Online joint estimation of unknown parameters and states in a dynamical system with uncertainty quantification is crucial in many applications. For example, digital twins dynamically update their knowledge of model parameters and states to support prediction and decision-making. Reliability and computational speed are vital for DTs. Online parameter-state estimation ensures computational efficiency, while uncertainty quantification is essential for making reliable predictions and decisions. In parameter-state estimation, the joint distribution of the state and model parameters conditioned on the data, termed the joint posterior, provides accurate uncertainty quantification. Because the joint posterior is generally intractable to compute, this paper presents an online variational inference framework to compute its approximation at each time step. The approximation is factorized into a marginal distribution over the model parameters and a state distribution conditioned on the parameters. This factorization enables recursive updates through a two-stage procedure: first, the parameter posterior is approximated via variational inference; second, the state distribution conditioned on the parameters is computed using Gaussian filtering based on the estimated parameter posterior. The algorithmic design is supported by a theorem establishing upper bounds on the joint posterior approximation error. Numerical experiments demonstrate that the proposed method (i) matches the performance of the joint particle filter in low-dimensional problems, accurately inferring both unobserved states and unknown parameters of dynamical and observation models; (ii) remains robust under noisy, partial observations and model discrepancies in a chaotic Lorenz 96 system; and (iii) scales effectively to a high-dimensional convection-diffusion system, where it outperforms the joint ensemble Kalman filter.


翻译:在动态系统中进行具有不确定性量化的未知参数与状态在线联合估计,对众多应用至关重要。例如,数字孪生通过动态更新其对模型参数与状态的认知,以支持预测与决策。可靠性与计算速度对数字孪生至关重要。在线参数-状态估计确保了计算效率,而不确定性量化则是实现可靠预测与决策的关键。在参数-状态估计中,以数据为条件的状态与模型参数的联合分布(称为联合后验分布)能够提供精确的不确定性量化。由于联合后验分布通常难以直接计算,本文提出了一种在线变分推断框架,用于在每个时间步计算其近似分布。该近似分布被分解为模型参数的边缘分布和以参数为条件的状态分布。这种分解使得可以通过一个两阶段过程实现递归更新:首先,通过变分推断近似参数后验分布;其次,基于估计的参数后验分布,使用高斯滤波计算以参数为条件的状态分布。该算法设计得到了一项定理的支持,该定理建立了联合后验近似误差的上界。数值实验表明,所提方法(i)在低维问题上与联合粒子滤波器的性能相当,能够准确推断动态模型和观测模型中未观测到的状态与未知参数;(ii)在混沌Lorenz 96系统中,面对噪声、部分观测及模型失配时仍保持稳健性;(iii)能够有效扩展至高维对流-扩散系统,在该系统中其性能优于联合集合卡尔曼滤波器。

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