關(guān)于自動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)的概述（AutoML）

機(jī)器學(xué)習(xí)是讓算法自動(dòng)的從數(shù)據(jù)中找出一組規(guī)則，從而提取數(shù)據(jù)中對(duì)分類/聚類/決策有幫助的特征，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，其中人工需要干預(yù)的部分越來越多，而AutoML則是對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型從構(gòu)建到應(yīng)用的全過程自動(dòng)化，最終得出端對(duì)端的模型（end to end）。有了AutoML，機(jī)器學(xué)習(xí)就會(huì)從下圖的曲折變?yōu)樯蠄D的一馬平川。

從流程先后順序來分，最初是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，包括數(shù)據(jù)收集和清洗，之后是特征工程，其中包括特征選擇（決定哪些特征需要保留），特征提?。▽?duì)特征進(jìn)行降維，常用的方法例如PCA），特征組合（將多個(gè)特征合并/構(gòu)建為一個(gè)新的特征）。

在之后的模型構(gòu)建中，最關(guān)鍵的是模型選擇，之后超參數(shù)優(yōu)化，可以采取很多方式，最簡單的做法是網(wǎng)格搜索，常用的方法包括用強(qiáng)化學(xué)習(xí)，進(jìn)化算法，貝葉斯優(yōu)化，以及梯度下降，來縮小搜索空間；最后，AutoML通過引入提前停止，降低模型的精度，參數(shù)共享來自動(dòng)化模型評(píng)價(jià)的過程。

數(shù)據(jù)收集這項(xiàng)任務(wù)，不在是搜索與收集真實(shí)數(shù)據(jù)，還包括產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)，用來擴(kuò)展訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，可以使用的新技術(shù)包括對(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（點(diǎn)擊查看對(duì)應(yīng)文章），還可以使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的框架，來優(yōu)化用于控制生成數(shù)據(jù)的參數(shù)，從而使得生成的數(shù)據(jù)能更有效的助力模型的訓(xùn)練。而數(shù)據(jù)清洗則是自動(dòng)完成包括缺失值補(bǔ)全，離群點(diǎn)處理，特征歸一化，類別型特征的不同編碼等之前手動(dòng)完成的工作。

模型的自動(dòng)化選擇，傳統(tǒng)的方法是從傳統(tǒng)的模型，例如KNN，SVM，決策樹中選出一個(gè)，或多個(gè)組合起來效果最好的模型，而當(dāng)前AutoML的研究熱點(diǎn)是N eural Architecture Search， 也就是不經(jīng)過人工干預(yù)，模型自動(dòng)生成一個(gè)對(duì)當(dāng)前任務(wù)最有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，模型自動(dòng)在自我生產(chǎn)的不同結(jié)構(gòu)下搜索最好的操作組合序列。

搜索的結(jié)果如下圖所示：

其中應(yīng)用到強(qiáng)化學(xué)習(xí)的部分如下圖所示：

這里的行為是以一定的概率選擇某個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，行為是在該結(jié)構(gòu)下，訓(xùn)練子網(wǎng)絡(luò)，使其在訓(xùn)練集上達(dá)到預(yù)設(shè)的準(zhǔn)確率，獎(jiǎng)勵(lì)是該子網(wǎng)絡(luò)在測(cè)試數(shù)據(jù)集上的準(zhǔn)確率與該網(wǎng)絡(luò)被選擇的概率的乘積，通過將子模型的泛化能力作為反饋，用于控制不同模型被選擇概率的RNN得以優(yōu)化其梯度，以選出泛化能力最強(qiáng)的模型，同時(shí)通過始終保持一定概率選擇其他模型，處理explore VS exploit的權(quán)衡。

NAS算法作為當(dāng)前AutoML最熱的研究領(lǐng)域，有很多變種，下圖展示了在CIFAR1000上，不同NAS方法的效果及訓(xùn)練用時(shí)。相比于強(qiáng)化學(xué)習(xí)和進(jìn)化算法，傳統(tǒng)方法的用時(shí)更少。為了找到合適的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，除了傳統(tǒng)的串行網(wǎng)絡(luò)，還有基于cell來做層級(jí)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索的。下圖展示的是先從幾個(gè)最基本的操作，搜索得出一個(gè)一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)組件，之后在自動(dòng)化的搜索如何用一級(jí)組件搭建網(wǎng)絡(luò)。

模型選定后的調(diào)參過程，最常用的是網(wǎng)格搜索，也就是按照固定的間距，在搜索空間上打點(diǎn)，但下圖指出，網(wǎng)格搜索不一定好過隨機(jī)搜索，原因是對(duì)于重要參數(shù)，網(wǎng)格搜索采樣地點(diǎn)會(huì)不足，從而導(dǎo)致無法取到對(duì)模型效果相對(duì)較好的點(diǎn)，autoML會(huì)使用隨機(jī)抽樣，首先評(píng)價(jià)各個(gè)超參數(shù)的重要性，之后再對(duì)重要的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。