2019/03/07 09:55

Nurhachu Null Chita编译

算法、硬件、框架，2019年AI何去何从？

过去一年，关于人工智能的事件、发现和发展比比皆是。很难从这些嘈杂的环境里分辨出关于 AI 的真实信号，即便可以，很多人也不知道那些信号表达的是什么信息。因此，我将尽力提炼过去一年里人工智能大环境中的一些模式来让你明确这一点。甚至，我们会在不久的将来见证其中的一些趋势。

孔子曾说：「知其不可而为之。」他真是个智者啊。

别误会，本文只是一片评论类文章。我不会全面记录 AI 2018 年的成就，只是概括其中一些趋势。而且我的描述是围绕美国展开的，因为我不太了解其他国家发生的事，比如中国。本文的目标读者包括工程师、企业家以及技术支持者。

算法

算法篇主要由深度神经网络主导。当然，你也会零零落落地听到有人部署了「经典的」机器学习模型（如梯度提升树或者多臂老虎机），并且声称这是每个人唯一需要的东西。也有一些质疑说深度学习正在做濒死挣扎。甚至还有顶尖的研究者也在质疑一些深度神经网络架构的有效性和鲁棒性。但是，无论你喜不喜欢，深度神经网络无处不在：在自动驾驶中，自然语言处理系统中，机器人中——你可以这么说。深度神经网络中没有能够与自然语言处理、生成对抗网络以及深度强化学习匹敌的进展。

深度 NLP：BERT 等

虽然在 2018 年之前就有一些突破性研究将深度神经网络用于文本（如 word2vec，GLOVE 和基于LSTM 的模型），但它们忽略了一个关键的概念：迁移学习。即在大规模的公开数据集上训练好一个模型，然后在你正在使用的数据集上对其进行「微调」。在计算机视觉中，用著名的 ImageNet 数据集上发现的模式来解决特定问题通常是解决方案的一部分。

问题在于，用于迁移学习的技术并不真正适用于自然语言处理问题。从某种意义上讲，像 word2vec 这样预训练的嵌入就起了这个作用，但是它们只在单个词汇上起作用，并不能捕获到语言的高级结构。

然而，在 2018 年，情况有所改变。语境化嵌入 ELMo 成为了自然语言处理中改进迁移学习的重要第一步。ULMFiT 则更进一步：不满意嵌入的语义捕获能力，它的作者提出了为整个模型进行迁移学习的方法。

但是最有趣的进展肯定是 BERT 的引入。通过让语言模型从英文维基百科的所有文章集合中学习，BERT 团队在 11 项自然语言处理任务中达到了当前最先进的结果——了不起！而且，BERT 的代码和预训练模型都发布在网上了——所以你可以将这项突破用于自己的问题中。

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产业AI算法硬件框架

相关数据

深度学习技术

深度学习（deep learning）是机器学习的分支，是一种试图使用包含复杂结构或由多重非线性变换构成的多个处理层对数据进行高层抽象的算法。深度学习是机器学习中一种基于对数据进行表征学习的算法，至今已有数种深度学习框架，如卷积神经网络和深度置信网络和递归神经网络等已被应用在计算机视觉、语音识别、自然语言处理、音频识别与生物信息学等领域并获取了极好的效果。

来源：LeCun, Y., Bengio, Y., & Hinton, G. (2015). Deep learning. nature, 521(7553), 436.

自动驾驶技术技术

从 20 世纪 80 年代首次成功演示以来（Dickmanns & Mysliwetz (1992); Dickmanns & Graefe (1988); Thorpe et al. (1988)），自动驾驶汽车领域已经取得了巨大进展。尽管有了这些进展，但在任意复杂环境中实现完全自动驾驶导航仍被认为还需要数十年的发展。原因有两个：首先，在复杂的动态环境中运行的自动驾驶系统需要人工智能归纳不可预测的情境，从而进行实时推论。第二，信息性决策需要准确的感知，目前大部分已有的计算机视觉系统有一定的错误率，这是自动驾驶导航所无法接受的。

来源：机器之心

基于Transformer 的双向编码器表征技术

BERT是谷歌发布的基于双向 Transformer的大规模预训练语言模型，该预训练模型能高效抽取文本信息并应用于各种NLP任务，并刷新了 11 项 NLP 任务的当前最优性能记录。BERT的全称是基于Transformer的双向编码器表征，其中“双向”表示模型在处理某一个词时，它能同时利用前面的词和后面的词两部分信息。

