AutoML总结
前言
AutoML是指尽量不通过人来设定超参数,而是使用某种学习机制,来调节这些超参数。这些学习机制包括传统的贝叶斯优化,多臂老虎机(multi-armed bandit),进化算法,还有比较新的强化学习。
我将AutoML分为传统AutoML ,自动调节传统的机器学习算法的参数,比如随机森林,我们来调节它的max_depth, num_trees, criterion等参数。 还有一类AutoML,则专注深度学习。这类AutoML,不妨称之为深度AutoML ,与传统AutoML的差别是,现阶段深度AutoML,会将神经网络的超参数分为两类,一类是与训练有关的超参数,比如learning rate, regularization, momentum等;还有一类超参数,则可以总结为网络结构。对网络结构的超参数自动调节,也叫 Neural architecture search (nas) 。而针对训练的超参数,也是传统AutoML的自动调节,叫 Hyperparameter optimization (ho)。
贝叶斯优化
贝叶斯优化是一种近似逼近的方法,用各种代理函数来拟合超参数与模型评价之间的关系,然后选择有希望的超参数组合进行迭代,最后得出效果最好的超参数组合。
算法流程
- 初始化,随机选择若干组参数x,训练模型,得到相应的模型评价指标y
- 用代理函数来拟合x,y
- 用采集函数来选择最佳的x*
- 将x*带入模型,得到 新的y,然后进入第2步
具体算法
算法 | 代理函数 | 采集函数 | 优缺点 |
---|---|---|---|
BO | 高斯过程 | Expected Improvement | 应用广泛,在低维空间表现出色 |
SMAC | 回归随机森林 | Upper Confidence Bound | 对离散型变量表现出色 |
TPE | 高斯混合模型 | Expected Improvement | 高维空间表现出色,有论文表明最实用 |
特点
- 需要消耗大量资源及时间。由于需要至少几十次迭代,即需要训练几十次的模型,因而会造成大量资源、时间消耗。基于这个特点,可以说贝叶斯优化算法适合传统AutoML ,而不适合深度AutoML
- 效果不稳定。由于初始化存在随机性,其效果不稳定。也有论文表明,贝叶斯优化算法并不显著优于随机搜索(random search)
Multi-armed Bandit
multi-armed bandit是非常经典的序列决策模型,要解决的问题是平衡“探索”(exploration)和“利用”(exploitation)。
举一个bandit例子,你有20个按钮,每个按钮按一次可能得到一块钱或者拿不到钱,同时每个按钮的得到一块钱的概率不同,而你在事前对这些概率一无所知。在你有1000次按按钮的机会下,呼和得到最大收益。
这类算法,通过将自动调参问题,转化为bandit问题,配置更多资源给表现更优异的参数模型。
具体算法
Hyperband是一个颇具代表的算法。总体思路我们由一个自动调节LeNet的例子来展示:
R=81代表总资源,\(\mu\) 代表每次筛选的比例,ni代表参数配置的组合数,ri代表资源数,这里代表一个epoch,第一行代表随机得到ni个参数配置,然后经过第ri次迭代之后,根据模型validation loss选择出top k个表现好的模型,继续下一行ri的训练。
特点
- Bandit思想还是很重要的,是一类针对资源配置的算法,可以有效避免资源浪费在很差的参数配置上。
- Bandit结合贝叶斯优化,就构成了传统的AutoML的核心,比如伯克利的这篇paper,或者今年cmu的atm 。事实上,在华为,我也搞了这方面的专利,核心也是Bandit与贝叶斯优化。
- Bandit同样适合于深度AutoML中nas任务,但是对ho任务的应用,我是存疑的,比如学习率lr 一大一小两组实验,在前期极有可能是大lr那组的loss下降快,如果用bandit判断这个lr优秀,而停止了另一组的实验,很有可能造成错误。因为大的学习率,在前期可能确实会加快收敛,但是一段时间后,可能就会震荡了,最后的收敛精度可能就很低。
进化算法
一般的进化算法其实大同小异,差别在如何选择变异,有比较细的变异,比如在Large-Scale Evolution of Image Classifiers 这篇文章中,就定义了非常具体的变异,比如有改变通道数量,改变filter大小,改变stride等等;而在Simple And Efficient Architecture Search for Convolutional Neural Networks这篇论文中,它的变异,就借鉴了现有公认的比较好的结构,加深网络就用conv-bn-relu3件套,加宽网络加大通道数量,增加skip connection。
这些进化算法在做自动模型选择时,每次迭代都不可避免的需要在整个数据集上跑若干个epoch,而每次迭代都有许多个变异,又需要很多次迭代,导致最后的训练时间太久。
fine-tune基础上的进化
Simple And Efficient Architecture Search for Convolutional Neural Networks 这篇论文提出,我们先用一个成熟的模型去训练(也可以fine-tune训练),然后在这个模型的基础上去变异,变异之后用fine-tune训练几个epoch即可。这带来两个好的结果:
- fine tune减少了大量的训练时间
- 我们最后拿出来的模型,至少不比成熟模型差
个人认为,这篇论文很有实际意义。
辅助网络初始化参数
SMASH: One-Shot Model Architecture Search through HyperNetworks 在这篇论文中,介绍了一种利用辅助网络给不同的网络初始化参数,从而无需重训练的方法。
其大致流程是在一堆待搜索的网络结构中,随机挑选数据和网络结构,用辅助网络负责参数初始化,然后训练用梯度下降训练这个辅助网络。在该辅助网络训练的足够好之后,就可以用它给各个不同的网络初始化参数,然后测试validation loss,最后挑出最优的网络结构,从头开始正常训练。
该方法通过训练一次辅助网络,避免每个网络都需要训练的情况,使得训练时间大大减小。该方法非常具有参考意义。
强化学习
强化学习在nas和ho两方面都有应用。
强化学习-自动网络结构搜索
Learning Transferable Architectures for Scalable Image Recognition
用RNN作为controller,产生网络结构,然后根据收敛精度调节rnn。
将整个网络分为两种cell,Normal cell 和 Reduction cell,每个cell有B个block组成,而一个cell由rnn生成的过程如图所示:
- 选择一个hidden layer A
- 选择一个hidden layer B
- 为A选择一个op
- 为B选择一个op
- 选择一个结合op
- 重复1-5步骤B次,生成一个cell
该方法现在cifar10上寻找到两种cell的结构,然后迁移到imagenet上。
值得注意的是,该方法虽然效果惊人,但是人为的提前设定非常多:
- 每个cell有B个block组成,B是人为设定的值,这里被设为了5;
- cell的数量及cell的排序顺序都是提前订好的;
因此在这个网络结构的搜索中,模型的探索空间有限,同时它在cifar10上进行训练,因此它的速度还不错。
强化学习-超参数
Neural Optimizer Search with Reinforcement Learning
用RNN作为optimizer的controller,产生optimizer,然后用小的cnn模型训练5个epoch,得到的val_acc作为reward,训练。
将每个optimizer抽象的表达为:
比如:
最后产生了两类optimizer:
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