機(jī)器學(xué)習(xí)全靠調(diào)參?谷歌發(fā)布顛覆性研究

機(jī)器學(xué)習(xí)全靠調(diào)參？這個(gè)思路已經(jīng)過時(shí)了。

谷歌大腦團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一項(xiàng)新研究：

只靠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索出的網(wǎng)絡(luò)，不訓(xùn)練，不調(diào)參，就能直接執(zhí)行任務(wù)。

這樣的網(wǎng)絡(luò)叫做WANN，權(quán)重不可知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

它在MNIST數(shù)字分類任務(wù)上，未經(jīng)訓(xùn)練和權(quán)重調(diào)整，就達(dá)到了92%的準(zhǔn)確率，和訓(xùn)練后的線性分類器表現(xiàn)相當(dāng)。

除了監(jiān)督學(xué)習(xí)，WANN還能勝任許多強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)。

團(tuán)隊(duì)成員之一的大佬David Ha，把成果發(fā)上了推特，已經(jīng)獲得了1300多贊：

那么，先來看看效果吧。

效果

谷歌大腦用WANN處理了3種強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)。

（給每一組神經(jīng)元，共享同一個(gè)權(quán)重。)

第一項(xiàng)任務(wù)，Cart-Pole Swing-Up。

這是經(jīng)典的控制任務(wù)，一條滑軌，一臺(tái)小車，車上一根桿子。

小車在滑軌的范圍里跑，要把桿子從自然下垂的狀態(tài)搖上來，保持在直立的位置不掉下來。

(這個(gè)任務(wù)比單純的Cart-Pole要難一些：

Cart-Pole桿子的初始位置就是向上直立，不需要小車把它搖上來，只要保持就可以。)

難度體現(xiàn)在，沒有辦法用線性控制器 (Linear Controller) 來解決。每一個(gè)時(shí)間步的獎(jiǎng)勵(lì)，都是基于小車到滑軌一頭的距離，以及桿子擺動(dòng)的角度。

WANN的最佳網(wǎng)絡(luò) (Champion Network) 長(zhǎng)這樣：

它在沒有訓(xùn)練的狀態(tài)下，已經(jīng)表現(xiàn)優(yōu)異：

表現(xiàn)最好的共享權(quán)重，給了團(tuán)隊(duì)十分滿意的結(jié)果：只用幾次擺動(dòng)便達(dá)到了平衡狀態(tài)。

第二項(xiàng)任務(wù)，Bipedal Waker-v2。

一只兩足“生物”，要在隨機(jī)生成的道路上往前走，越過凸起，跨過陷坑。獎(jiǎng)勵(lì)多少，就看它從出發(fā)到掛掉走了多長(zhǎng)的路，以及電機(jī)扭矩的成本(為了鼓勵(lì)高效運(yùn)動(dòng)) 。

每條腿的運(yùn)動(dòng)，都是由一個(gè)髖關(guān)節(jié)、和一個(gè)膝關(guān)節(jié)來控制的。有24個(gè)輸入，會(huì)指導(dǎo)它的運(yùn)動(dòng)：包括“激光雷達(dá)”探測(cè)的前方地形數(shù)據(jù)，本體感受到的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度等等。

比起第一項(xiàng)任務(wù)中的低維輸入，這里可能的網(wǎng)絡(luò)連接就更多樣了：

所以，需要WANN對(duì)從輸入到輸出的布線方式，有所選擇。

這個(gè)高維任務(wù)，WANN也優(yōu)質(zhì)完成了。

你看，這是搜索出的最佳架構(gòu)，比剛才的低維任務(wù)復(fù)雜了許多：

它在-1.5的權(quán)重下奔跑，長(zhǎng)這樣：

第三項(xiàng)任務(wù)，CarRacing-v0。

這是一個(gè)自上而下的 (Top-Down) 、像素環(huán)境里的賽車游戲。

一輛車，由三個(gè)連續(xù)命令來控制：油門、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)。目標(biāo)是在規(guī)定的時(shí)間里，經(jīng)過盡可能多的磚塊。賽道是隨機(jī)生成的。

研究人員把解釋每個(gè)像素 (Pixel Interpretation) 的工作交給了一個(gè)預(yù)訓(xùn)練的變分自編碼器 (VAE) ，它可以把像素表征壓縮到16個(gè)潛在維度。

