基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目瓶頸通常并非對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。有時(shí)候，在編寫(xiě)了所有代碼并嘗試了一大堆超參數(shù)配置之后，網(wǎng)絡(luò)就是無(wú)法正常工作。尤其是面對(duì)著數(shù)百萬(wàn)的參數(shù), 任何一個(gè)小變動(dòng)都有可能前功盡棄。

在面對(duì)各種各樣的問(wèn)題后，有人總結(jié)了一些幫助調(diào)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用 tips，希望能夠減少大家調(diào)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成本。

檢查梯度問(wèn)題

有時(shí)梯度是引發(fā)問(wèn)題的原因。下面是幾種與梯度相關(guān)的調(diào)試方法：

• 數(shù)值計(jì)算每個(gè)權(quán)重的梯度。這通常被稱(chēng)為「梯度檢查」，有助于確保正確計(jì)算梯度，其中一種方法是使用有限差分。
• 比較每個(gè)權(quán)重的大小和梯度的大小。要確保大小的比率是合理的。如果梯度大小遠(yuǎn)小于權(quán)重大小，網(wǎng)絡(luò)將花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練。如果梯度大小與權(quán)重大小大致相同或更大，網(wǎng)絡(luò)將非常不穩(wěn)定，可能根本不會(huì)訓(xùn)練。
• 檢查梯度爆炸或消失。如果梯度變?yōu)?0 或 nan/infinity，則可以確定網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有被正確訓(xùn)練。需要首先弄清楚為什么會(huì)發(fā)生爆炸 / 消失梯度，是否步數(shù)太大。一旦弄清楚梯度爆炸 / 消失的原因，就有各種解決方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，例如添加殘差連接以更好地傳播梯度或簡(jiǎn)單地使用較小的網(wǎng)絡(luò)。
• 激活函數(shù)也會(huì)導(dǎo)致梯度爆炸 / 消失。如果 sigmoid 激活函數(shù)的輸入太大，梯度將非常接近 0。隨著時(shí)間的推移檢查激活函數(shù)的輸入，然后確保這些輸入不會(huì)導(dǎo)致梯度始終為 0 或很大。

檢查訓(xùn)練過(guò)程

經(jīng)常檢查網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練進(jìn)度可以節(jié)省時(shí)間。以訓(xùn)練貪吃蛇游戲?yàn)槔?，不是?xùn)練網(wǎng)絡(luò)好幾天，然后再檢查網(wǎng)絡(luò)是否學(xué)到了什么，而是每十分鐘用當(dāng)前學(xué)到的權(quán)重運(yùn)行游戲。幾個(gè)小時(shí)后，如果我們注意到每次都在做同樣的事情并且獲得零獎(jiǎng)勵(lì)，就知道可能有問(wèn)題了，而這節(jié)省了幾天的訓(xùn)練時(shí)間。

不要依賴(lài)定量輸出

如果只查看定量輸出，我們可能會(huì)錯(cuò)過(guò)有用的調(diào)試信息。例如，在訓(xùn)練語(yǔ)音翻譯網(wǎng)絡(luò)時(shí)，比起只檢查評(píng)估函數(shù)是否在減少，更重要的是閱讀翻譯后的語(yǔ)音以確保它有意義;當(dāng)訓(xùn)練一個(gè)用于圖像識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一定要確保手動(dòng)檢查網(wǎng)絡(luò)提供的標(biāo)簽。

不應(yīng)該依賴(lài)定量輸出的原因有兩個(gè)：首先，評(píng)估函數(shù)中可能存在錯(cuò)誤。如果只查看錯(cuò)誤評(píng)估函數(shù)輸出的數(shù)字，可能需要數(shù)周時(shí)間才能意識(shí)到出現(xiàn)問(wèn)題。其次，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出中可能存在無(wú)法定量顯示的錯(cuò)誤模式。我們可能會(huì)意識(shí)到某個(gè)特定單詞總是被錯(cuò)誤翻譯，或者在左上象限的圖像識(shí)別網(wǎng)絡(luò)總是錯(cuò)誤的。這些觀察結(jié)果反過(guò)來(lái)可以幫助找到數(shù)據(jù)處理部分的代碼 bug，否則這些 bug 將被忽視。

嘗試小數(shù)據(jù)集

確定代碼是否存在 bug 或數(shù)據(jù)是否難以訓(xùn)練的另一種方法是首先擬合較小的數(shù)據(jù)集，比如將數(shù)據(jù)集中 100000 個(gè)訓(xùn)練示例修剪成只有 100 個(gè)甚至 1 個(gè)訓(xùn)練示例。如果在一個(gè)訓(xùn)練示例的情況下，網(wǎng)絡(luò)仍然有很高的測(cè)試錯(cuò)誤，不能夠非常好地?cái)M合數(shù)據(jù)，那么幾乎可以肯定網(wǎng)絡(luò)代碼有問(wèn)題。

嘗試更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)

如果全尺寸網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時(shí)遇到問(wèn)題，可以嘗試使用層數(shù)較少的較小網(wǎng)絡(luò)，這樣可以更快地訓(xùn)練。如果較小的網(wǎng)絡(luò)在全尺寸網(wǎng)絡(luò)失敗的情況下成功了，則表明全尺寸模型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。如果簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)和全尺寸網(wǎng)絡(luò)都失敗，則代碼中可能存在 bug。

試著使用框架

如果沒(méi)有使用機(jī)器學(xué)習(xí)框架編寫(xiě)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代碼，那么可以通過(guò)在機(jī)器學(xué)習(xí)框架中編寫(xiě)相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)檢查問(wèn)題何在。然后將打印語(yǔ)句放入非框架版本和框架版本中逐層比較輸出，直到找到打印語(yǔ)句出現(xiàn)差異的位置，即錯(cuò)誤所在。如果在反向傳播期間發(fā)生錯(cuò)誤，則可以從最后一層開(kāi)始逐層打印權(quán)重的漸變，直到找到差異。但是此方法僅適用于網(wǎng)絡(luò)的第一次迭代，因?yàn)橛捎诘谝淮蔚敵龅牟町?，第二次及以后的迭代將具有不同的起點(diǎn)。

參考內(nèi)容：https://towardsdatascience.com/debugging-tips-for-neural-networks-f7dc699d6845

【本文是專(zhuān)欄機(jī)構(gòu)“機(jī)器之心”的原創(chuàng)譯文，微信公眾號(hào)“機(jī)器之心( id: almosthuman2014)”】 

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