来源：arXiv论文

深度强化学习技术

强化学习（Reinforcement Learning）是主体（agent）通过与周围环境的交互来进行学习。强化学习主体（RL agent）每采取一次动作（action）就会得到一个相应的数值奖励（numerical reward），这个奖励表示此次动作的好坏。通过与环境的交互，综合考虑过去的经验（exploitation）和未知的探索（exploration），强化学习主体通过试错的方式（trial and error）学会如何采取下一步的动作，而无需人类显性地告诉它该采取哪个动作。强化学习主体的目标是学习通过执行一系列的动作来最大化累积的奖励（accumulated reward）。一般来说，真实世界中的强化学习问题包括巨大的状态空间（state spaces）和动作空间（action spaces），传统的强化学习方法会受限于维数灾难（curse of dimensionality）。借助于深度学习中的神经网络，强化学习主体可以直接从原始输入数据（如游戏图像）中提取和学习特征知识，然后根据提取出的特征信息再利用传统的强化学习算法（如TD Learning，SARSA，Q-Learnin）学习控制策略（如游戏策略），而无需人工提取或启发式学习特征。这种结合了深度学习的强化学习方法称为深度强化学习。

来源：Scholarpedia

机器学习技术

机器学习是人工智能的一个分支，是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、计算复杂性理论等多门学科。机器学习理论主要是设计和分析一些让计算机可以自动“学习”的算法。因为学习算法中涉及了大量的统计学理论，机器学习与推断统计学联系尤为密切，也被称为统计学习理论。算法设计方面，机器学习理论关注可以实现的，行之有效的学习算法。

来源：Mitchell, T. (1997). Machine Learning. McGraw Hill.

感知技术

知觉或感知是外界刺激作用于感官时，脑对外界的整体的看法和理解，为我们对外界的感官信息进行组织和解释。在认知科学中，也可看作一组程序，包括获取信息、理解信息、筛选信息、组织信息。与感觉不同，知觉反映的是由对象的各样属性及关系构成的整体。

来源：维基百科

人工智能技术

在学术研究领域，人工智能通常指能够感知周围环境并采取行动以实现最优的可能结果的智能体（intelligent agent）

来源：Russell, S., & Norvig, P. (2003). Artificial Intelligence: A Modern Approach.

自动驾驶汽车技术

自动驾驶汽车，又称为无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车或轮式移动机器人，是自动化载具的一种，具有传统汽车的运输能力。作为自动化载具，自动驾驶汽车不需要人为操作即能感测其环境及导航。

来源：维基百科

梯度提升技术

梯度提升是用于回归和分类问题的机器学习技术，其以弱预测模型（通常为决策树）的集合的形式产生预测模型。它像其他增强方法一样以阶段式方式构建模型，并且通过允许优化任意可微损失函数来推广它们。

来源：Wikipedia

计算机视觉技术

计算机视觉（CV）是指机器感知环境的能力。这一技术类别中的经典任务有图像形成、图像处理、图像提取和图像的三维推理。目标识别和面部识别也是很重要的研究领域。

来源：机器之心

神经网络技术

（人工）神经网络是一种起源于 20 世纪 50 年代的监督式机器学习模型，那时候研究者构想了「感知器（perceptron）」的想法。这一领域的研究者通常被称为「联结主义者（Connectionist）」，因为这种模型模拟了人脑的功能。神经网络模型通常是通过反向传播算法应用梯度下降训练的。目前神经网络有两大主要类型，它们都是前馈神经网络：卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN），其中 RNN 又包含长短期记忆（LSTM）、门控循环单元（GRU）等等。深度学习是一种主要应用于神经网络帮助其取得更好结果的技术。尽管神经网络主要用于监督学习，但也有一些为无监督学习设计的变体，比如自动编码器和生成对抗网络（GAN）。