這16維就是網(wǎng)絡(luò)輸入的維度。學(xué)到的特征是用來檢測(cè)WANN學(xué)習(xí)抽象關(guān)聯(lián) (Abstract Associations) 的能力，而不是編碼不同輸入之間顯式的幾何關(guān)系。

這是WANN最佳網(wǎng)絡(luò)，在-1.4共享權(quán)重下、未經(jīng)訓(xùn)練的賽車成果：

雖然路走得有些蜿蜒，但很少偏離跑到。

而把最佳網(wǎng)絡(luò)微調(diào)一下，不用訓(xùn)練，便更加順滑了：

總結(jié)一下，在簡(jiǎn)單程度和模塊化程度上，第二、三項(xiàng)任務(wù)都表現(xiàn)得優(yōu)秀，兩足控制器只用了25個(gè)可能輸入中的17個(gè)，忽略了許多LIDAR傳感器和膝關(guān)節(jié)的速度。

WANN架構(gòu)不止能在不訓(xùn)練單個(gè)權(quán)重的情況下完成任務(wù)，而且只用了210個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接(Connections) ，比當(dāng)前State-of-the-Art模型用到的2804個(gè)連接，少了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

做完強(qiáng)化學(xué)習(xí)，團(tuán)隊(duì)又瞄準(zhǔn)了MNIST，把WANN拓展到了監(jiān)督學(xué)習(xí)的分類任務(wù)上。

一個(gè)普通的網(wǎng)絡(luò)，在參數(shù)隨機(jī)初始化的情況下，MNIST上面的準(zhǔn)確率可能只有10%左右。

而新方法搜索到的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)WANN，用隨機(jī)權(quán)重去跑，準(zhǔn)確率已經(jīng)超過了80%；

如果像剛剛提到的那樣，喂給它多個(gè)權(quán)值的合集，準(zhǔn)確率就達(dá)到了91.6%。

對(duì)比一下，經(jīng)過微調(diào)的權(quán)重，帶來的準(zhǔn)確率是91.9%，訓(xùn)練過的權(quán)重，可以帶來94.2%的準(zhǔn)確率。

再對(duì)比一下，擁有幾千個(gè)權(quán)重的線性分類器：

也只是和WANN完全沒訓(xùn)練、沒微調(diào)、僅僅喂食了一些隨機(jī)權(quán)重時(shí)的準(zhǔn)確率相當(dāng)。

論文里強(qiáng)調(diào)，MINST手寫數(shù)字分類是高維分類任務(wù)。WANN表現(xiàn)得非常出色。

并且沒有哪個(gè)權(quán)值，顯得比其他值更優(yōu)秀，大家表現(xiàn)得十分均衡：所以隨機(jī)權(quán)重是可行的。

不過，每個(gè)不同的權(quán)重形成的不同網(wǎng)絡(luò)，有各自擅長(zhǎng)分辨的數(shù)字，所以可以把一個(gè)擁有多個(gè)權(quán)值的WANN，用作一個(gè)自給自足的合集 (Self-Contained Ensemble) 。

實(shí)現(xiàn)原理

不訓(xùn)練權(quán)重參數(shù)獲得極高準(zhǔn)確度，WANN是如何做到的呢？

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅有權(quán)重偏置這些參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、激活函數(shù)的選擇都會(huì)影響最終結(jié)果。

谷歌大腦的研究人員在論文開頭就提出質(zhì)疑：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重參數(shù)與其架構(gòu)相比有多重要？在沒有學(xué)習(xí)任何權(quán)重參數(shù)的情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以在多大程度上影響給定任務(wù)的解決方案。

為此，研究人員提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的搜索方法，無需訓(xùn)練權(quán)重找到執(zhí)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)的最小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

谷歌研究人員還把這種方法用在監(jiān)督學(xué)習(xí)領(lǐng)域，僅使用隨機(jī)權(quán)重，就能在MNIST上實(shí)現(xiàn)就比隨機(jī)猜測(cè)高得多的準(zhǔn)確率。

論文從架構(gòu)搜索、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、算法信息論、網(wǎng)絡(luò)剪枝、神經(jīng)科學(xué)這些理論中獲得啟發(fā)。

