傳統(tǒng)的軟件測(cè)試和debug方法很難適用于現(xiàn)代的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，DeepMind希望解決這一問(wèn)題，開發(fā)面向預(yù)測(cè)模型的可靠驗(yàn)證工具。這篇博客描述了能嚴(yán)格識(shí)別并排除學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型中的錯(cuò)誤的三種方法：對(duì)抗性測(cè)試，穩(wěn)健性學(xué)習(xí)和形式驗(yàn)證。

自計(jì)算機(jī)編程誕生以來(lái)，軟件開發(fā)中就一直沒(méi)有離開過(guò)bug。隨著時(shí)間的推移，軟件開發(fā)人員已經(jīng)建立了一套在軟件實(shí)際發(fā)布前進(jìn)行測(cè)試和debug的最佳方式，但這些方式并不適合現(xiàn)代的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

今天，機(jī)器學(xué)習(xí)的主流方法是在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練系統(tǒng)，然后在另一組數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測(cè)試。即使在最壞的情況下，確保系統(tǒng)穩(wěn)健性或高性能也是至關(guān)重要的。本文描述了能夠嚴(yán)格識(shí)別并排除學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型中的錯(cuò)誤的三種方法：對(duì)抗性測(cè)試，穩(wěn)健性學(xué)習(xí)和形式驗(yàn)證。

機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)一般是不穩(wěn)健的。即使在特定領(lǐng)域中表現(xiàn)優(yōu)于人類的系統(tǒng)，具體情況稍微改變，往往就可能導(dǎo)致無(wú)法解決簡(jiǎn)單問(wèn)題。比如圖像擾動(dòng)的問(wèn)題：如果在輸入圖像中添加少量精心計(jì)算的噪聲，那么本來(lái)在圖像分類任務(wù)中表現(xiàn)超過(guò)人類的的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，很容易將一只樹獺錯(cuò)認(rèn)成一輛跑車。

在圖片上加上一個(gè)對(duì)抗性輸入，可能導(dǎo)致分類器將一只樹懶錯(cuò)誤識(shí)別為一輛跑車。兩個(gè)圖像在每個(gè)像素上的差異最多只有0.0078。結(jié)果第一張被歸類為三趾樹懶，置信度> 99％。第二個(gè)被歸類為一輛跑車，概率> 99％。

其實(shí)這不是什么新問(wèn)題。計(jì)算機(jī)程序總是有bug。幾十年來(lái)，軟件工程師開發(fā)了種類繁多的技術(shù)工具包，從單元測(cè)試到形式驗(yàn)證。這些方法在傳統(tǒng)軟件上運(yùn)行良好，但是由于這些模型的規(guī)模和缺乏結(jié)構(gòu)性（可能包含數(shù)億個(gè)參數(shù)），想用這些方法來(lái)嚴(yán)格測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)模型是非常困難的。開發(fā)能夠確保機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)在部署時(shí)穩(wěn)健性的新方法勢(shì)在必行。

從程序員的角度來(lái)看，與系統(tǒng)的規(guī)范（即預(yù)期功能）不一致的任何行為都屬于bug。DeepMind不僅評(píng)估了機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的技術(shù)是否與訓(xùn)練集和測(cè)試集一致，還評(píng)估了這些技術(shù)的作用與系統(tǒng)的期望屬性的規(guī)范描述中是否一致。這些屬性可能包括對(duì)輸入中足夠小的擾動(dòng)的穩(wěn)健性，避免災(zāi)難性故障的安全約束，或產(chǎn)生符合物理定律的預(yù)測(cè)能力等。

本文討論機(jī)器學(xué)習(xí)社區(qū)面臨的三個(gè)重要技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀児餐铝τ趪?yán)格開發(fā)和部署與所需規(guī)格可靠一致的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)：

高效測(cè)試實(shí)際功能與屬性規(guī)范的一致性。我們探索有效的方法，來(lái)測(cè)試機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)是否與設(shè)計(jì)者和系統(tǒng)用戶所期望的屬性相一致。揭示二者差異的一種方法是在評(píng)估期間系統(tǒng)地搜索最壞情況下的結(jié)果。

訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，使其產(chǎn)生屬性一致的預(yù)測(cè)。即使有了大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法也可以產(chǎn)生與理想屬性不一致的預(yù)測(cè)模型。這要求我們重新考慮訓(xùn)練算法，這些算法不僅能夠很好地?cái)M合訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而且要與屬性列表上的要求保持一致。

