使用mindoptimizer进行超参调优

  

概述

机器学习领域一般有两类参数，一类是模型内部参数，依靠训练数据来对模型参数进行调参，还有一类则是模型外部的设置参数，需要人工配置，这类参数被称为“超参数”。不同的超参数会对模型效果有不小的影响，因此超参在训练任务中的重要性较高。传统的方式都需要人工去调试和配置，这种方式消耗时间和精力。MindInsight调参功能可以用于搜索超参，基于用户给的调参配置信息，可以自动搜索参数并且执行模型训练。

MindInsight提供的mindoptimizer调参命令可以根据用户配置，从训练日志中提取以往训练记录，再对以往训练记录进行分析，推荐超参，最后自动执行训练脚本。用户在使用时需要按照yaml格式来配置超参的范围等信息，再参考本教程替换训练脚本中的超参，旨在将自动推荐的超参同步到训练脚本里面。当前仅支持高斯过程调参方法，其他方法敬请期待。

安装

此工具为MindInsight的子模块，安装MindInsight后，即可使用MindInsight调参命令，安装MindInsight请参考该安装文档。

用法

MindInsight提供调参命令，命令行（Command-line interface, CLI）的使用方式如下：

usage: mindoptimizer [-h] [--version] [--config CONFIG]
                     [--iter ITER]

optional arguments:
  -h, --help             Shows the help message and exits.
  --version              Shows the program version and exits.
  --config CONFIG        Specifies the configuration file for parameter tuning.
                         The file format is yaml.
  --iter ITER            Specifies the times of automatic training.
                         Automatically recommended parameters are used every time
                         before the training is performed.
                         The default value of ITER is 1.

配置文件规则说明

调参配置文件的格式是yaml，需配置运行命令、训练日志根目录、调参方法、优化目标和超参数信息。其中超参数需要配置取值范围，类型和来源等。MindInsight会根据配置的超参数和优化目标从训练日志中取训练记录，如学习率和正确率，可以供推荐算法分析它们之间的关系，更好地推荐超参数。

1. 配置运行命令

   通过command来配置运行命令，如command: python train.py。在调参程序推荐出超参数后，运行命令会被直接执行。

2. 配置训练日志根目录

   summary_base_dir是训练日志根目录，它用于训练记录的提取，这样可以更好地推荐超参。同时，建议用户在训练脚本中加SummaryColletor来收集训练信息，可查看Summmary收集教程。调参命令会根据配置的summary_base_dir来生成子目录路径，可配置在SummaryColletor记录该次训练记录。自动执行训练后，会在训练日志根目录的子目录记录当次训练信息，产生的训练信息可以作为训练记录来推荐下一次需要的超参。配置summary_base_dir如summary_base_dir: /home/summaries。

3. 配置调参方法

   通过name配置调参方法的名字，通过args字段来配置这个调参方法的参数。

   当前采用的算法是高斯过程回归器（Gaussian process regressor, GP），这个算法可配置采集方法(Acquisition Function)，可选，范围是[ucb, pi,ei]，默认值为ucb。

   • Upper confidence bound (UCB)

   • Probability of improvement (PI)

   • Expected improvement (EI)

   示例：

   tuner:
       name: gp
       args:
           method: ucb
   

4. 配置调参目标

   用户可以选择loss或者自定义的评估指标作为调参的目标。

   配置说明：

   • group：可选，取值包括system_defined和metric，默认system_defined。使用group来配置优化目标所在的组，如loss是系统自定义收集字段，则是system_defined组；而其他在Model()中使用的评估指标，如model = Model(net, loss_fn=loss, optimizer=None, metrics={'Accuracy'})，Accuracy属于评估指标（metrics），因此组别是metric。

   • goal：可选，取值包括minimize、maximize，默认minimize。使用goal来表示该目标的优化方向，如正确率越高越好，即goal需要配置为maximize。

   配置loss：

   target:
       name:loss
   

   配置评估指标中的Accuracy:

   target:
       group: metric
       name: Accuracy
       goal: maximize
   

5. 配置超参信息

   超参的配置字段：bounds、choice、type和source。这里配置的超参字段，会用于训练记录的提取和超参推荐。其中，bounds、choice和type会影响超参推荐，bounds配置了参数的上下界，choice表示推荐值从中选取，type则是配置了该参数的类型。

