论文阅读_多任务学习_MMoE

介绍

英文题目：Modeling Task Relationships in Multi-task Learning with Multi-gate Mixture-of-Experts
中文题目：多门专家混合多任务学习中的任务关系建模
论文地址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3219819.3220007
领域：深度学习，多任务学习
发表时间：2018
作者：Jiaqi Ma，密歇根大学，谷歌
出处：KDD
被引量：137
代码和数据：https://github.com/drawbridge/keras-mmoe
阅读时间：22.07.24

读后感

多任务学习一般用于相同输入特征，用一个模型同时学习多个任务．一次预测多个标签，这样可以节约训练和预测时间，也能节约存储模型的空间．
之前的方法主要是底层共用网络，上层针对每个任务分别训练自己的网络．这样做的问题是，如果多个任务相关性不强，可能向不同方向拉扯共享参数，虽然理论上多个任务可以互为辅助，提供更多信息，但实现效果往往不如单独训练模型效果好．

介绍

多任务学习效果一般取决于不同任务之间的相关性．文中提出的MMoE（Multi-gate Mixture-of-Experts）是对之前方法MoE的改进．主要用于解决多任务相关性小时，同时优化多个目标的问题．比如同时预测用户是否购买及用户满意度．

在研究过程中，遇到的问题还有：如何衡量不同任务的相关性；如果不让模型由于多任务变得过大和过于复杂．

文章贡献

• 提出MMoE结构，构建了基于门控的上层网络，模型可自动调节网络参数．
• 设计了生成实验数据的方法，以便更好的衡量任务相关性对建模的影响
• 在实验数据集中实现了更好的效果，解决了现实世界中大规模数据训练问题

方法

之前的实现方法如图-1(a)所示，底层网络Shared Bottom共享参数，上层使用双塔或多塔结构以适配不同任务：

其中k是具体任务，f(x)是底层模型，hk是上层模型．

进而是如图-1(b)所示的MoE模型（在后续的实验中也记作OMoE），它使用多个专家网络作为底层，利用输入计算门控值用于设置各个专家贡献的占比，然后将计算出的结果送入上层网络．

其中g是门控，n是专家的各数，公式结合了各个专家的结果．对于每个实体，只有部分网络被激活．

图-1是本文提出的网络结构MMoE，与MoE不同的是它针对不同的任务计算不同的门控分别设置专家占比．

其中的 Wgk 是可训练的矩阵，用于根据输入选择专家．

每个门控网络线性地将输入空间分割成n个区域，每个区域对应一个专家。MMoE决定不同门控制管理的区域如何相互重叠。如果某区域与任务的相关性较低，那么共享专家将受到惩罚，任务的门控网络将学会使用不同的专家。

实验

合成数据实验

合成数据能更好的对比不同任务相关性的影响，利用合成数据的实验对比如图-4所示：

• 对于所有模型，相关度高的任务训练效果都更好
• 在不同相关度的情况下，MMoE都好于OMoE和Shared-Bottom模型．而在相关性一致的情况下，MMoE和OMoE结果几乎一致
• 基于MoE的两个模型效果都明显好于Shared-Bottom，且收敛更快，这说明MoE结构使模型更好训练．

真实数据实验

人口收入数据

使用人口收入数据，分别进行两组实验，第一组同时训练两个任务：训练收入是否超过50K和婚否；第二组同时训练教育程度和婚否．训练数据199523．训练结果如下：

大规模的内容推荐

利用谷歌数以亿计的推荐数据训练．目的是同时优化：与粘性相关的目标，如点击率和粘性时间；以及与满意度相关的目标．具体评价标准使用AUC和R-Squared scores．效果如表-3所示：

从图-6中可以看到不同专家对不同任务的贡献：