深度討論集成學(xué)習(xí)方法，解決AI實(shí)踐難題

集成學(xué)習(xí)方法是一類先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，這類方法訓(xùn)練多個學(xué)習(xí)器并將它們結(jié)合起來解決一個問題，在實(shí)踐中獲得了巨大成功，并成為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的“常青樹”，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

本文選自周志華教授專著《集成學(xué)習(xí)：基礎(chǔ)與算法》，帶你進(jìn)一步了解集成學(xué)習(xí)方法及應(yīng)用。

集成學(xué)習(xí)方法

和傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練一個學(xué)習(xí)器不同，集成學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練多個學(xué)習(xí)器并結(jié)合它們來解決一個問題。通常，集成學(xué)習(xí)也被稱為基于委員會的學(xué)習(xí)（committee-based learning）或多分類器系統(tǒng)（multiple classifier system）。

下圖為一個通用的集成學(xué)習(xí)框架。

一個集成由多個基學(xué)習(xí)器（base learner）構(gòu)成，而基學(xué)習(xí)器由基學(xué)習(xí)算法（base learning algorithm）在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上訓(xùn)練獲得，它們可以是決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其他學(xué)習(xí)算法。

大多數(shù)集成學(xué)習(xí)方法使用同一種基學(xué)習(xí)算法產(chǎn)生同質(zhì)的基學(xué)習(xí)器，即相同種類的學(xué)習(xí)器，生成同質(zhì)集成（homogeneous ensemble）；同時，也有一些方法使用多種學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練不同種類的學(xué)習(xí)器，構(gòu)建異質(zhì)集成（heterogeneous ensemble）。在異質(zhì)集成中，由于沒有單一的基學(xué)習(xí)算法，相較于基學(xué)習(xí)器，人們更傾向于稱這些學(xué)習(xí)器為個體學(xué)習(xí)器（individual learner）或組件學(xué)習(xí)器（component learner）。

通常，集成具有比基學(xué)習(xí)器更強(qiáng)的泛化能力。實(shí)際上，集成學(xué)習(xí)方法之所以那么受關(guān)注，很大程度上是因?yàn)樗鼈兡軌虬驯入S機(jī)猜測稍好的弱學(xué)習(xí)器（weak learner）變成可以精確預(yù)測的強(qiáng)學(xué)習(xí)器（strong learner）。因此，在集成學(xué)習(xí)中基學(xué)習(xí)器也稱為弱學(xué)習(xí)器。

由于使用多個模型解決問題的思想在人類社會中有悠久的歷史，我們難以對集成學(xué)習(xí)方法的歷史進(jìn)行溯源。例如，作為科學(xué)研究的基本假設(shè)，當(dāng)簡單假設(shè)和復(fù)雜假設(shè)都符合經(jīng)驗(yàn)觀測時，奧卡姆剃刀（Occam’s razor）準(zhǔn)則偏好簡單假設(shè);但早在此之前，希臘哲學(xué)家伊壁鳩魯（Epicurus，公元前 341—270）提出的多釋準(zhǔn)則（principle of multiple explanations） ［Asmis，1984］ 主張應(yīng)該保留和經(jīng)驗(yàn)觀測符合的多個假設(shè)。

集成學(xué)習(xí)領(lǐng)域的發(fā)展得益于三個方面的早期研究，即：分類器結(jié)合、弱分類器集成和混合專家模型（mixture of experts）。

分類器結(jié)合主要來自模式識別領(lǐng)域。這方面的研究關(guān)注強(qiáng)分類器，試圖設(shè)計強(qiáng)大的結(jié)合規(guī)則來獲取更強(qiáng)的結(jié)合分類器，在設(shè)計和使用不同的結(jié)合規(guī)則上積累深厚。

弱分類器集成方面的研究主要集中在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。這方面的研究關(guān)注弱分類器，試圖設(shè)計強(qiáng)大的算法提升弱分類器的效果，產(chǎn)生了包括 AdaBoost 和 Bagging 等眾多著名的集成學(xué)習(xí)算法，并且在將弱學(xué)習(xí)器提升為強(qiáng)學(xué)習(xí)器方面有深入的理論理解。

混合專家模型的研究主要集中在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。在此，人們通?？紤]使用分而治之的策略來共同學(xué)習(xí)一組模型，并結(jié)合使用它們獲得一個總體解決方案。

20 世紀(jì) 90 年代以來，集成學(xué)習(xí)方法逐漸成為一個主要的學(xué)習(xí)范式，這主要得益于兩項先驅(qū)性工作。其中，［Hansen & Salamon，1990］ 是實(shí)驗(yàn)方面的工 作， 如下圖，它指出一組分類器的集成經(jīng)常會產(chǎn)出比其中最優(yōu)個體分類 器更精準(zhǔn)的預(yù)測；