来源：机器之心

卷积神经网络技术

卷积神经网路（Convolutional Neural Network, CNN）是一种前馈神经网络，它的人工神经元可以响应一部分覆盖范围内的周围单元，对于大型图像处理有出色表现。卷积神经网路由一个或多个卷积层和顶端的全连通层（对应经典的神经网路）组成，同时也包括关联权重和池化层（pooling layer）。这一结构使得卷积神经网路能够利用输入数据的二维结构。与其他深度学习结构相比，卷积神经网路在图像和语音识别方面能够给出更好的结果。这一模型也可以使用反向传播算法进行训练。相比较其他深度、前馈神经网路，卷积神经网路需要考量的参数更少，使之成为一种颇具吸引力的深度学习结构。卷积网络是一种专门用于处理具有已知的、网格状拓扑的数据的神经网络。例如时间序列数据，它可以被认为是以一定时间间隔采样的一维网格，又如图像数据，其可以被认为是二维像素网格。

来源：Goodfellow, I.; Bengio Y.; Courville A. (2016). Deep Learning. MIT Press.维基百科

迁移学习技术

迁移学习是一种机器学习方法，就是把为任务 A 开发的模型作为初始点，重新使用在为任务 B 开发模型的过程中。迁移学习是通过从已学习的相关任务中转移知识来改进学习的新任务，虽然大多数机器学习算法都是为了解决单个任务而设计的，但是促进迁移学习的算法的开发是机器学习社区持续关注的话题。迁移学习对人类来说很常见，例如，我们可能会发现学习识别苹果可能有助于识别梨，或者学习弹奏电子琴可能有助于学习钢琴。

来源：机器之心 Pan, S. J., & Yang, Q. (2010). A survey on transfer learning. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, 22(10), 1345–1359.

word2vec技术

Word2vec，为一群用来产生词向量的相关模型。这些模型为浅而双层的神经网络，用来训练以重新建构语言学之词文本。网络以词表现，并且需猜测相邻位置的输入词，在word2vec中词袋模型假设下，词的顺序是不重要的。训练完成之后，word2vec模型可用来映射每个词到一个向量，可用来表示词对词之间的关系。该向量为神经网络之隐藏层。 Word2vec依赖skip-grams或连续词袋（CBOW）来建立神经词嵌入。Word2vec为托马斯·米科洛夫（Tomas Mikolov）在Google带领的研究团队创造。该算法渐渐被其他人所分析和解释。

来源：维基百科

自然语言处理技术

自然语言处理（英语：natural language processing，缩写作 NLP）是人工智能和语言学领域的分支学科。此领域探讨如何处理及运用自然语言；自然语言认知则是指让电脑“懂”人类的语言。自然语言生成系统把计算机数据转化为自然语言。自然语言理解系统把自然语言转化为计算机程序更易于处理的形式。

来源：维基百科

生成对抗网络技术

生成对抗网络是一种无监督学习方法，是一种通过用对抗网络来训练生成模型的架构。它由两个网络组成：用来拟合数据分布的生成网络G，和用来判断输入是否“真实”的判别网络D。在训练过程中，生成网络-G通过接受一个随机的噪声来尽量模仿训练集中的真实图片去“欺骗”D，而D则尽可能的分辨真实数据和生成网络的输出，从而形成两个网络的博弈过程。理想的情况下，博弈的结果会得到一个可以“以假乱真”的生成模型。

来源：Generative Adversarial Networks

深度神经网络技术

深度神经网络（DNN）是深度学习的一种框架，它是一种具备至少一个隐层的神经网络。与浅层神经网络类似，深度神经网络也能够为复杂非线性系统提供建模，但多出的层次为模型提供了更高的抽象层次，因而提高了模型的能力。

来源：机器之心 Techopedia

语言模型技术

语言模型经常使用在许多自然语言处理方面的应用，如语音识别，机器翻译，词性标注，句法分析和资讯检索。由于字词与句子都是任意组合的长度，因此在训练过的语言模型中会出现未曾出现的字串(资料稀疏的问题)，也使得在语料库中估算字串的机率变得很困难，这也是要使用近似的平滑n元语法(N-gram)模型之原因。

来源：维基百科

ELMo技术

ELMO 是“Embedding from Language Models”的简称， ELMO 本身是个根据当前上下文对 Word Embedding 动态调整的思路。ELMO 采用了典型的两阶段过程，第一个阶段是利用语言模型进行预训练；第二个阶段是在做下游任务时，从预训练网络中提取对应单词的网络各层的 Word Embedding 作为新特征补充到下游任务中。

来源：机器之心