機器學(xué)習(xí)全靠調(diào)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(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還能勝任許多強化學(xué)習(xí)任務(wù)。

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。

谷歌大腦用WANN處理了3種強化學(xué)習(xí)任務(wù)。（給每一組神經(jīng)元，共享同一個權(quán)重。)

第一項任務(wù)，Cart-Pole Swing-Up。

這是經(jīng)典的控制任務(wù)，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(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(luò) (Champion Network) 長這樣：

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，給了團隊十分滿意的結(jié)果：只用幾次擺動便達(dá)到了平衡狀態(tài)。

第二項任務(wù)，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(guān)節(jié)、和一個膝關(guān)節(jié)來控制的。有24個輸入，會指導(dǎo)它的運動：包括“激光雷達(dá)”探測的前方地形數(shù)據(jù)，本體感受到的關(guān)節(jié)運動速度等等。比起第一項任務(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對從輸入到輸出的布線方式，有所選擇。這個高維任務(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，長這樣：

第三項任務(wù)，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(zhuǎn)向、制動。目標(biāo)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(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，在簡單程度和模塊化程度上，第二、三項任務(wù)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(guān)節(jié)的速度。

WANN架構(gòu)不止能在不訓(xùn)練單個權(quán)重的情況下完成任務(wù)，而且只用了210個網(wǎng)絡(luò)連接(Connections) ，比當(dāng)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(xué)習(xí)，團隊又瞄準(zhǔn)了MNIST，把WANN拓展到了監(jiān)督學(xué)習(xí)的分類任務(wù)上。一個普通的網(wǎng)絡(luò)，在參數(shù)隨機初始化的情況下，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，喂給它多個權(quán)值的合集，準(zhǔn)確率就達(dá)到了91.6%。

對比一下，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。再對比一下，擁有幾千個權(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權(quán)重時的準(zhǔn)確率相當(dāng)。論文里強調(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：所以隨機權(quán)重是可行的。

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

實現(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，僅使用隨機權(quán)重，就能在MNIST上實現(xiàn)就比隨機猜測高得多的準(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)重對網(wǎng)絡(luò)的影響最小化，用權(quán)重隨機采樣可以保證最終的網(wǎng)絡(luò)是架構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)物，但是在高維空間進行權(quán)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(quán)重強制進行權(quán)重共享（weight-sharing），讓權(quán)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(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rollout評估每個網(wǎng)絡(luò)，并對每個rollout分配不同的共享權(quán)重值。

3、根據(jù)性能和復(fù)雜程度對網(wǎng)絡(luò)進行排序。

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

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?/strong>