迁移学习前沿探究探讨：低资源、领域泛化与安全迁移

作者丨王晋东

整理丨维克多

迁移学习是机器学习的一个重要研究分支，侧重于将已经学习过的知识迁移应用于新的问题中，以增强解决新问题的能力、提高解决新问题的速度。

4月8日，在AI TIME青年科学家——AI 2000学者专场论坛上，微软亚洲研究院研究员王晋东做了《迁移学习前沿探究探讨：低资源、领域泛化与安全迁移》的报告，他提到，目前迁移学习虽然在领域自适应方向有大量研究，相对比较成熟。但低资源学习、安全迁移以及领域泛化还有很多待解决的问题。

针对这三方面的工作，王晋东提供了三个简单的、新的扩展思路，以下是演讲全文，AI科技评论做了不改变原意的整理。

所有内容可以在作者整理维护的Github上最流行的迁移学习仓库：transferlearning.xyz 上找到相关材料

今天介绍迁移学习三个方向的工作：低资源、领域泛化与安全迁移。迁移学习英文名称：Transfer learning，基本范式是通过微调“重用”预训练模型。纵观机器学习的绝大多数应用，都会采用这种预训练+微调的范式，节省成本。

上图迁移学习范式示例，在Teacher网络模型中，经过输入、输出一整套流程训练，已经获得比较好的性能。Student模型想要训练，则可以固定或者借用Teacher网络的Tk层，然后单独根据任务微调模型，如此可以获得更好的性能。

目前，在CV领域，已经存在ResNet；在NLP领域已经有BERT、RoBERT等模型可供使用。如上图，2016年GitHub上有个统计，关于迁移学习的Repository总计有2220个，当前可能会更多。

上图展示了，过去五年，迁移学习领域在顶级会议上取得的进展。最早是吴恩达在NIPS16上表示迁移学习在未来非常重要；然后，CVPR2018上有一篇最佳论文是关于迁移学习的；同年，IJCAI18上，有团队用迁移学习的手法赢得ADs竞赛；2019年，ACL会议上，有学者强调迁移学习的范式在NLP领域非常重要，一年后，一篇迁移学习论文拿到了该会议的最佳论文提名。

一直到去年，深度学习三巨头表示，现实的世界中，数据分布不稳定，有必要开发快速适应小数据集变化的迁移模型。

事实上，随着我们认知越来越多，会逐渐认识到迁移学习有很多问题待解决，需要不断开发新的方法。

在移学习范式中，如果训练数据和预训练模型刚好匹配，则能开发出性能优越的应用；如果有较大差异，则可以借助“外援数据”进行修正，然后获得目标模型，进而在测试（未知）数据上获得较好表现。

从训练数据到测试数据，整套流程中，其实存在很多问题，例如：

1. 低资源学习，即如何在小数据情况下，如何设置迁移模型；

2. 领域自适应，即如何解决当训练集和测试集的数据分布存在偏差；

3. 领域泛化，如何从若干个具有不同数据分布的数据集(领域)中学习一个泛化能力强的模型；

4. 同时，整个过程还需要时刻注重安全迁移，确保隐私不泄露，模型不“中毒”等等。

目前，领域自适应方面已经有大量研究成果、该领域相对较成熟。但低资源学习、安全迁移以及领域泛化等方面还有很多待解决的问题。

低资源学习的本质是，依赖少量的有标签的样本去学习泛化能力强的模型，期望其在未知的数据上表现良好。但问题在于，在各种场景下如何确保小数据中的标签仍然含有知识、且这些知识能被迁移到大量的无标签数据上。

经典的工作来自于NeurIPS 2020，当时谷歌在论文中提出FixMatch算法，通过一致性正则和基于阈值的置信度来简化半监督学习，设置固定阈值调整迁移学习的知识。

公式如上，模型学习的置信度要根据阈值来判定，如果大于一定的域值，就使用这些数据进行训练和预测；否则这些数据则不参与下次训练。

那么，对于半监督学习而言，预训练模型仅考虑阈值就足够了吗？谷歌在论文中，将阈值设置为0.95，显然这个数字是由谷歌的实验得出，其实我们在真实世界中，永远无法得知的取值是多少。

基于此，需要学习一个更真实的阈值，也即开发一种自适应学习，让模型根据数据灵活决定值。为了验证这一想法，我们先回答“选择固定阈值还是灵活阈值”。

如上图（左）所示，固定阈值的Loss下降的特别慢。同时，通过对比两种选择的ACC指标也能证明，如上图（中），对于不同的类别，需要设置不同的阈值。

在“动态调整”的思想下，我们在NeurIPS 2021上提出FlexMatch算法，有以下几个特点：

1. 对于不同的类别，能进行不同程度的阈值自适应；

2. 对于不同的样本，设置不同阈值；

3. 测试阶段，需要对阈值“一视同仁”

4. 全程无人工干扰，全自动学习阈值

实验结果表明，如上图（右）所示，在同样的数据集上，该方法呈现正向曲线，效果比较稳定。FlexMatch的设计思想借用了“课程学习”，半监督学习常用给不确定样本打伪标签的策略，伪标签的学习应该是循序渐进的迁移的过程，即由易到难的过程，然后类别的学习也是由易到难的过程。同时，FlexMatch采取了聚类假设：类别和阈值息息相关。