正式證明機(jī)器學(xué)習(xí)模型是規(guī)范性一致的。雖然形式驗(yàn)證領(lǐng)域幾十年來(lái)一直在研究這種算法，也取得了令人矚目的進(jìn)展，但很難輕易擴(kuò)展到現(xiàn)代深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域。

測(cè)試規(guī)范一致性

面對(duì)對(duì)抗性實(shí)例下的穩(wěn)健性問(wèn)題，是深度學(xué)習(xí)中研究相對(duì)充分的問(wèn)題。這項(xiàng)工作的一個(gè)主要主題是評(píng)估模型在強(qiáng)對(duì)抗性攻擊下的穩(wěn)健性，以及設(shè)計(jì)可有效分析的透明模型。我們發(fā)現(xiàn)許多模型在弱對(duì)抗下進(jìn)行評(píng)估時(shí)看上去很穩(wěn)健。但遇見(jiàn)針對(duì)更強(qiáng)的對(duì)抗時(shí)，精度幾乎下降為零。

目前大多數(shù)研究都集中在監(jiān)督學(xué)習(xí)（主要是圖像分類）的背景下，但是需要將這些想法擴(kuò)展到其他條件。在最近關(guān)于對(duì)抗災(zāi)難性故障方法的研究中，我們將這些想法用于測(cè)試確保關(guān)鍵設(shè)置的強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體上。開發(fā)這類自主系統(tǒng)的挑戰(zhàn)之一是，由于一個(gè)錯(cuò)誤就可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果，因此即使非常小的失敗概率也是不可接受的。

我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)“對(duì)手”，能讓我們提前檢測(cè)這些故障。與圖像分類器一樣，針對(duì)弱攻擊進(jìn)行評(píng)估，很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的安全感。我們?yōu)閺?qiáng)化學(xué)習(xí)對(duì)抗性測(cè)試開發(fā)了兩種互補(bǔ)的方法。首先，使用無(wú)衍生優(yōu)化來(lái)對(duì)智能體的預(yù)期回報(bào)進(jìn)行最小化。接著，學(xué)習(xí)一種對(duì)抗值函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)哪種情況最有可能導(dǎo)致智能體的失敗。然后使用此學(xué)習(xí)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將評(píng)估重點(diǎn)放在最有問(wèn)題的輸入上。這些方法只構(gòu)成了豐富且不斷增長(zhǎng)的潛在算法空間的一小部分，我們對(duì)能夠?qū)χ悄荏w的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估感到興奮。

這兩種方法已經(jīng)比隨機(jī)測(cè)試產(chǎn)生了很大的改進(jìn)，可以在幾分鐘內(nèi)檢測(cè)到過(guò)去需要花費(fèi)數(shù)天才能發(fā)現(xiàn)（甚至完全無(wú)法發(fā)現(xiàn)）的問(wèn)題。我們還發(fā)現(xiàn)，對(duì)抗性測(cè)試可能會(huì)發(fā)現(xiàn)我們的智能體出現(xiàn)了與隨機(jī)測(cè)試集的評(píng)估結(jié)果性質(zhì)不同的行為。

在對(duì)抗性環(huán)境下，我們發(fā)現(xiàn)執(zhí)行3D導(dǎo)航任務(wù)的智能體仍然無(wú)法在十分簡(jiǎn)單的迷宮中完全找到目標(biāo)，即使它們?cè)诜菍?duì)抗性環(huán)境下的平均表現(xiàn)已經(jīng)和人類相當(dāng)。此外，我們需要設(shè)計(jì)能夠抵御自然故障的系統(tǒng)。

在隨機(jī)抽樣中，我們幾乎從來(lái)沒(méi)觀察到具有高失敗概率的地圖，但是在對(duì)抗性測(cè)試下，這樣的地圖確實(shí)存在。即使在去掉了許多墻壁之后，智能體在這些地圖下的失敗概率仍然很高。

訓(xùn)練規(guī)范一致性的模型

對(duì)抗性測(cè)試是為了找到違背規(guī)范的反例。因此往往會(huì)高估模型與這些規(guī)范的一致性。在數(shù)學(xué)上，規(guī)范是必須在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出之間保持的某種關(guān)系。這種關(guān)系可以通過(guò)某些關(guān)鍵輸入和輸出參數(shù)的上限和下限的形式來(lái)體現(xiàn)。

