機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測工具正在幫助各個(gè)領(lǐng)域的研究人員，比如發(fā)現(xiàn)分子的新方法、在分析中發(fā)現(xiàn)細(xì)微信號，提高醫(yī)學(xué)診斷質(zhì)量、揭示基本粒子的性質(zhì)等。
然而，機(jī)器學(xué)習(xí)工具也可能成為問題的根源，產(chǎn)生誤報(bào)，導(dǎo)致盲目試驗(yàn)和錯(cuò)誤。現(xiàn)在的許多算法都非常復(fù)雜，復(fù)雜到可能已經(jīng)無法一一檢查所有參數(shù)，無法確切了解輸入的運(yùn)行方式。隨著這些算法的應(yīng)用越來越廣泛，出現(xiàn)誤解、錯(cuò)誤結(jié)論和“做無用功”的風(fēng)險(xiǎn)變得越來越大。這些問題其實(shí)并不新鮮。現(xiàn)在不少機(jī)器學(xué)習(xí)論文未能完成足夠的實(shí)驗(yàn)，審查標(biāo)準(zhǔn)也多有不一致。由于競爭激烈，一些研究人員會(huì)為了得到想要的結(jié)果而偷工減料，跳過必要的檢查環(huán)節(jié)。雖然我們無法預(yù)測所有問題的出現(xiàn)，但至少，研究人員在自己的領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)該熟悉并掌握發(fā)現(xiàn)和避免這些常見問題的方法和實(shí)踐。下面以筆者的親身經(jīng)歷為例，提出在Google Accelerated Science團(tuán)隊(duì)中運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)分析時(shí)遇到的三個(gè)主要問題。
如何拆分?jǐn)?shù)據(jù)是門學(xué)問
不恰當(dāng)?shù)夭鸱謹(jǐn)?shù)據(jù)。在構(gòu)建模型時(shí)，研究人員通常會(huì)將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測試集。訓(xùn)練集負(fù)責(zé)“教授”模型，并通過模型對測試集的描述準(zhǔn)確程度來評估模型性能。研究人員一般會(huì)隨機(jī)分割數(shù)據(jù)。但現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)很少是隨機(jī)的。數(shù)據(jù)可能存在隨時(shí)間變化的趨勢——比如收集數(shù)據(jù)的方式不同導(dǎo)致的變化，或者對收集哪些信息的不同選擇而導(dǎo)致的變化等。
比如，在利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法篩選新藥的過程中，這些模式就隱藏在分子的數(shù)據(jù)集中，于是挑戰(zhàn)就在于，預(yù)測某一分子是否能有效吸收到體內(nèi)，減輕炎癥。這個(gè)預(yù)測由篩選分子數(shù)據(jù)開始，但是收集數(shù)據(jù)的背景可能與機(jī)器學(xué)習(xí)模型的使用方式不同。比如，可以先在公開可用的一組分子上建模，然后將模型用于不同的專有分子集上。化學(xué)家的注意力經(jīng)常從某些分子群轉(zhuǎn)向其他分子，經(jīng)常高估模型的實(shí)際表現(xiàn)。這可能導(dǎo)致過高的預(yù)期，并且在錯(cuò)誤的分子上浪費(fèi)時(shí)間和金錢。許多人（包括我自己）都陷入了這個(gè)陷阱。換句話說，你想要解決的問題會(huì)影響對數(shù)據(jù)的拆分方式。為了考察模型預(yù)測添加幾個(gè)原子對分子的影響，測試集中的每個(gè)分子應(yīng)該在訓(xùn)練集中加入一個(gè)不同的原子。如果你想對不同分子做出很好的預(yù)測，那么測試集中的每個(gè)分子應(yīng)該與訓(xùn)練集中的所有分子全部不同。分割數(shù)據(jù)的“正確”方式可能并不明顯，但仔細(xì)考慮并嘗試多種方法可以提供更高的可靠性。
隱藏變量。在理想的實(shí)驗(yàn)中，研究人員可以只更改自己感興趣的變量，固定所有其他變量。在現(xiàn)實(shí)世界中，這種控制通常是不可能實(shí)現(xiàn)的。隨著時(shí)間的推移，設(shè)備的精度會(huì)發(fā)生變化，不同批次的試劑，不同的實(shí)驗(yàn)順序，甚至是不同的天氣，都會(huì)對結(jié)果造成改變。這種“不受控制”的變量在機(jī)器學(xué)習(xí)模型中可能是有害的。
