TrellisNet在CNN和RNN間架起了一座橋梁

長期以來，序列建模一直是循環(huán)神經網絡（RNN）的天下。然而，近年來，卷積神經網絡（CNN）開始入侵這一RNN的保留領地，在建模長距離上下文方面表現(xiàn)尤為出色。這兩年來，更出現(xiàn)了獨立于RNN和CNN之外的完全基于自注意力機制的模型。

CMU和Intel的研究人員Shaojie Bai、J. Zico Kolter、Vladlen Koltun剛剛（2018年10月15日）發(fā)布了論文Trellis Networks for Sequence Modeling，提出了一種新穎的架構——網格網絡（TrellisNet）。網格網絡的結構融合了CNN和RNN，因此可以直接吸收許多為CNN和RNN設計的技術，從而在多項序列建模問題上戰(zhàn)勝了當前最先進的CNN、RNN、自注意力模型。

TrellisNet架構

TrellisNet的基本單元如下圖所示：

上圖中，t表示時刻，i表示網絡層，W表示權重，x表示序列輸入（藍色），z表示隱藏狀態(tài)（黃色）。可以看到，這一基本構件的輸入是前一層i在t、t+1時刻的隱藏狀態(tài)，以及t、t+1時刻的輸入向量。

這些輸入經過前饋線性變換（省略了偏置）：

和前一層t時刻的隱藏狀態(tài)一起傳給非線性激活函數(shù)f：

平鋪上述單元，我們就得到了完整的TrellisNet：

注意，所有時刻和網絡層的權重都是一樣的，這也是TrellisNet的一個重要特征。

順便提一下，由于TrellisNet每層都接受（相同的）輸入序列x1:T作為（部分）輸入，我們可以預先計算輸入序列的線性變換：

然后在所有網絡層使用。

TrellisNet和CNN

回過頭去看下完整的TrellisNet示意圖，可以看到，其實TrellisNet的每一層，都可以視為對隱藏狀態(tài)序列進行一維卷積運算，然后將卷積輸出傳給激活函數(shù)。也就是說，TrellisNet的網絡層i的運算可以總結為：

這就意味著TrellisNet可以看成一種特殊的CNN，隨著網絡層的加深，感受野也隨之增大。

不過，TrellisNet和一般的（時序）CNN有兩個地方不一樣：

如前所述，所有時刻和網絡層的權重是一樣的。換句話說，所有網絡層共享過濾矩陣。這樣的權重系聯(lián)大大降低了模型的尺寸，而且可以看成一種正則化（更穩(wěn)定的訓練、更好的概括性）。

（線性變換后的）輸入序列直接插入每個隱藏層。輸入序列的插入混合了深層特征和原始序列。

相應地，TrellisNet也可以直接應用一些為CNN設計的技術：

深度監(jiān)督。深度監(jiān)督技術使用CNN的中間層損失作為輔助，即

（λ是固定參數(shù)，控制輔助損失的權重）。

例如，在訓練一個L層TrellisNet的過程中，為了預測t時刻的輸出，除了最后一層的zt(L)外，我們可以同時在zt(L-l)、zt(L-2l)等隱藏狀態(tài)上應用損失函數(shù)。

空洞卷積。在CNN中應用空洞卷積可以更快地擴大感受野。TrellisNet可以直接應用這一技術。注意，如果我們改動了核大小或卷積設定，TrellisNet的激活函數(shù)f可能需要做相應調整。例如，假設空洞為d，核大小為2，則激活函數(shù)需調整為

權重歸一化。在卷積核上應用權重歸一化（WN）能起到正則化作用，并加速收斂。

并行。TrellisNet同樣可以利用并行卷積操作。

TrellisNet和RNN

RNN和CNN看起來完全不一樣。CNN的每個網絡層并行操作序列的所有元素，而RNN每次處理序列的一個元素，并在時間上展開。

然而，論文作者證明了，任何展開至有限長度的RNN等價于核矩陣W使用特別的稀疏結構的TrellisNet：

論文作者以一個雙層RNN為例，演示了兩者的等價性。TrellisNet的每個單元同時表示3個RNN單元（輸入xt、第一層的隱藏向量ht(1)、第二層隱藏向量ht(2)）。

而層間線性變換構成了混合分組卷積（mixed group convolution）——一種非常規(guī)的分組卷積，t時刻的分組k通過t+1時刻的分組k-1進行卷積。應用非線性g之后，便精確重現(xiàn)了原本的雙層RNN的輸出。

