Neural Networks (NNs) have been widely {used in supervised learning} due to their ability to model complex nonlinear patterns, often presented in high-dimensional data such as images and text. However, traditional NNs often lack the ability for uncertainty quantification. Bayesian NNs (BNNS) could help measure the uncertainty by considering the distributions of the NN model parameters. Besides, domain knowledge is commonly available and could improve the performance of BNNs if it can be appropriately incorporated. In this work, we propose a novel Posterior-Regularized Bayesian Neural Network (PR-BNN) model by incorporating different types of knowledge constraints, such as the soft and hard constraints, as a posterior regularization term. Furthermore, we propose to combine the augmented Lagrangian method and the existing BNN solvers for efficient inference. The experiments in simulation and two case studies about aviation landing prediction and solar energy output prediction have shown the knowledge constraints and the performance improvement of the proposed model over traditional BNNs without the constraints.


翻译:由于能够建模复杂的非线性模式,传统非线性模式往往以图像和文字等高维数据的形式出现,因此神经网络被广泛使用。然而,传统的非线性网络往往缺乏对不确定性进行量化的能力。Bayesian NNS(BNNS)可以通过考虑非线性模型参数的分布来帮助测量不确定性。此外,域知识通常可用,如果可以适当纳入,则可以改善非线性网络的性能。在这项工作中,我们提议采用一个新的Poseteriter-Recalized Bayesian Neural网络(PR-BNNN)模式,将软性和硬性限制等不同类型的知识限制作为后遗症正规化术语。此外,我们提议将扩大的Lagrangian方法和现有的BNNS解决方案结合起来,以便有效推断。关于航空着陆预测和太阳能产出预测的模拟试验和两个案例研究表明知识限制以及拟议的模型在不受限制的情况下在传统的BNNS上的业绩改进。

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