深度学习刷SOTA的一堆trick

本文转载：公众号：包包算法笔记

稳定有用型trick

0.模型融合

懂得都懂，打比赛必备，做文章没卵用的人人皆知trick，早年模型小的时候还用stacking，直接概率融合效果也不错。

1、 对抗训练

对抗训练就是在输入的层次增加扰动，根据扰动产生的样本，来做一次反向传播。以FGM为例，在NLP上，扰动作用于embedding层。给个即插即用代码片段吧，引用了知乎id:Nicolas的代码，写的不错，带着看原理很容易就明白了。

# 初始化
fgm = FGM(model)
for batch_input, batch_label in data:
    # 正常训练
    loss = model(batch_input, batch_label)
    loss.backward() # 反向传播，得到正常的grad
    # 对抗训练
    fgm.attack() # 在embedding上添加对抗扰动
    loss_adv = model(batch_input, batch_label)
    loss_adv.backward() # 反向传播，并在正常的grad基础上，累加对抗训练的梯度
    fgm.restore() # 恢复embedding参数
    # 梯度下降，更新参数
    optimizer.step()
    model.zero_grad()

具体FGM的实现

import torch
class FGM():
    def __init__(self, model):
        self.model = model
        self.backup = {
    }

    def attack(self, epsilon=1., emb_name='emb.'):
        # emb_name这个参数要换成你模型中embedding的参数名
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad and emb_name in name:
                self.backup[name] = param.data.clone()
                norm = torch.norm(param.grad)
                if norm != 0 and not torch.isnan(norm):
                    r_at = epsilon * param.grad / norm
                    param.data.add_(r_at)

    def restore(self, emb_name='emb.'):
        # emb_name这个参数要换成你模型中embedding的参数名
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad and emb_name in name: 
                assert name in self.backup
                param.data = self.backup[name]
        self.backup = {
    }

2.EMA/SWA

移动平均，保存历史的一份参数，在一定训练阶段后，拿历史的参数给目前学习的参数做一次平滑。这个东西，我之前在earhian的祖传代码里看到的。他喜欢这东西+衰减学习率。确实每次都有用。

# 初始化
ema = EMA(model, 0.999)
ema.register()

# 训练过程中，更新完参数后，同步update shadow weights
def train():
    optimizer.step()
    ema.update()

# eval前，apply shadow weights；eval之后，恢复原来模型的参数
def evaluate():
    ema.apply_shadow()
    # evaluate
    ema.restore()

具体EMA实现，即插即用：

class EMA():
    def __init__(self, model, decay):
        self.model = model
        self.decay = decay
        self.shadow = {
    }
        self.backup = {
    }

    def register(self):
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                self.shadow[name] = param.data.clone()

    def update(self):
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.shadow
                new_average = (1.0 - self.decay) * param.data + self.decay * self.shadow[name]
                self.shadow[name] = new_average.clone()

    def apply_shadow(self):
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.shadow
                self.backup[name] = param.data
                param.data = self.shadow[name]

    def restore(self):
        for name, param in self.model.named_parameters():
            if param.requires_grad:
                assert name in self.backup
                param.data = self.backup[name]
        self.backup = {
    }

这两个方法的问题就是跑起来会变慢，并且提分点都在前分位，不过可以是即插即用类型。

3.Rdrop等对比学习方法

有点用，不会变差，实现起来也很简单。

#训练过程上下文
ce = CrossEntropyLoss(reduction='none')
kld = nn.KLDivLoss(reduction='none')
logits1 = model(input)
logits2 = model(input)
#下面是训练过程中对比学习的核心实现！！！！
kl_weight = 0.5 #对比loss权重
ce_loss = (ce(logits1, target) + ce(logits2, target)) / 2
kl_1 = kld(F.log_softmax(logits1, dim=-1), F.softmax(logits2, dim=-1)).sum(-1)
kl_2 = kld(F.log_softmax(logits2, dim=-1), F.softmax(logits1, dim=-1)).sum(-1)
loss = ce_loss + kl_weight * (kl_1 + kl_2) / 2

大家都知道，在训练阶段。dropout是开启的，你多次推断dropout是有随机性的。

模型如果鲁棒的话，你同一个样本，即使推断时候，开着dropout，结果也应该差不多。好了，那么它的原理也呼之欲出了。用一张图来形容就是：

随便你怎么踹(dropout)，本AI稳如老狗。

KLD loss是衡量两个分布的距离的，所以说他就是在原始的loss上，加了一个loss，这个loss刻画了模型经过两次推断，抵抗因dropout造成扰动的能力。

4.TTA

这个一句话说明白，测试时候构造靠谱的数据增强，简单一点的数据增强方式比较好，然后把预测结果加起来算个平均。

5.伪标签

代码和原理实现也不难，代价也是训练变慢，毕竟多了一些数据一句话说明白，就是用训练的模型，把测试数据，或者没有标签的数据，推断一遍。构成伪标签，然后拿回去训练。注意不要leak。
听起来挺离谱的，我们把步骤用伪代码实现一下。

model1.fit(train_set,label,  val=validation_set) #step1
pseudo_label=model.pridict(test_set)  #step2
new_label = concat(pseudo_label, label) #step3
new_train_set =  concat(test_set, train_set)  #step3
model2.fit(new_train_set, new_label,   val=validation_set) #step4
final_predict = model2.predict(test_set) #step5

用网上一个经典的图来说就是。

6.神经网络自动填空值

表数据在NN上的trick，快被tabnet 集大成了，这个方法是把缺失值的位置之外的地方mask，本身当成1这样可以学习出一个参数，再加回这个feature的输入上。可以看看他文章的实现。

场景受限型trick

有用但场景受限或者不稳定

1、PET或者其他prompt的方案

在一些特定场景上有用，比如zeroshot，或者小样本的监督训练，在数据量充足情况下拿来做模型融合有点用，单模型不一定干的过硬怼。

2、Focalloss

偶尔有用，大部分时候用处不大，看指标，在一些对长尾，和稀有类别特别关注的任务和指标上有所作为。

3、mixup/cutmix等数据增强

挑数据，大部分数据和任务用处不大，局部特征比较敏感的任务有用，比如音频分类等

4、人脸等一些改动softmax的方式

在数据量偏少的时候有用，在工业界数据量巨大的情况下用处不大

5、领域后预训练

把自己的数据集，在Bert base上用MLM任务再过一遍，代价也是变慢，得益于huggingface可用性极高的代码，实现起来也非常简单，适用于和预训练预料差别比较大的一些场景，比如中药，ai4code等，在一些普通的新闻文本分类数据集上用处不大。

6、分类变检索

这算是小样本分类问题的标准解法了，类似于人脸领域的baseline，在这上面有很多围绕类间可分，类内聚集的loss改进，像aa-softmax,arcface，am-softmax等

在文本分类，图像分类上效果都不错。

突破性能型trick

1.混合精度训练

AMP即插即用，立竿见影。

2.梯度累积

在优化器更新参数之前，用相同的模型参数进行几次前后向传播。在每次反向传播时计算的梯度被累积（加总）。不过这种方法会影响BN的计算，可以用来突破batchsize上限。

3.Queue或者memery bank

可以让batchsize突破天际，可以参考MoCo用来做对比学习的那个实现方式

4.非必要不同步

多卡ddp训练的时候，用到梯度累积时，可以使用no_sync减少不必要的梯度同步，加快速度