谷歌发布颠覆性研究：不训练不调参，AI自动构建超强网络
栗子曉查發(fā)自凹非寺
量子位報道公眾號 QbitAI
機器學習全靠調參？這個思路已經(jīng)過時了。
谷歌大腦團隊發(fā)布了一項新研究：
只靠神經(jīng)網(wǎng)絡架構搜索出的網(wǎng)絡，不訓練，不調參，就能直接執(zhí)行任務。
這樣的網(wǎng)絡叫做WANN，權重不可知神經(jīng)網(wǎng)絡。
它在 MNIST 數(shù)字分類任務上，未經(jīng)訓練和權重調整，就達到了 92% 的準確率，和訓練后的線性分類器表現(xiàn)相當。
除了監(jiān)督學習，WANN 還能勝任許多強化學習任務。
團隊成員之一的大佬 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 種強化學習任務。
（給每一組神經(jīng)元，共享同一個權重。)
第一項任務，Cart-Pole Swing-Up。
這是經(jīng)典的控制任務，一條滑軌，一臺小車，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。
(這個任務比單純的 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。每一個時間步的獎勵，都是基于小車到滑軌一頭的距離，以及桿子擺動的角度。
WANN 的最佳網(wǎng)絡 (Champion Network) 長這樣：
它在沒有訓練的狀態(tài)下，已經(jīng)表現(xiàn)優(yōu)異：
表現(xiàn)最好的共享權重，給了團隊十分滿意的結果：只用幾次擺動便達到了平衡狀態(tài)。
第二項任務，Bipedal Waker-v2。
一只兩足“生物”，要在隨機生成的道路上往前走，越過凸起，跨過陷坑。獎勵多少，就看它從出發(fā)到掛掉走了多長的路，以及電機扭矩的成本(為了鼓勵高效運動) 。
每條腿的運動，都是由一個髖關節(jié)、和一個膝關節(jié)來控制的。有 24 個輸入，會指導它的運動：包括“激光雷達”探測的前方地形數(shù)據(jù)，本體感受到的關節(jié)運動速度等等。
比起第一項任務中的低維輸入，這里可能的網(wǎng)絡連接就更多樣了：
所以，需要 WANN 對從輸入到輸出的布線方式，有所選擇。
這個高維任務，WANN 也優(yōu)質完成了。
你看，這是搜索出的最佳架構，比剛才的低維任務復雜了許多：
它在-1.5 的權重下奔跑，長這樣：
第三項任務，CarRacing-v0。
這是一個自上而下的 (Top-Down) 、像素環(huán)境里的賽車游戲。
一輛車，由三個連續(xù)命令來控制：油門、轉向、制動。目標是在規(guī)定的時間里，經(jīng)過盡可能多的磚塊。賽道是隨機生成的。
研究人員把解釋每個像素 (Pixel Interpretation) 的工作交給了一個預訓練的變分自編碼器 (VAE) ，它可以把像素表征壓縮到 16 個潛在維度。
這 16 維就是網(wǎng)絡輸入的維度。學到的特征是用來檢測 WANN 學習抽象關聯(lián) (Abstract Associations) 的能力，而不是編碼不同輸入之間顯式的幾何關系。
這是 WANN 最佳網(wǎng)絡，在-1.4 共享權重下、未經(jīng)訓練的賽車成果：
雖然路走得有些蜿蜒，但很少偏離跑到。
而把最佳網(wǎng)絡微調一下，不用訓練，便更加順滑了：
總結一下，在簡單程度和模塊化程度上，第二、三項任務都表現(xiàn)得優(yōu)秀，兩足控制器只用了 25 個可能輸入中的 17 個，忽略了許多 LIDAR 傳感器和膝關節(jié)的速度。
WANN 架構不止能在不訓練單個權重的情況下完成任務，而且只用了210 個網(wǎng)絡連接(Connections) ，比當前 State-of-the-Art 模型用到的 2804 個連接，少了一個數(shù)量級。
做完強化學習，團隊又瞄準了MNIST，把 WANN 拓展到了監(jiān)督學習的分類任務上。
一個普通的網(wǎng)絡，在參數(shù)隨機初始化的情況下，MNIST 上面的準確率可能只有10%左右。
而新方法搜索到的網(wǎng)絡架構 WANN，用隨機權重去跑，準確率已經(jīng)超過了80%；
如果像剛剛提到的那樣，喂給它多個權值的合集，準確率就達到了91. 6%。
對比一下，經(jīng)過微調的權重，帶來的準確率是 91.9%，訓練過的權重，可以帶來 94.2% 的準確率。
再對比一下，擁有幾千個權重的線性分類器：
也只是和 WANN 完全沒訓練、沒微調、僅僅喂食了一些隨機權重時的準確率相當。
論文里強調，MINST 手寫數(shù)字分類是高維分類任務。WANN 表現(xiàn)得非常出色。
并且沒有哪個權值，顯得比其他值更優(yōu)秀，大家表現(xiàn)得十分均衡：所以隨機權重是可行的。
不過，每個不同的權重形成的不同網(wǎng)絡，有各自擅長分辨的數(shù)字，所以可以把一個擁有多個權值的 WANN，用作一個自給自足的合集 (Self-Contained Ensemble) 。