受此啟發(fā)，DeepMind的團(tuán)隊(duì)和其他團(tuán)隊(duì)研究了與對(duì)抗性測(cè)試程序無(wú)關(guān)的算法（用于評(píng)估規(guī)范一致性。這可以從幾何學(xué)上理解 - 我們可以約束給定的一組輸入的情況下，限制輸出空間來(lái)最嚴(yán)重地違反規(guī)范。如果此界限范圍相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是可微分的并且可以快速計(jì)算，則可以在訓(xùn)練期間使用，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)層傳播原始邊界框。

結(jié)果表明，區(qū)間界限傳播是快速有效的，并且可以獲得強(qiáng)有力的結(jié)果。尤其是能夠降低MNIST和CIFAR-10數(shù)據(jù)集上的圖像分類中的現(xiàn)有技術(shù)的錯(cuò)誤率。

未來(lái)的下一個(gè)前沿領(lǐng)域?qū)⑹菍W(xué)習(xí)正確的幾何抽象，計(jì)算更嚴(yán)格的輸出空間過(guò)度概率。我們還希望訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)與更復(fù)雜的規(guī)范一致，捕獲理想的行為，比如上文提到的不變性和與物理定律的一致性。

形式驗(yàn)證

嚴(yán)格的測(cè)試和訓(xùn)練有助于構(gòu)建強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。但是，沒(méi)有多少測(cè)試可以完全保證系統(tǒng)的行為符合我們的要求。在大模型中，由于輸入擾動(dòng)的選擇極為龐大，因此列舉給定輸入集的所有可能輸出（例如對(duì)圖像的無(wú)窮小的擾動(dòng)）是難以處理。但是，與訓(xùn)練一樣，我們可以通過(guò)在輸出集上設(shè)置幾何邊界來(lái)找到更有效的方法。正式驗(yàn)證是DeepMind正在進(jìn)行的研究的主題。

機(jī)器學(xué)習(xí)社區(qū)已經(jīng)有了幾個(gè)關(guān)于如何計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出空間上的精確幾何邊界的有趣思路。我們的方法基于優(yōu)化和二元性，將驗(yàn)證問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題。。下圖以圖形方式說(shuō)明了該方法。

這種方法使我們能夠?qū)Ⅱ?yàn)證算法的適用性擴(kuò)展到更一般的網(wǎng)絡(luò)（激活函數(shù)，體系結(jié)構(gòu)），更一般性的規(guī)范和更復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型（生成模型，神經(jīng)過(guò)程等）

未來(lái)方向

我們需要做更多的工作來(lái)構(gòu)建自動(dòng)化工具，以確保現(xiàn)實(shí)世界中的AI系統(tǒng)做出“正確的事情”，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，未來(lái)需要在這些方向上發(fā)力：

學(xué)習(xí)對(duì)抗性評(píng)估和驗(yàn)證：隨著AI系統(tǒng)的擴(kuò)展和復(fù)雜度的提升，設(shè)計(jì)適合AI模型的對(duì)抗性評(píng)估和驗(yàn)證算法將變得越來(lái)越困難。如果我們可以利用AI的強(qiáng)大功能來(lái)推進(jìn)評(píng)估和驗(yàn)證，那么這個(gè)過(guò)程可以大大加快，并實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

開發(fā)用于對(duì)抗性評(píng)估和驗(yàn)證的公開工具：為AI工程師和從業(yè)者提供易于使用的工具是非常重要的，可以在AI系統(tǒng)造成廣泛的負(fù)面影響之前闡明其可能的故障模式。這需要一定程度的對(duì)抗性評(píng)估和驗(yàn)證算法的標(biāo)準(zhǔn)化。

擴(kuò)大對(duì)抗性實(shí)例的應(yīng)用范圍：到目前為止，大多數(shù)關(guān)于對(duì)抗性實(shí)例的研究都集中在對(duì)小擾動(dòng)（通常是圖像）的模型不變性上。這為開發(fā)對(duì)抗性評(píng)估，穩(wěn)健性學(xué)習(xí)和驗(yàn)證方法提供了極好的測(cè)試平臺(tái)。我們已經(jīng)開始探索與現(xiàn)實(shí)世界直接相關(guān)的屬性的替代規(guī)范，并對(duì)未來(lái)在這方面的研究感到興奮。

學(xué)習(xí)規(guī)范：在AI系統(tǒng)中獲得“正確”行為的規(guī)范通常難以精確表述。當(dāng)我們構(gòu)建能夠展示復(fù)雜行為并在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中行動(dòng)的越來(lái)越智能的代理時(shí)，將需要構(gòu)建可以使用部分人類規(guī)范并從評(píng)估反饋中學(xué)習(xí)進(jìn)一步規(guī)范的系統(tǒng)。