集成通常比最優(yōu)個體學(xué)習(xí)器更準(zhǔn)確，其中橫坐標(biāo)為噪聲水平（noise level），縱坐標(biāo)為分類錯誤率（error），三種對比方法分別為平均法（average）、最優(yōu)個體法（best single）和結(jié)合方法（combination）［Hansen & Salamon，1990］。

［Schapire，1990］ 是理論方面的工作，它構(gòu)造性地證明了弱學(xué)習(xí)器可以被提升為強(qiáng)學(xué)習(xí)器。雖然我們所需的高精度學(xué)習(xí)器難以訓(xùn)練，但弱學(xué)習(xí)器在實(shí)踐中卻容易獲得，這個理論結(jié)果為使用集成學(xué)習(xí)方法獲得強(qiáng)學(xué)習(xí)器指明了方向。

一般來講，構(gòu)建集成有兩個步驟：首先產(chǎn)生基學(xué)習(xí)器，然后將它們結(jié)合起來。為了獲得一個好的集成，通常認(rèn)為每個基學(xué)習(xí)器應(yīng)該盡可能準(zhǔn)確，同時盡可能不同。

值得一提的是，構(gòu)建一個集成的計算代價未必會顯著高于構(gòu)建單一學(xué)習(xí)器。這是因?yàn)槭褂脝我粚W(xué)習(xí)器時，模型選擇和調(diào)參經(jīng)常會產(chǎn)生多個版本的模型，這與在集成學(xué)習(xí)中構(gòu)建多個基學(xué)習(xí)器的代價是相當(dāng)?shù)?；同時，由于結(jié)合策略一般比較簡單，結(jié)合多個基學(xué)習(xí)器通常只會花費(fèi)很低的計算代價。

集成學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用

KDD Cup作為最著名的數(shù)據(jù)挖掘競賽，自 1997 年以來每年舉辦，吸引了全球大量數(shù)據(jù)挖掘隊伍參加。競賽包含多種多樣的實(shí)際任務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)入侵檢測（1999）、分子生物活性和蛋白質(zhì)位點(diǎn)預(yù)測（2001）、肺栓塞檢測（2006）、客戶關(guān)系管理（2009）、教育數(shù)據(jù)挖掘（2010）和音樂推薦（2011）等。在諸多機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)中，集成學(xué)習(xí)方法獲得了高度的關(guān)注和廣泛的使用。例如，在連續(xù)三年的 KDD Cup 競賽中（2009—2011），獲獎的冠軍和亞軍都使用了集成學(xué)習(xí)方法。

另一項著名的賽事 Netflix Prize由 Netflix 公司舉辦。競賽任務(wù)是基于用戶的歷史偏好提升電影推薦的準(zhǔn)確度，如果參賽隊伍能在 Netflix 公司自己的算法基礎(chǔ)上提升 10% 的準(zhǔn)確度，就能夠獲取百萬美元大獎。2009 年 9 月 21 日，Nexflix 公司宣布，百萬美元大獎由 BellKor’s Pragmatic Chaos 隊獲得，他們的方案結(jié)合了因子模型、回歸模型、玻爾茲曼機(jī)、矩陣分解、k-近鄰等多種模型。另外還有一支隊伍取得了和獲獎隊伍相同的效果，但由于提交結(jié)果晚了 20 分鐘無緣大獎，他們同樣使用了集成學(xué)習(xí)方法，甚至使用 “The Ensemble” 作為隊名。

除了在競賽上獲得顯赫戰(zhàn)績，集成學(xué)習(xí)方法還被成功應(yīng)用到多種實(shí)際應(yīng)用中。實(shí)際上，在幾乎所有的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用場景中都能發(fā)現(xiàn)它的身影。例如，計算機(jī)視覺的絕大部分分支，如目標(biāo)檢測、識別、跟蹤，都從集成學(xué)習(xí)方法中受益。

基于 AdaBoost 和級聯(lián)結(jié)構(gòu)，Viola & Jones ［2001，2004］ 提出了一套通用的目標(biāo)檢測框架。Viola & Jones ［2004］ 顯示在一臺 466MHz 計算機(jī)上，人臉檢 測器僅需 0.067 秒就可以處理 384×288 的圖像，這幾乎比當(dāng)時最好的技術(shù)快 15倍，且具有基本相同的檢測精度。在隨后的十年間，這個框架被公認(rèn)為計算機(jī)視覺領(lǐng)域最重大的技術(shù)突破。