由于之前的等價性推導不涉及RNN的非線性變換g的內在結構，因此，同樣適用于LSTM和GRU等RNN變體。例如，對LSTM而言：

和之前的例子同理，一個雙層LSTM可以表達為使用混合分組卷積的TrellisNet：

另一方面，LSTM細胞可以作為TrellisNet的非線性激活。下一節(jié)的各項試驗中，論文作者就使用了LSTM細胞作為TrellisNet的激活。

同樣，TrellisNet也可以使用一些源自RNN的技術：

History repackaging：理論上，RNN可以表示無限長度的歷史。但在許多應用中，序列長度太長，會導致反向傳播難以為繼（梯度消失）。經典的解決方案是將序列分為較小的子序列，在每個子序列上進行截斷BPTT。在序列邊界處，重新打包隱藏狀態(tài)ht并傳給下一個RNN序列。因此梯度流停在序列邊界處。TrellisNet也可以利用這一技術。如下圖所示，在RNN中傳遞壓縮歷史向量ht等價于在TrellisNet的混合分組卷積中指定非零補齊，也就是在TrellisNet中使用先前序列上最后一層的最后一步作為補齊（“歷史”補齊）。

門控激活如前所述，TrellisNet可以使用LSTM的門控函數(shù)作為激活。實際上，GRU等其他門控激活同樣可以應用于TrellisNet。

變分dropoutRNN的變分dropout（VD）是一種在每層的所有時步應用相同掩碼的正則化方案（參見下圖，每種顏色代表一種dropout掩碼）。如果直接翻譯這一技術到TrellisNet的話，需要為網絡的每條對角線和混合分組卷積的每個分組創(chuàng)建不同掩碼。論文作者轉而采用了一種極其簡單的替代方案，在每次迭代中，時間維度和深度維度上的每一時步都應用相同的掩碼。論文作者的試驗表明，這一方案效果優(yōu)于其他dropout方案。

循環(huán)權重dropout/DropConnectDropConnect推廣了dropout，dropout歸零隨機選擇的激活子集，而DropConnect歸零隨機選擇的權重子集（如下圖所示）。

Merity等表明，在隱藏層之間的權重Whh上應用DropConnect，可以優(yōu)化LSTM語言模型的表現(xiàn)（arXiv:1708.02182）。受此啟發(fā)，TrellisNet的卷積核應用了DropConnect。

另外，如前所述，等價于RNN的TrellisNet的權重矩陣使用了特別的稀疏結構。那么，有理由相信，去除了這一權重矩陣限制的TrellisNet應該具有更強的表達能力，可以建模比原本的RNN更廣的變換。

試驗結果

論文作者在單詞層面和字符層面的語言建模問題上的測試表明，TrellisNet表現(xiàn)優(yōu)于當前最先進模型。

單詞層面的語言建模測試是在Penn Treebank（PTB）數(shù)據集和WikiText-103（WT103）數(shù)據集上進行的。PTB是相對較小的數(shù)據集，因此比較容易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，需要應用前兩節(jié)提到的一些正則化技術。

在PTB上的測試結果（MoS指混合softmax）

而WT103規(guī)模比PTB大一百倍，過擬合風險較低，但268K的詞匯量使得訓練很有挑戰(zhàn)性。參照之前研究的成果，論文作者在TrellisNet上應用了自適應softmax，提高了內存效率。

在WT103上的測試結果

在WT103上，TrellisNet不僅表現(xiàn)優(yōu)于當前最先進的基于自注意力機制的RMC模型（提升約4%），而且收斂速度比RMC要快很多：TrellisNet在22個epoch內收斂，而RMC需要90個epoch。

對于字符層面的語言建模而言，PTB算是中等規(guī)模的數(shù)據集。因此，論文作者使用了更深的TrellisNet，同時采用了權重歸一化和深度監(jiān)督技術。

論文作者也評估了TrellisNet建模長期依賴的能力。序列化MNIST、PMNIST、序列化CIFAR-10任務，將圖像視作長序列，每次處理一個像素。論文作者為此實現(xiàn)的TrellisNet模型有八百萬參數(shù)，和之前的研究所用的模型規(guī)模相當。為了覆蓋更多上下文，論文作者在TrellisNet的中間層應用了空洞卷積。同樣，TrellisNet在這些任務上的表現(xiàn)超過了之前的成果。

如前所述，不同任務的TrellisNet采用了不同的超參數(shù)和設定，詳見下表：

“-”表示未使用

為了驗證吸收自CNN和RNN的各種技術的效果，論文作者在單詞層面的PTB數(shù)據集上進行了消融測試：

結語

TrellisNet在CNN和RNN間架起了一座橋梁。在理論層面，這可能有助于我們得到對序列建模更深入、更統(tǒng)一的理解。在實踐層面，通過吸收源自CNN和RNN的技術，TrellisNet的表現(xiàn)超越了當前最先進模型。而且，TrellisNet的表現(xiàn)仍有優(yōu)化空間。例如，相比經典的LSTM細胞，其他門控激活可能帶來更好的效果。同理，其他超參數(shù)調整也可能進一步提升TrellisNet的表現(xiàn)。

另外，如果能夠建立TrellisNet和基于自注意力機制的架構（如Transformers）的連接，就可以統(tǒng)一時序建模的三大主要范式。