   目前系统自定义收集的可调字段包括learning_rate、batch_size和epoch。其余参数都为用户自定义参数，可配置为user_defined，将在训练时被自动收集在训练日志中。

   • bounds: 列表，元素个数为2，第一个数为下界值min，第二个数为上界值max。范围是[min, max)，生成随机数方法是numpy.random.uniform()。

   • choice：列表，个数不限，参数取值从这个列表中的元素中选取。

   • type：必填，取值为int或float。

   • source：可选，取值为system_defined或user_defined。如果是自动收集的字段，默认为system_defined；否则，默认为user_defined。

   bounds和choice有且仅有一个，必填。如果配置了choice，仅会从choice的列表中选取值；如果同时配置了choice和type，则type不生效。

使用示例

若用户要优化learning_rate、batch_size和momentum这几个超参数，且优化目标是Accuracy，则应按照如下示例配置yaml文件。

1. 配置config.yaml

   command: sh /home/example/run_alexnet_ascend.sh
   summary_base_dir: /home/summaries
   tuner:
       name: gp
   target:
       group: metric
       name: Accuracy
       goal: maximize
   parameters:
       learning_rate:
           bounds: [0.00001, 0.001]
           type: float
       batch_size:
           choice: [32, 64, 128, 256]
           type: int
       momentum:
           source: user_defined
           choice: [0.8, 0.9]
           type: float
   

   momentum和系统定义的变量不存在重名问题，可不设置source这个字段。

   yaml配置同名字段会选取最后一个，请避免以下使用方式。

   parameters:
       learning_rate:
           bounds: [0.0005, 0.001]
           type: float
       learning_rate:
           source: user_defined
           bounds: [0.00002, 0.0001]
           type: float
   

2. 在训练脚本实例化HyperConfig对象

   (1) 用户需要实例化HyperConfig，并使用HyperConfig实例的参数变量作为训练脚本中对应参数的取值。
   (2) 加上SummaryCollector来收集训练信息，包括超参和评估指标值等。

   如Model Zoo中的训练脚本：

   ds_train = create_dataset_cifar10(args.data_path, batch_size)
   lr = Tensor(get_lr_cifar10(0, cfg.learning_rate, cfg.epoch_size, step_per_epoch))
   opt = nn.Momentum(network.trainable_params(), lr, cfg.momentum)
   
   model.train(cfg.epoch_size, ds_train, callbacks=[time_cb, ckpoint_cb, LossMonitor()]
   

   修改后：

   from mindinsight.optimizer import HyperConfig
   config = HyperConfig()
   params = config.params
   
   # Replace batch_size with params.batch_size.
   ds_train = create_dataset_cifar10(args.data_path, params.batch_size)
   # Replace cfg.learning_rate with params.learning_rate.
   lr = Tensor(get_lr_cifar10(0, params.learning_rate, cfg.epoch_size, step_per_epoch))
   # Replace cfg.momentum with params.momentum.
   opt = nn.Momentum(network.trainable_params(), lr, params.momentum)
   
   # Instantiate SummaryCollector and add it to callback to automatically collect training information.
   summary_cb = SummaryCollector(config.summary_dir)
   model.train(cfg.epoch_size, ds_train, callbacks=[time_cb, ckpoint_cb, LossMonitor(), summary_cb]
   

3. 运行

   在进行自动调参前请确保训练脚本可以正确执行。

   mindoptimizer --config ./config.yaml --iter 10
   

   将执行训练的命令填写在配置文件中，在能够成功运行该训练命令的目录下运行mindoptimizer程序。

4. 可视化

   基于config.yaml里面配置的summary_base_dir来启动MindInsight，启动方法可以查看MindInsight启动命令。

注意事项

1. 训练脚本由用户编写和维护，本工具不会自动修改训练脚本，如果训练脚本本身有错误，则使用本工具支持训练脚本时也会出错；

2. 本工具不对运行过程中的打印信息进行处理或修改；

3. 本工具需要确保调参过程可信，参数配置错误或脚本执行错误都会终止调参过程，用户可根据相应的提示来进行问题定位。