Huang et al. ［2000］ 設(shè)計了一套集成學(xué)習(xí)方法解決姿態(tài)無關(guān)的人臉識別問題。它的基本思路是使用特殊設(shè)計的模型集成多個特定視角的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。和需要姿態(tài)信息作為輸入的傳統(tǒng)方法相比，這個方法不需要姿態(tài)信息，甚至能在輸出識別結(jié)果的同時輸出姿態(tài)信息。Huang et al. ［2000］ 發(fā)現(xiàn)這個方法的效果甚至優(yōu)于以完美姿態(tài)信息作為輸入的傳統(tǒng)方法。類似的方法后來被用于解決多視圖人臉檢測問題 ［Li et al.，2001］。

目標(biāo)跟蹤的目的是在視頻的連續(xù)幀中對目標(biāo)對象進(jìn)行連續(xù)標(biāo)記。通過把目標(biāo)檢測看成二分類問題，并訓(xùn)練一個在線集成來區(qū)分目標(biāo)對象和背景，Avidan ［2007］ 提出了集成跟蹤（ensemble tracking）方法。該方法通過更新弱分類器來學(xué)習(xí)由于對象外觀和背景發(fā)生的變化。Avidan ［2007］ 發(fā)現(xiàn)這套方法能處理多種 具有不同大小目標(biāo)的不同類別視頻，并且運(yùn)行高效，能應(yīng)用于在線任務(wù)。

在計算機(jī)系統(tǒng)中，用戶行為會有不同的抽象層級，相關(guān)信息也會來自多個渠道，集成學(xué)習(xí)方法就非常適合于刻畫計算機(jī)安全問題 ［Corona et al.，［2009］。Giacinto et al. ［2003］ 使用集成學(xué)習(xí)方法解決入侵檢測問題?？紤]到有多種特征刻畫網(wǎng)絡(luò)連接，他們?yōu)槊恳环N特征構(gòu)建了一個集成，并將這些集成的輸出結(jié)合 起來作為最終結(jié)果。Giacinto et al. ［2003］ 發(fā)現(xiàn)在檢測未知類型的攻擊時，集成學(xué)習(xí)方法能夠獲得最優(yōu)的性能。此后，Giacinto et al. ［2008］ 提出了一種集成方法解決基于異常的入侵檢測問題，該方法能夠檢測出未知類型的入侵。

惡意代碼基本上可以分為三類：病毒、蠕蟲和木馬。通過給代碼一個合適的表示，Schultz et al. ［2001］ 提出了一種集成學(xué)習(xí)方法用以自動檢測以往未見的惡意代碼?；趯Υa的 n-gram 表示，Kolter & Maloof ［2006］ 發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)決策樹（boosted decision tree）能夠獲得最優(yōu)的檢測效果，同時他們表示這種方法可以在操作系統(tǒng)中檢測未知類型的惡意代碼。

集成學(xué)習(xí)方法還被應(yīng)用于解決計算機(jī)輔助醫(yī)療診斷中的多種任務(wù)，尤其用于提升診斷的可靠性。周志華等人設(shè)計了一種雙層集成架構(gòu)用于肺癌細(xì)胞檢測任務(wù) ［Zhou et al.，2002a］，其中當(dāng)且僅當(dāng)?shù)谝粚又械乃袀€體學(xué)習(xí)器都診斷為“良性”時才會預(yù)測為“良性”，否則第二層會在“良性”和各種不同的癌癥類型間進(jìn)行預(yù)測。他們發(fā)現(xiàn)雙層集成方法能同時獲得高檢出率和低假陽性率。

對于老年癡呆癥的早期診斷，以往的方法通常僅考慮來自腦電波的單信道數(shù)據(jù)。Polikar et al. ［2008］ 提出了一種集成學(xué)習(xí)方法來利用多信道數(shù)據(jù);在此方法中，個體學(xué)習(xí)器基于來自不同電極、不同刺激和不同頻率的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，同時它 們的輸出被結(jié)合起來產(chǎn)生最終預(yù)測結(jié)果。

除了計算機(jī)視覺、安全和輔助診斷，集成學(xué)習(xí)方法還被應(yīng)用到多個其他領(lǐng)域和任務(wù)中。例如，信用卡欺詐檢測 ［Chan et al.，1999;Panigrahi et al.，2009］，破產(chǎn)預(yù)測 ［West et al.，2005］，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類 ［Tan et al.，2003;Shen & Chou，2006］，種群分布預(yù)測 ［Araujo & New，2007］，天氣預(yù)報 ［Maqsood et al.，2004;Gneiting & Raftery，2005］，電力負(fù)載預(yù)測 ［Taylor & Buizza，2002］， 航空發(fā)動機(jī)缺陷檢測 ［Goebel et al.，2000;Yan & Xue，2008］，音樂風(fēng)格和藝 術(shù)家識別 ［Bergstra et al.，2006］ 等。