The filtering distribution in hidden Markov models evolves according to the law of a mean-field model in state-observation space. The ensemble Kalman filter (EnKF) approximates this mean-field model with an ensemble of interacting particles, employing a Gaussian ansatz for the joint distribution of the state and observation at each observation time. These methods are robust, but the Gaussian ansatz limits accuracy. Here this shortcoming is addressed by using machine learning to map the joint predicted state and observation to the updated state estimate. The derivation of methods from a mean field formulation of the true filtering distribution suggests a single parametrization of the algorithm that can be deployed at different ensemble sizes. And we use a mean field formulation of the ensemble Kalman filter as an inductive bias for our architecture. To develop this perspective, in which the mean-field limit of the algorithm and finite interacting ensemble particle approximations share a common set of parameters, a novel form of neural operator is introduced, taking probability distributions as input: a measure neural mapping (MNM). A MNM is used to design a novel approach to filtering, the MNM-enhanced ensemble filter (MNMEF), which is defined in both the mean-field limit and for interacting ensemble particle approximations. The ensemble approach uses empirical measures as input to the MNM and is implemented using the set transformer, which is invariant to ensemble permutation and allows for different ensemble sizes. In practice fine-tuning of a small number of parameters, for specific ensemble sizes, further enhances the accuracy of the scheme. The promise of the approach is demonstrated by its superior root-mean-square-error performance relative to leading methods in filtering the Lorenz '96 and Kuramoto-Sivashinsky models.


翻译:隐马尔可夫模型中的滤波分布依据状态-观测空间中平均场模型的规律演化。集成卡尔曼滤波器(EnKF)通过一组相互作用的粒子来近似该平均场模型,并在每个观测时刻对状态与观测的联合分布采用高斯假设。这些方法具有鲁棒性,但高斯假设限制了其精度。本文通过使用机器学习将联合预测状态与观测映射至更新后的状态估计,以解决这一不足。从真实滤波分布的平均场表述推导方法,表明该算法可采用单一参数化形式,并适用于不同的集成规模。我们以集成卡尔曼滤波器的平均场表述作为网络架构的归纳偏置。为发展这一视角——即算法的平均场极限与有限相互作用集成粒子近似共享同一组参数——本文引入了一种新型神经算子,它以概率分布作为输入:测度神经映射(MNM)。利用MNM设计了一种新颖的滤波方法,即MNM增强集成滤波器(MNMEF),该方法在平均场极限和相互作用集成粒子近似中均有定义。集成方法将经验测度作为MNM的输入,并通过集合变换器实现,该变换器对集成排列具有不变性,并允许不同的集成规模。在实践中,针对特定集成规模微调少量参数可进一步提升方案的精度。该方法在滤波洛伦兹'96模型和Kuramoto-Sivashinsky模型时,其均方根误差性能优于主流方法,展现了其应用前景。

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