例如，我在Google的團(tuán)隊(duì)一直在加州一家核聚變初創(chuàng)公司TAE Technologies工作，優(yōu)化生產(chǎn)高能等離子體的實(shí)驗(yàn)流程。我們建立了模型，試圖了解等離子機(jī)的最佳設(shè)置。我們在幾個(gè)月的時(shí)間里獲得了等離子機(jī)數(shù)千次的運(yùn)行數(shù)據(jù)。建模完畢時(shí)，我們很高興，根據(jù)給定的設(shè)置預(yù)測，等離子體的能量是否會(huì)很高。但很快，我們發(fā)現(xiàn)的預(yù)測結(jié)果和我們的設(shè)想不符。
在印度馬杜賴的Aravind醫(yī)院進(jìn)行眼科檢查，醫(yī)生和谷歌的研究人員正嘗試自動(dòng)診斷由糖尿病引起的失明
當(dāng)我們再次訓(xùn)練模型時(shí)，將實(shí)驗(yàn)時(shí)間作為唯一輸入，也獲得了類似的預(yù)測能力。為什么？我們認(rèn)為我們的第一個(gè)模型鎖定了時(shí)間趨勢，而不是物理現(xiàn)象。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，有一段時(shí)間機(jī)械運(yùn)行良好，有些時(shí)間則沒有。因此，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間可以為您提供有關(guān)產(chǎn)生的等離子體是否為高能量的信息。這里的實(shí)驗(yàn)時(shí)間就是“隱藏變量”。隱藏變量也可以由于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)而產(chǎn)生。比如我們的團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的一個(gè)合作項(xiàng)目是對顯微鏡圖像進(jìn)行“解釋”。這些圖像包括在實(shí)驗(yàn)板上的生物實(shí)驗(yàn)陣列，通常是包含細(xì)胞和液體的孔的網(wǎng)格。我們的目標(biāo)是找到具有某些特定特征的孔，比如經(jīng)化學(xué)處理后細(xì)胞外觀的一些變化。但生物的多樣性本身就讓每個(gè)實(shí)驗(yàn)板都略有區(qū)別。在一塊板上也可能存在差異。位于板邊緣的液滴與中心部分的不同，比如邊緣部分的液體蒸發(fā)更強(qiáng)烈，或者板本身可能出現(xiàn)傾斜，這些都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的差異。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以輕松掌握這些人們未意識到的變化。比如模型可能只是負(fù)責(zé)確定哪些液滴位于板的邊緣。檢查是否出現(xiàn)這種“隱藏變量”的一種簡單方法是讓模型預(yù)測其他目標(biāo)，比如液滴在板上的位置，位于哪塊板上，顯微鏡圖像來自哪個(gè)批次。如果模型成功預(yù)測到了，可能就需要對原來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果持一份懷疑。要解決這個(gè)問題，可以使用多個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型來檢測意外變量和隱藏變量。其中一個(gè)模型預(yù)測主問題——比如等離子是高能還是低能狀態(tài)、細(xì)胞是健康還是生病，而用其他模型排除混雜因素。如果后者的預(yù)測結(jié)果很強(qiáng)，可能就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，或準(zhǔn)備修正之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
認(rèn)不清真正的目標(biāo)：“損失函數(shù)”不是萬靈藥