以上是该思想的流程图，和FixMatch大同小异，不同之处是强调在不同类别上，会预估学习难度，然后自适应调整阈值。

以上是在CIFAR10/100、SVHN、STL-10和ImageNet等常用数据集上进行了实验，对比了包括FixMatch、UDA、ReMixmatch等最新最强的SSL算法。实验结果如上表所示，可以发现FlexMatch在标签有限的情况下能显著改进。在未引入新的超参数、无额外计算的情况下，对于复杂任务，也有显著改进，且收敛速度显著提升。

值得一提的是，针对该领域，我们开源了一个半监督算法库TorchSSL，目前已支持算法有：Pi-Model，MeanTeacher，Pseudo-Label，VAT，MixMatch，UDA，ReMixMatch，FixMatch。

链接：https://github.com/TorchSSL/TorchSSL

现实世界中存在大量语言，但有很少的标注数据，世界上有7000种语言，常用的语言也就那么几十种，剩下绝大大多数都是低资源的语言。需要对小数据进行模型训练，同时能够避免模型过拟合。所以，针对低资源语言的自动语音识别(ASR)仍然是端到端(E2E)模型的一个挑战。

迁移学习的解决方案是，对资源丰富的语言进行预训练，对资源低的语言进行微调，对资源丰富的语言和资源低的语言进行多任务学习，同时对资源丰富的语言进行元学习，以快速适应资源不足的语言。

具体而言，要发现语言之间的联系，例如上图表明，不同的语言、不同的语系之间会有相似、相关性。这些语言具体怎么分布，有哪些相似性？我们的目标是如何自适应学习这种关系。

当前主要有两种方法：隐式、显式。其中，隐式是指不对他们的关系做任何假设，通过网络直接学习；显式是指假设语言之间存在线性关系，简化算法。

基于上述两点，我们就设计了两个简单的算法MetaAdapter和SimAdapter。前者能够直接学习不同语言之间的关系；后者假设语言之间是线性关系，用注意力机制进行学习。同时，结合MetaAdapter和SimAdapter，我们设计了SimAdapter+，能达到更好的效果。具体模型结构如下所示，只用微调数据里面的参数，就可以去完成网络的训练。

领域泛化的目的是利用多个训练分布来学习未知领域的通用模型。存在数据属性随时间动态变化，导致动态分布变化等问题。因此，需要捕捉数据的动态分布变化，例如如何量化时间序列中的数据分布。

针对上述挑战，我们提出AdaRNN。首先将时间序列中分布动态改变的现象定义为时序分布漂移 (Temporal Covariate Shift, TCS)问题，如上图所示将一段时间的数据分为A、B、C以及未知数据，可以看出A、B之间，B、C之间以及A、C之间的数据分布相差比较大，如何解决？分两步走：先来学习数据最坏情况下的分布，然后匹配最坏分布的差距。

具体而言，采用聚类方法优化问题，然后用贪心算法求解序列分布，将数据分成几段；最后，设计领域泛化进行匹配分布。

我们在四个真实数据集上测试了算法的效果，包括1个分类任务(行为识别)和3个回归任务(空气质量预测、用电量预测和股价预测)。实验结果表明，模型性能有一定的提升。此外，我们发现不仅在RNN上，Adaptive方法对于Transformer结构也一样有效。

安全迁移体现在迁移学习的各个方面，例如如何确保迁移学习模型不会被滥用？如何在保证效果的同时降低迁移模型的复杂性？如何进行安全的迁移学习、避免模型受到恶意攻击而对用户造成影响？

举个例子，在软件工程领域，如果软件有恶意BUG，一旦你在开源社区下载该软件，不仅会继承该软件好的功能，也会继承它的容易受攻击的弱点。另外，如果黑客知道用户的软件使用了哪段开源代码，便可以对你的应用软件发动相应攻击。

我们统计了一下，在Teacher到student的微调范式中，Student可以从Teacher中继承那些易受攻击的弱点的概率为50%~90%。换句话说，最坏的情况是Teacher怎么被攻击，Student便可以被攻击。因为Teacher的模型是公开的。

因此，安全迁移研究的目的是如何减少预训练模型被攻击的情况，同时还能维护性能。这其中会解决未知攻击、DNN模型缺乏可解释性等难题。

我们考虑两种攻击：对抗攻击，例如熊猫图片中加入某些噪声，AI会将其识别成长臂猿；后门攻击，神经网络结构本身就存在一些可能被利用的东西，例如输入数字7，然后输出数字8。

针对安全迁移问题，我们提出ReMoS算法，主要思想是：找出网络有用权重，剔除无用权重。第一步：需要计算神经元；第二步：评估Teacher模型对Student模型的重要性，计算两者之差；根据以上两步，就可以轻松裁减不需要的权重。

实验结果发现，ReMoS方法几乎不会显著增加计算量，其收敛速度与微调模型基本一致，显著好于从头开始训练。

上图（右）画出了剪枝之后的权重和网络层的关系。此结果说明随着网络层数据的加深，网络越来越与学生任务相关，因此，在深层的权重大部分被重新初始化了。这一发现也符合深度网络可迁移性的结论。

总结一下，今天主要介绍了三方面，低资源学习、领域泛化以及安全迁移。我为这三个方面提供了三个简单的、新的扩展思路。希望接下来的研究者能够设计出更好的框架，新的理论，然后在迁移学习的安全性方面去做一些探索。

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