調(diào)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所遵循的五項(xiàng)原則

很多情況下，研究人員會(huì)遇到一個(gè)問題：使用機(jī)器學(xué)習(xí)框架實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能與理論模型相去甚遠(yuǎn)。驗(yàn)證這款模型是否可靠，直接方式就是不斷修正和調(diào)參。例如，在 2018 年 8 月，谷歌大腦的 Ian Goodfellow 等人，通過引入由覆蓋性引導(dǎo)的模糊方法（coverage-guided fuzzing，CGF），推出了一款自動(dòng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) debug 的開源庫 TensorFuzz。

想要調(diào)試機(jī)器學(xué)習(xí)模型其實(shí)并不容易，因?yàn)檎?bug 這個(gè)過程需要付出的代價(jià)實(shí)在太高了。即便是對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究人員也需要經(jīng)常討論網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、權(quán)重初始化和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等問題。

正如 Chase Robert 此前在 “如何最小化測(cè)試機(jī)器學(xué)習(xí)代碼” 的一篇文章中曾描述了這類問題：“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)繼續(xù)訓(xùn)練，損失會(huì)持續(xù)減少；訓(xùn)練幾小時(shí)后會(huì)收斂，但效果卻很差……”

對(duì)此，在單一的工具之外，Cecelia Shao 通過提供一種思路以表達(dá)她對(duì)調(diào)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所遵循的五項(xiàng)原則：

從繁就簡(jiǎn)

確認(rèn)模型損失

檢查中間輸出和連接

診斷參數(shù)

追蹤工作

1. 從繁就簡(jiǎn)

具有正規(guī)化和學(xué)習(xí)率（learning rate）調(diào)度器的復(fù)雜架構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更難調(diào)試。

首先，構(gòu)建一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型：構(gòu)建一個(gè)具有單個(gè)隱藏層的小模型，并進(jìn)行驗(yàn)證；然后逐漸添加模型的復(fù)雜性，同時(shí)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的每個(gè)層面（附加層、參數(shù)等）是否有效。

其次，在單個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上訓(xùn)練模型：可以使用一兩個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)點(diǎn)（data point）以確認(rèn)模型是否過度擬合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)立即過度擬合，訓(xùn)練準(zhǔn)確率為 100%，這表明模型符合；如果模型無法過度擬合這些數(shù)據(jù)點(diǎn)，就證明太小或存在 bug。

2. 確認(rèn)模型損失

模型損失是評(píng)估模型性能的主要方式，也是模型設(shè)置重要參數(shù)以進(jìn)行評(píng)估的依據(jù)，因此需要確保：

模型損失適用于任務(wù)（使用分類交叉熵?fù)p失（cross-entropy los）進(jìn)行多分類問題或使用 focal loss 以解決不平衡問題）；

正確衡量損失函數(shù)的重要性。如果你使用多種類型的損失函數(shù)，如 MSE、對(duì)抗性、L1、feature loss,，那么請(qǐng)確保所有損失以正確的方式排序。

3. 檢查中間輸出和連接

為了調(diào)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，你需要理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)、不同中間層所起的作用，以及層與層之間是如何連接起來的。不過，你可能遇到以下問題：

不正確的梯度更新表達(dá)式

權(quán)重未得到應(yīng)用

梯度消失或爆發(fā)

如果梯度值為 0，則意味著優(yōu)化器中的學(xué)習(xí)率可能太小，且梯度更新的表達(dá)式不正確。

除了關(guān)注梯度的絕對(duì)值之外，還要確保監(jiān)視每個(gè)層匹配的激活、權(quán)重的大小。例如，參數(shù)更新的大?。?quán)重和偏差）應(yīng)為 1-e3。

需要指出的是，一種稱為 “Dying ReLU” 或“梯度消失”的現(xiàn)象中，ReLU 神經(jīng)元在學(xué)習(xí)其權(quán)重的負(fù)偏差項(xiàng)后將輸出為 0。這些神經(jīng)元不會(huì)在任何數(shù)據(jù)點(diǎn)上得到激活。