為了生成WANN，必須將權(quán)重對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響最小化，用權(quán)重隨機(jī)采樣可以保證最終的網(wǎng)絡(luò)是架構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)物，但是在高維空間進(jìn)行權(quán)重隨機(jī)采樣的難度太大。

研究人員采取了“簡(jiǎn)單粗暴”的方法，對(duì)所有權(quán)重強(qiáng)制進(jìn)行權(quán)重共享（weight-sharing），讓權(quán)重值的數(shù)量減少到一個(gè)。這種高效的近似可以推動(dòng)對(duì)更好架構(gòu)的搜索。

操作步驟

解決了權(quán)重初始化的問題，接下來的問題就是如何收搜索權(quán)重不可知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它分為四個(gè)步驟：

1、創(chuàng)建初始的最小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙骸?/p>

2、通過多個(gè)rollout評(píng)估每個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)每個(gè)rollout分配不同的共享權(quán)重值。

3、根據(jù)性能和復(fù)雜程度對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排序。

4、根據(jù)排名最高的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪韯?chuàng)建新的群，通過競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果進(jìn)行概率性的選擇。

然后，算法從第2步開始重復(fù)，在連續(xù)迭代中，產(chǎn)生復(fù)雜度逐漸增加的權(quán)重不可知拓?fù)洌╳eight agnostic topologies ）。

拓?fù)渌阉?/p>

用于搜索神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟僮魇艿?strong>神經(jīng)進(jìn)化算法（NEAT）的啟發(fā)。在NEAT中，拓?fù)浜蜋?quán)重值同時(shí)優(yōu)化，研究人員忽略權(quán)重，只進(jìn)行拓?fù)渌阉鞑僮鳌?/p>

上圖展示了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇臻g搜索的具體操作：

一開始網(wǎng)絡(luò)上是最左側(cè)的最小拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅有部分輸入和輸出是相連的。

然后，網(wǎng)絡(luò)按以下三種方式進(jìn)行更改：

1、插入節(jié)點(diǎn)：拆分現(xiàn)有連接插入新節(jié)點(diǎn)。

2、添加連接：連接兩個(gè)之前未連接的節(jié)點(diǎn)，添加新連接。

3、更改激活函數(shù)：重新分配隱藏節(jié)點(diǎn)的激活函數(shù)。

圖的最右側(cè)展示了權(quán)重在[2,2]取值范圍內(nèi)可能的激活函數(shù)，如線性函數(shù)、階躍函數(shù)、正弦余弦函數(shù)、ReLU等等。

權(quán)重依然重要

WANN與傳統(tǒng)的固定拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)相比，可以使用單個(gè)的隨機(jī)共享權(quán)重也能獲得更好的結(jié)果。

雖然WANN在多項(xiàng)任務(wù)中取得了最佳結(jié)果，但WANN并不完全獨(dú)立于權(quán)重值，當(dāng)隨機(jī)分配單個(gè)權(quán)重值時(shí)，有時(shí)也會(huì)失敗。

WANN通過編碼輸入和輸出之間的關(guān)系起作用，雖然權(quán)重的大小的重要性并不高，但它們的一致性，尤其是符號(hào)的一致性才是關(guān)鍵。

隨機(jī)共享權(quán)重的另一個(gè)好處是，調(diào)整單個(gè)參數(shù)的影響變得不重要，無需使用基于梯度的方法。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)中的結(jié)果讓作者考慮推廣WANN方法的應(yīng)用范圍。他們又測(cè)試了WANN在圖像分類基礎(chǔ)任務(wù)MNIST上的表現(xiàn)，結(jié)果在權(quán)重接近0時(shí)效果不佳。

有Reddit網(wǎng)友質(zhì)疑WANN的結(jié)果，對(duì)于隨機(jī)權(quán)重接近于0的情況，該網(wǎng)絡(luò)的性能并不好，先強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中的具體表現(xiàn)就是，小車會(huì)跑出限定范圍。

對(duì)此，作者給出解釋，在權(quán)重趨于0的情況下，網(wǎng)絡(luò)的輸出也會(huì)趨于0，所以后期的優(yōu)化很難達(dá)到較好的性能。