認(rèn)不清目標(biāo)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法要求研究人員指定一個(gè)“損失函數(shù)”，由它決定各種錯(cuò)誤的嚴(yán)重程度。目前人們傾向于使用更小的函數(shù)集，這些函數(shù)往往無法捕捉研究人員真正關(guān)心的內(nèi)容。
比如我們一直在使用機(jī)器學(xué)習(xí)來輔助求解偏微分方程。這些方程在流體力學(xué)、電磁學(xué)、材料科學(xué)、天體物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)建模中都很常見。我們從一個(gè)方程開始描述水波如何在一個(gè)維度上傳播。該算法的任務(wù)是重復(fù)預(yù)測當(dāng)前步驟的下一個(gè)時(shí)間步長。我們使用兩種稍微不同的訓(xùn)練模型。從損失函數(shù)來看，這兩個(gè)模型同樣好。然而實(shí)際上，一個(gè)完全不能用，而另一個(gè)產(chǎn)生了接近期望的結(jié)果。為什么？因?yàn)榭刂茖W(xué)習(xí)的損失函數(shù)只考慮下一步的錯(cuò)誤，而不能量度多步的解決方案的有效性，而我們真正想要的恰恰是后者。在利用機(jī)器學(xué)習(xí)對糖尿病視網(wǎng)膜病變的機(jī)器篩查任務(wù)中，也出現(xiàn)了不同的目標(biāo)。對于這種病，如果從眼睛后部的圖像中提早檢測到，就可以有效治療。當(dāng)我們收集數(shù)據(jù)，并讓眼科醫(yī)生根據(jù)圖像提供診斷時(shí)，會(huì)讓機(jī)器學(xué)習(xí)工具預(yù)測眼科醫(yī)生會(huì)說些什么。結(jié)果出現(xiàn)了兩個(gè)問題。首先，眼科醫(yī)生們經(jīng)常在診斷意見上無法達(dá)成一致。因此我們意識到，不能將模型建立在單一預(yù)測上。同樣也不能使用“少數(shù)服從多數(shù)”那一套，因?yàn)樵卺t(yī)療準(zhǔn)確性方面，有時(shí)少數(shù)意見是正確的。第二，其實(shí)對這種單一疾病的診斷并不是我們真正的目標(biāo)。我們本來應(yīng)該問的是：“這位患者應(yīng)該去看醫(yī)生嗎？”因此，需要將預(yù)測目標(biāo)從單一疾病的診斷擴(kuò)展到多種疾病。機(jī)器學(xué)習(xí)從業(yè)者很容易掌握數(shù)據(jù)和標(biāo)簽清晰的“明顯”目標(biāo)。但可能在算法的設(shè)置上沒能解決正確的問題。必須牢記總體目標(biāo)，否則再精確的系統(tǒng)解決的也是錯(cuò)誤的問題。
首先，機(jī)器學(xué)習(xí)研究人員要讓自己和同事保持更高的標(biāo)準(zhǔn)。對于一臺(tái)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，必須充分了解其功能，如何校準(zhǔn)，如何檢測錯(cuò)誤，設(shè)備的局限性有哪些等。對于機(jī)器學(xué)習(xí)模型和算法也要如此。所謂“神奇的魔法”其實(shí)是不存在的，使用工具的人必須要理解這些工具。其次，對于不同的學(xué)科，需要制定明確的標(biāo)準(zhǔn)。適當(dāng)?shù)目刂疲∪詸z查和錯(cuò)誤測量將因不同領(lǐng)域而異，這些都需要清楚地說明，以便研究人員、審稿人和期刊編輯能夠鼓勵(lì)良性的科學(xué)行為。第三，關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)科學(xué)教育需要囊括這些更廣泛的問題。雖然目前已經(jīng)有一些資源，但我們還需要做更多工作。筆者所在的團(tuán)隊(duì)經(jīng)常教授算法和工具，但學(xué)生需要更多地了解如何應(yīng)用他們的算法，并對算法本身保持適當(dāng)?shù)馁|(zhì)疑。目前，算力、數(shù)據(jù)和算法的匯集正迸發(fā)出巨大的合力，在機(jī)器學(xué)習(xí)的加持下，為更多的新發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了巨大的機(jī)會(huì)。作為科學(xué)共同體的一員，我們有責(zé)任確保能夠最充分、高效地將這個(gè)機(jī)會(huì)利用好。
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02307-y