你可以采用梯度檢驗(yàn)（gradient checking）通過數(shù)值方法逼近梯度以檢驗(yàn)這些錯(cuò)誤。如果它接近計(jì)算梯度，則正確實(shí)施反向傳播。

關(guān)于可視化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要方法，F(xiàn)aizan Shaikh 舉出了三個(gè)例子：

初始方法：展現(xiàn)訓(xùn)練模型的整體結(jié)構(gòu)，這些方法包括展示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層的形狀或過濾器（filters）以及每個(gè)層中的參數(shù)；

基于激活的方法：破譯單個(gè)神經(jīng)元或一組神經(jīng)元的激活函數(shù)；

基于梯度的方法：在訓(xùn)練模型時(shí)，操作由前向或后向通道形成的梯度。

還有有許多可用的工具可用于可視化各個(gè)層的激活和連接，例如 ConX 和 Tensorboard。

4. 診斷參數(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大量彼此相互作用的參數(shù)，使得優(yōu)化也變得非常困難。

Batch size：你希望 batch size 可大到足以準(zhǔn)確評(píng)估誤差梯度，小到足以使隨機(jī)梯度下降（SGD）可以規(guī)范網(wǎng)絡(luò)。batch size 將導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程在訓(xùn)練過程中以噪聲成本快速瘦臉，并可能導(dǎo)致優(yōu)化困難。

學(xué)習(xí)率（Learning rate）：太低會(huì)導(dǎo)致收斂緩慢或陷入局部最小值的風(fēng)險(xiǎn)，太高則會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化發(fā)散。

機(jī)器學(xué)習(xí)框架，如 Keras、Tensorflow、PyTorch、MXNet 現(xiàn)在都有關(guān)于使用學(xué)習(xí)率收斂緩慢文檔或示例：

Keras

https://keras.io/callbacks/#learningratescheduler

Tensorflow - https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/train/exponential_decay

PyTorch - https://pytorch.org/docs/stable/_modules/torch/optim/lr_scheduler.html

MXNet - https://mxnet.incubator.apache.org/versions/master/tutorials/gluon/learning_rate_schedules.html

梯度剪切（Gradient clipping?）：在反向傳播中，用于剪切參數(shù)梯度的最大值或最大范數(shù)。

Batch 標(biāo)準(zhǔn)化（normalization ）：用于標(biāo)準(zhǔn)化每層的輸入，以對(duì)抗內(nèi)部協(xié)變量移位問題。

隨機(jī)梯度下降（Stochastic Gradient Descent ，SGD）：使用動(dòng)量、自適應(yīng)學(xué)習(xí)率、Nesterov 更新。

正則化：對(duì)于構(gòu)建可推廣模型至關(guān)重要，因?yàn)樗黾恿藢?duì)模型復(fù)雜性或極端參數(shù)值的懲罰。同時(shí)，它顯著降低了模型的方差，并且不顯著增加偏差。

Dropout：是另一種規(guī)范網(wǎng)絡(luò)以防止過度擬合的技術(shù)。在訓(xùn)練時(shí)，以某個(gè)概率 p（超參數(shù)）保持神經(jīng)元活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)丟失，否則將其設(shè)置為 0。結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)必須在每個(gè)訓(xùn)練 batch 中使用不同的參數(shù)子集，這減少了特定參數(shù)的變化而變得優(yōu)于其他參數(shù)。

5. 全程跟蹤工作

通過對(duì)工作更好地跟蹤，可以輕松查看和重現(xiàn)之前的試驗(yàn)，以減少重復(fù)工作。

不過，手動(dòng)記錄信息可能很難做到且進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，像 comet.ml 這樣的工具可以幫助自動(dòng)追蹤數(shù)據(jù)集、更改代碼、實(shí)驗(yàn)歷史和生產(chǎn)模型，包括關(guān)于模型的關(guān)鍵信息，如超參數(shù)、模型性能指標(biāo)和環(huán)境細(xì)節(jié)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)、參數(shù)，甚至 packages 的微小變化都非常敏感，這導(dǎo)致了模型的性能下降。工作跟蹤是標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境和建模工作流程的第一步。