實現(xiàn)原理
不訓練權重參數(shù)獲得極高準確度，WANN 是如何做到的呢？
神經(jīng)網(wǎng)絡不僅有權重偏置這些參數(shù)，網(wǎng)絡的拓撲結構、激活函數(shù)的選擇都會影響最終結果。
谷歌大腦的研究人員在論文開頭就提出質疑：神經(jīng)網(wǎng)絡的權重參數(shù)與其架構相比有多重要？在沒有學習任何權重參數(shù)的情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡架構可以在多大程度上影響給定任務的解決方案。
為此，研究人員提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡架構的搜索方法，無需訓練權重找到執(zhí)行強化學習任務的最小神經(jīng)網(wǎng)絡架構。
谷歌研究人員還把這種方法用在監(jiān)督學習領域，僅使用隨機權重，就能在 MNIST 上實現(xiàn)就比隨機猜測高得多的準確率。
論文從架構搜索、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡、算法信息論、網(wǎng)絡剪枝、神經(jīng)科學這些理論中獲得啟發(fā)。
為了生成 WANN，必須將權重對網(wǎng)絡的影響最小化，用權重隨機采樣可以保證最終的網(wǎng)絡是架構優(yōu)化的產(chǎn)物，但是在高維空間進行權重隨機采樣的難度太大。
研究人員采取了“簡單粗暴”的方法，對所有權重強制進行權重共享（weight-sharing），讓權重值的數(shù)量減少到一個。這種高效的近似可以推動對更好架構的搜索。
操作步驟
解決了權重初始化的問題，接下來的問題就是如何收搜索權重不可知神經(jīng)網(wǎng)絡。它分為四個步驟：
1、創(chuàng)建初始的最小神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲群。
2、通過多個 rollout 評估每個網(wǎng)絡，并對每個 rollout 分配不同的共享權重值。
3、根據(jù)性能和復雜程度對網(wǎng)絡進行排序。
4、根據(jù)排名最高的網(wǎng)絡拓撲來創(chuàng)建新的群，通過競爭結果進行概率性的選擇。
然后，算法從第 2 步開始重復，在連續(xù)迭代中，產(chǎn)生復雜度逐漸增加的權重不可知拓撲（weight agnostic topologies ）。
拓撲搜索
用于搜索神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲的操作受到神經(jīng)進化算法（NEAT）的啟發(fā)。在 NEAT 中，拓撲和權重值同時優(yōu)化，研究人員忽略權重，只進行拓撲搜索操作。
上圖展示了網(wǎng)絡拓撲空間搜索的具體操作：
一開始網(wǎng)絡上是最左側的最小拓撲結構，僅有部分輸入和輸出是相連的。
然后，網(wǎng)絡按以下三種方式進行更改：
1、插入節(jié)點：拆分現(xiàn)有連接插入新節(jié)點。
2、添加連接：連接兩個之前未連接的節(jié)點，添加新連接。
3、更改激活函數(shù)：重新分配隱藏節(jié)點的激活函數(shù)。
圖的最右側展示了權重在[2,2]取值范圍內可能的激活函數(shù)，如線性函數(shù)、階躍函數(shù)、正弦余弦函數(shù)、ReLU 等等。
權重依然重要
WANN 與傳統(tǒng)的固定拓撲網(wǎng)絡相比，可以使用單個的隨機共享權重也能獲得更好的結果。
雖然 WANN 在多項任務中取得了最佳結果，但 WANN 并不完全獨立于權重值，當隨機分配單個權重值時，有時也會失敗。
WANN 通過編碼輸入和輸出之間的關系起作用，雖然權重的大小的重要性并不高，但它們的一致性，尤其是符號的一致性才是關鍵。
隨機共享權重的另一個好處是，調整單個參數(shù)的影響變得不重要，無需使用基于梯度的方法。
強化學習任務中的結果讓作者考慮推廣 WANN 方法的應用范圍。他們又測試了 WANN 在圖像分類基礎任務 MNIST 上的表現(xiàn)，結果在權重接近 0 時效果不佳。
有 Reddit 網(wǎng)友質疑 WANN 的結果，對于隨機權重接近于 0 的情況，該網(wǎng)絡的性能并不好，先強化學習實驗中的具體表現(xiàn)就是，小車會跑出限定范圍。
對此，作者給出解釋，在權重趨于 0 的情況下，網(wǎng)絡的輸出也會趨于0，所以后期的優(yōu)化很難達到較好的性能。
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原文鏈接：
https://weightagnostic.github.io/
源代碼：
https://github.com/weightagnostic/weightagnostic.github.io
— 完 —
總結
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