神经网络实现MTL时需要考虑的问题

在过去的一年里，我和我的团队一直致力于提高 Taboola Feed 的个性化用户体验。我们使用多任务学习（MTL）来预测同一组输入特性上的多个关键性能指标（KPIs），并在 TensorFlow 中实现了一个深度学习（DL）模型。但是，在我们开始着手这项研究的时候，MTL 对我们来说比现在复杂得多，所以我想分享一些经验教训。

在本文中，我将分享一些在神经网络（NN）中实现 MTL 时具体需要考虑哪些方面的问题，我还将对这些问题提出简单的 TensorFlow 解决方案。

我们想从硬参数共享（hard parameter sharing）的基本方法开始。硬共享意味着我们有一个共享子网，这个子网是特定于任务的。

在 TensorFlow 中使用这种模型时，由于它看起来与其他 NN 体系结构没有那么大的不同，您可能会觉得自己有哪里做错了。

经验 1-损失合并

我们在 MTL 模型中遇到的第一个挑战是为多个任务定义单个损失函数。虽然单个任务有定义明确的损失函数，但多个任务会带来多个损失。

我们最开始尝试的做法是直接将所有的损失相加。不久我们就发现，当一个任务趋同于好的结果时，其他任务看起来相当糟糕。造成这个现象的原因很简单，因为损失的规模是如此的不同，以至于一个任务主导了整个损失，而其余的任务没有机会影响共享层的学习过程。

一个快速的解决办法是用一个加权和替代损失的直接相加和，使所有的损失对共享层的影响大致相同。然而，这个解决方案涉及另一个超参数，可能需要每隔一段时间调整一次。

幸运的是，我们发现了一篇很棒的论文，论文建议使用不确定性来衡量 MTL 中的损失。具体方法是学习另一个噪声参数，该参数集成在每个任务的损失函数中。这允许 MTL 中有多个任务，并使所有损失达到相同的规模。

通过这种方法，不仅可以得到比加权和更好的结果，而且不需要考虑附加的权重超参数。这篇论文的作者还提供了一个 keras 实现方法。

经验 2-调整学习速率

学习速率是调节神经网络最重要的超参数之一，这是一个常见的规律。所以我们尝试了调优，发现了对不同任务来说最优的调试速率。选择较高的学习率会导致其中一个任务的 dying Relu，而使用较低的学习率会导致另一个任务的收敛缓慢。那我们该怎么办？我们可以让每个特定于任务的子网调整为单独的学习速率，并将共享子网调整为另一个速率。

虽然这听起来很复杂，但实际上相当简单。通常，在 TensorFlow 中训练神经网络时，您可以使用如下方法：

optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate).minimize(loss)

A

damOptimizer 定义了应该如何应用渐变，并最小化计算并应用它们。我们可以用自己的实现来代替最小化，该实现将对计算图中的每个变量使用适当的学习速率：

all_variables = shared_vars + a_vars + b_varsall_gradients = tf.gradients(loss, all_variables)

shared_subnet_gradients = all_gradients[:len(shared_vars)]a_gradients = all_gradients[len(shared_vars):len(shared_vars + a_vars)]b_gradients = all_gradients[len(shared_vars + a_vars):]

shared_subnet_optimizer = tf.train.AdamOptimizer(shared_learning_rate)a_optimizer = tf.train.AdamOptimizer(a_learning_rate)b_optimizer = tf.train.AdamOptimizer(b_learning_rate)

train_shared_op = shared_subnet_optimizer.apply_gradients(zip(shared_subnet_gradients, shared_vars))train_a_op = a_optimizer.apply_gradients(zip(a_gradients, a_vars))train_b_op = b_optimizer.apply_gradients(zip(b_gradients, b_vars))

train_op = tf.group(train_shared_op, train_a_op, train_b_op)

另外，这个技巧实际上也可以应用于单任务网络。

经验 3-使用评估作为特征

一旦我们通过了创建预测多个任务的 NN 的第一个阶段，我们可能会将某个任务的评估作为另一个任务的结果。这个估计是张量，所以我们可以像连接其他层的输出一样连接它。但是在反向传播中会发生什么呢？

假设任务 A 的估计值作为一个特性传递给任务 B。我们可能并不想将梯度从任务 B 传回任务 A，因为我们已经给了任务 A 标签。

别担心，TensorFlow 的 API 有 tf.stop_gradient，它正是为了解决这个问题而存在的。当计算梯度时，它可以让你传递一个张量列表，你想把它当作常数，这正是我们所需要的。

all_gradients = tf.gradients(loss, all_variables, stop_gradients=stop_tensors)

同样地，这在 MTL 网络中很有用，但它不仅仅在 MTL 网络中有用。只要您想用 TensorFlow 计算一个值，并且需要假设该值是一个常量，就可以使用此技术。例如，当训练生成对抗网络（GANs）时，您不希望在生成对抗性网络的过程中进行反向传播。