機器學習全靠調參？這個思路已經過時了。
谷歌大腦團隊發布了一項新研究：
只靠神經網路架構搜索出的網路，不訓練，不調參，就能直接執行任務。
這樣的網路叫做WANN，權重不可知神經網路。
它在MNIST數字分類任務上，未經訓練和權重調整，就達到了92%的準確率，和訓練後的線性分類器表現相當。
除了監督學習，WANN還能勝任許多強化學習任務。
團隊成員之一的大佬David Ha，把成果發上了推特，已經獲得了1300多贊：
那麼，先來看看效果吧。
效果
谷歌大腦用WANN處理了3種強化學習任務。
（給每一組神經元，共享同一個權重。)
第一項任務，Cart-Pole Swing-Up。
這是經典的控制任務，一條滑軌，一台小車，車上一根杆子。
小車在滑軌的範圍里跑，要把杆子從自然下垂的狀態搖上來，保持在直立的位置不掉下來。
(這個任務比單純的Cart-Pole要難一些：
Cart-Pole杆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，都是基於小車到滑軌一頭的距離，以及杆子擺動的角度。
WANN的最佳網路 (Champion Network) 長這樣：
它在沒有訓練的狀態下，已經表現優異：
表現最好的共享權重，給了團隊十分滿意的結果：只用幾次擺動便達到了平衡狀態。
第二項任務，Bipedal Waker-v2。
一隻兩足「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，都是由一個髖關節、和一個膝關節來控制的。有24個輸入，會指導它的運動：包括「激光雷達」探測的前方地形數據，本體感受到的關節運動速度等等。
比起第一項任務中的低維輸入，這裡可能的網路連接就更多樣了：
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，WANN也優質完成了。
你看，這是搜索出的最佳架構，比剛才的低維任務複雜了許多：
它在-1.5的權重下奔跑，長這樣：
第三項任務，CarRacing-v0。
這是一個自上而下的 (Top-Down) 、像素環境里的賽車遊戲。
一輛車，由三個連續命令來控制：油門、轉向、制動。目標是在規定的時間裡，經過儘可能多的磚塊。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訓練的變分自編碼器 (VAE) ，它可以把像素表徵壓縮到16個潛在維度。
這16維就是網路輸入的維度。學到的特徵是用來檢測WANN學習抽象關聯 (Abstract Associations) 的能力，而不是編碼不同輸入之間顯式的幾何關係。
這是WANN最佳網路，在-1.4共享權重下、未經訓練的賽車成果：
雖然路走得有些蜿蜒，但很少偏離跑到。
而把最佳網路微調一下，不用訓練，便更加順滑了：
總結一下，在簡單程度和模塊化程度上，第二、三項任務都表現得優秀，兩足控制器只用了25個可能輸入中的17個，忽略了許多LIDAR感測器和膝關節的速度。
WANN架構不止能在不訓練單個權重的情況下完成任務，而且只用了210個網路連接 (Connections) ，比當前State-of-the-Art模型用到的2804個連接，少了一個數量級。
做完強化學習，團隊又瞄準了MNIST，把WANN拓展到了監督學習的分類任務上。
一個普通的網路，在參數隨機初始化的情況下，MNIST上面的準確率可能只有10%左右。
而新方法搜索到的網路架構WANN，用隨機權重去跑，準確率已經超過了80%；
如果像剛剛提到的那樣，餵給它多個權值的合集，準確率就達到了91.6%。
對比一下，經過微調的權重，帶來的準確率是91.9%，訓練過的權重，可以帶來94.2%的準確率。
再對比一下，擁有幾千個權重的線性分類器：
也只是和WANN完全沒訓練、沒微調、僅僅餵食了一些隨機權重時的準確率相當。
論文里強調，MINST手寫數字分類是高維分類任務。WANN表現得非常出色。
