Sayed Soroush, Haj Zargarbashi
(2026).
Distribution Free Uncertainty Quantification under Adversarial Attacks and Graph Dependencies.
PhD thesis, Universität zu Köln.
|
PDF
thesis_publish.pdf - Accepted Version Bereitstellung unter der CC-Lizenz: Creative Commons Attribution. Download (13MB) |
Abstract
With the vast deployment of machine learning models in safety-critical domains, rigorous uncertainty quantification is essential to ensure a reliable and trustworthy AI ecosystem. Building on top of conformal prediction (CP) — a powerful framework that provides distribution-free, finite-sample guarantees on predictive validity — this dissertation develops novel methods for graph-aware and robust application of conformal prediction. First, we discuss conformal prediction for graph node-classification task. We show that the interdependence in GNN message passing does not break the conformal guarantee as long as the GNN is permutation equivariant. We show the validity of conformal prediction in a transductive setup where the entire graph is visible at once, and in node, or edge-exchangeable inductive setup where the graph is updated with new nodes and edges over time. Leveraging the neighborhood structure, we improve set size efficiency -- we show that diffusion over the conformity score can reduce the size of the prediction set while maintaining the same guarantee. Additionally, it is shown that AI models are vulnerable to various forms of noise and adversarial attacks, which can significantly degrade their performance and reliability. Same vulnerabilities can also affect the validity of conformal prediction sets -- by a tiny perturbation in the input, the guarantee of CP can be completely broken, and the empirical coverage sharply drops to zero. We discuss the robustness of conformal prediction to worst-case natural noise and adversarial perturbations. We design provably robust CP sets that remain valid under worst-case perturbations in conformity scores, covering both evasion and poisoning attacks. We build our robust CP on randomized smoothing framework which provides robustness with black-box model access to larger magnitudes of perturbations. While randomized smoothing provides strong robustness guarantees, it can be computationally expensive. To address this, we introduce single-sample robust conformal predictors that certify the CP procedure directly rather than per-score, achieving comparable robustness with significantly lower computational cost. Our work advances the state-of-the-art in robust conformal prediction both in set size and computational efficiency, paving the way for more reliable and trustworthy AI systems in safety-critical and real-time applications.
| Item Type: | Thesis (PhD thesis) |
| Translated abstract: | Abstract Language Mit dem breiten Einsatz von Machine-Learning-Modellen in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen ist eine rigorose Unsicherheitsquantifizierung essenziell, um ein verlässliches und vertrauenswürdiges KI-Ökosystem sicherzustellen. Zudem wurde gezeigt, dass KI-Modelle gegenüber verschiedenen Formen von Rauschen und adversarialen Angriffen anfällig sind, was ihre Leistung und Zuverlässigkeit erheblich beeinträchtigen kann. Aufbauend auf Conformal Prediction (CP) – einem leistungsfähigen Rahmenwerk, das verteilungsfreie Garantien endlicher Stichproben für die prädiktive Validität liefert – entwickelt diese Dissertation neuartige Methoden für robuste und effiziente Unsicherheitsquantifizierung.
Wir behandeln CP-basierte Methoden für die Aufgabe der Knotenk klassifikation in Graphen. Dabei zeigen wir, dass die Abhängigkeiten im Message Passing von Graph Neural Networks (GNNs) die konformen Garantien nicht verletzen, solange das GNN permutationsäquivariant ist. Wir betrachten sowohl das transduktive Szenario, in dem der gesamte Graph auf einmal sichtbar ist, als auch induktive Szenarien mit Knoten- oder Kanten-Austauschbarkeit, bei denen der Graph im Zeitverlauf um neue Knoten und Kanten erweitert wird. Unter Ausnutzung der Nachbarschaftsstruktur verbessern wir die Effizienz der Vorhersagemengen; wir zeigen, dass eine Diffusion über den Konformitätsscore die Größe der Vorhersagemenge verringern kann, ohne die gleiche Garantie zu verlieren.
Orthogonal dazu untersuchen wir die Robustheit von Conformal Prediction gegenüber natürlichem Worst-Case-Rauschen und adversarialen Störungen. Wir entwerfen nachweisbar robuste CP-Mengen, die auch unter Worst-Case-Perturbationen der Konformitätsscores gültig bleiben, und decken dabei sowohl Evasion- als auch Poisoning-Angriffe ab. Unsere robuste CP basiert auf dem Framework des Randomized Smoothing, das bei Black-Box-Zugriff auf das Modell Robustheit gegenüber größeren Störungsstärken bietet. Da Randomized Smoothing jedoch mit hohen Rechenkosten verbunden sein kann, führen wir Single-Sample-robuste konforme Prädiktoren ein, die direkt das CP-Verfahren statt einzelner Scores zertifizieren und damit vergleichbare Robustheit bei deutlich geringerem Rechenaufwand erreichen.
Unsere Arbeit erweitert den Stand der Technik in der robusten Conformal Prediction sowohl hinsichtlich der Größe der Vorhersagemengen als auch der rechnerischen Effizienz und ebnet damit den Weg für verlässlichere und vertrauenswürdigere KI-Systeme in sicherheitskritischen und echtzeitnahen Anwendungen. German |
| Creators: | Creators Email ORCID ORCID Put Code Sayed Soroush, Haj Zargarbashi soroushzargar@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED |
| URN: | urn:nbn:de:hbz:38-805248 |
| Date: | 2026 |
| Language: | English |
| Faculty: | Faculty of Mathematics and Natural Sciences |
| Divisions: | Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Mathematics and Computer Science > Institute of Computer Science |
| Subjects: | Data processing Computer science |
| Uncontrolled Keywords: | Keywords Language Conformal Prediction English Uncertainty Quantification English Machine Learning English |
| Date of oral exam: | 22 June 2026 |
| Referee: | Name Academic Title Bojchevski, Aleksandar Prof. Dr. Vreeken, Jilles Prof. Dr. Stich, Sebastian Dr. |
| Refereed: | Yes |
| URI: | http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/80524 |
Downloads
Downloads per month over past year
Export
Actions (login required)
![]() |
View Item |
