leading to prohibitive computational and parametric complexity in high-dimensional settings and restricted modeling capacity for non-stationary dynamics. To address these challenges, we propose an efficient transformed Gaussian process state-space model (ETGPSSM) for scalable and flexible modeling of high-dimensional, non-stationary dynamical systems. Specifically, our ETGPSSM integrates a single shared GP with input-dependent normalizing flows, yielding an expressive non-stationary implicit process prior that can capture complex transition dynamics while significantly reducing model complexity. For the inference of the implicit process, we develop a variational inference algorithm that jointly approximates the posterior over the underlying GP and the neural network parameters defining the normalizing flows. To avoid explicit variational parameterization of the latent states, we further incorporate the ensemble Kalman filter (EnKF) into the variational framework, enabling accurate and efficient state estimation. Extensive empirical evaluations on synthetic and real-world datasets demonstrate the superior performance of our ETGPSSM in system dynamics learning, high-dimensional state estimation, and time-series forecasting, outperforming existing GPSSMs and neural network-based SSMs in terms of computational efficiency and accuracy.


翻译:高斯过程状态空间模型(GPSSMs)为非线性动态系统的学习与不确定性量化推断提供了理论框架。然而,现有GPSSMs受限于使用多个独立的平稳高斯过程(GPs),导致在高维场景下产生极高的计算与参数复杂度,且对非平稳动态的建模能力受限。为应对这些挑战,本文提出一种高效变换高斯过程状态空间模型(ETGPSSM),用于高维非平稳动态系统的可扩展灵活建模。具体而言,ETGPSSM将单一共享高斯过程与输入相关的归一化流相结合,构建出表达能力强的非平稳隐式过程先验,既能捕捉复杂的转移动态,又可显著降低模型复杂度。针对隐式过程的推断,我们开发了一种变分推断算法,联合近似底层高斯过程与定义归一化流的神经网络参数的后验分布。为避免对隐状态进行显式变分参数化,我们进一步将集合卡尔曼滤波器(EnKF)融入变分框架,实现精确高效的状态估计。在合成与真实数据集上的大量实验评估表明,ETGPSSM在系统动态学习、高维状态估计和时间序列预测方面均表现出优越性能,在计算效率与精度上均优于现有GPSSMs及基于神经网络的状态空间模型。

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高斯过程(Gaussian Process, GP)是概率论和数理统计中随机过程(stochastic process)的一种,是一系列服从正态分布的随机变量(random variable)在一指数集(index set)内的组合。 高斯过程中任意随机变量的线性组合都服从正态分布,每个有限维分布都是联合正态分布,且其本身在连续指数集上的概率密度函数即是所有随机变量的高斯测度,因此被视为联合正态分布的无限维广义延伸。高斯过程由其数学期望和协方差函数完全决定,并继承了正态分布的诸多性质
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