並且沒有哪個權值，顯得比其他值更優秀，大家表現得十分均衡：所以隨機權重是可行的。
不過，每個不同的權重形成的不同網路，有各自擅長分辨的數字，所以可以把一個擁有多個權值的WANN，用作一個自給自足的合集 (Self-Contained Ensemble) 。
實現原理
不訓練權重參數獲得極高準確度，WANN是如何做到的呢？
神經網路不僅有權重偏置這些參數，網路的拓撲結構、激活函數的選擇都會影響最終結果。
谷歌大腦的研究人員在論文開頭就提出質疑：神經網路的權重參數與其架構相比有多重要？在沒有學習任何權重參數的情況下，神經網路架構可以在多大程度上影響給定任務的解決方案。
為此，研究人員提出了一種神經網路架構的搜索方法，無需訓練權重找到執行強化學習任務的最小神經網路架構。
谷歌研究人員還把這種方法用在監督學習領域，僅使用隨機權重，就能在MNIST上實現就比隨機猜測高得多的準確率。
論文從架構搜索、貝葉斯神經網路、演算法資訊理論、網路剪枝、神經科學這些理論中獲得啟發。
為了生成WANN，必須將權重對網路的影響最小化，用權重隨機採樣可以保證最終的網路是架構優化的產物，但是在高維空間進行權重隨機採樣的難度太大。
研究人員採取了「簡單粗暴」的方法，對所有權重強制進行權重共享（weight-sharing），讓權重值的數量減少到一個。這種高效的近似可以推動對更好架構的搜索。
操作步驟
解決了權重初始化的問題，接下來的問題就是如何收搜索權重不可知神經網路。它分為四個步驟：
1、創建初始的最小神經網路拓撲群。
2、通過多個rollout評估每個網路，並對每個rollout分配不同的共享權重值。
3、根據性能和複雜程度對網路進行排序。
4、根據排名最高的網路拓撲來創建新的群，通過競爭結果進行概率性的選擇。
然後，演算法從第2步開始重複，在連續迭代中，產生複雜度逐漸增加的權重不可知拓撲（weight agnostic topologies ）。
拓撲搜索
用於搜索神經網路拓撲的操作受到神經進化演算法（NEAT）的啟發。在NEAT中，拓撲和權重值同時優化，研究人員忽略權重，只進行拓撲搜索操作。
上圖展示了網路拓撲空間搜索的具體操作：
一開始網路上是最左側的最小拓撲結構，僅有部分輸入和輸出是相連的。
然後，網路按以下三種方式進行更改：
1、插入節點：拆分現有連接插入新節點。
2、添加連接：連接兩個之前未連接的節點，添加新連接。
3、更改激活函數：重新分配隱藏節點的激活函數。
圖的最右側展示了權重在[2,2]取值範圍內可能的激活函數，如線性函數、階躍函數、正弦餘弦函數、ReLU等等。
權重依然重要
WANN與傳統的固定拓撲網路相比，可以使用單個的隨機共享權重也能獲得更好的結果。
雖然WANN在多項任務中取得了最佳結果，但WANN並不完全獨立於權重值，當隨機分配單個權重值時，有時也會失敗。
WANN通過編碼輸入和輸出之間的關係起作用，雖然權重的大小的重要性並不高，但它們的一致性，尤其是符號的一致性才是關鍵。
隨機共享權重的另一個好處是，調整單個參數的影響變得不重要，無需使用基於梯度的方法。
強化學習任務中的結果讓作者考慮推廣WANN方法的應用範圍。他們又測試了WANN在圖像分類基礎任務MNIST上的表現，結果在權重接近0時效果不佳。
有Reddit網友質疑WANN的結果，對於隨機權重接近於0的情況，該網路的性能並不好，先強化學習實驗中的具體表現就是，小車會跑出限定範圍。
對此，作者給出解釋，在權重趨於0的情況下，網路的輸出也會趨於0，所以後期的優化很難達到較好的性能。
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源代碼：
https://github.com/weightagnostic/weightagnostic.github.io
本文轉載於公眾號 人工智慧學家，原文地址
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