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| 本文作者： 彭博 | 2017-02-21 11:58 |
雷鋒網(wǎng)注：本文作者彭博，Blink·稟臨科技聯(lián)合創(chuàng)始人。文章由雷鋒網(wǎng)整理自作者知乎專欄，獲授權(quán)發(fā)布，未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載。
一、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圍棋中的歷史
再次回顧 AlphaGo v13 的三大組件：
MCTS（蒙特卡洛樹搜索）
CNN （卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括：策略網(wǎng)絡(luò) policy network、快速走子網(wǎng)絡(luò) playout network、價值網(wǎng)絡(luò) value network）
RL （強(qiáng)化學(xué)習(xí)）
在上世紀(jì)90年代初期，大家就已經(jīng)開始實(shí)驗(yàn)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（當(dāng)時是淺層的）與強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用于棋類游戲。最著名的例子是西洋雙陸棋 Backgammon 的 TD-Gammon，它在自我對弈了150萬局后，就達(dá)到了相當(dāng)強(qiáng)的棋力，摘選 Wikipedia 中的一段：
Backgammon expert Kit Woolsey found that TD-Gammon's positional judgement, especially its weighing of risk against safety, was superior to his own or any human's.
TD-Gammon's excellent positional play was undercut by occasional poor endgame play. The endgame requires a more analytic approach, sometimes with extensive lookahead. TD-Gammon's limitation to two-ply lookahead put a ceiling on what it could achieve in this part of the game. TD-Gammon's strengths and weaknesses were the opposite of symbolic artificial intelligence programs and most computer software in general: it was good at matters that require an intuitive "feel", but bad at systematic analysis.
簡單地說，就是"大局觀"特別強(qiáng)（比當(dāng)時所有人類都強(qiáng)，不過，后來人也學(xué)習(xí)它的招法，人也進(jìn)步了！），但是"官子弱"。這恰好和許多圍棋 AI 給人的感覺完全一致。
然而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（淺層的）在圍棋中的應(yīng)用卻遇到很大的困難。例如90年代就有一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圍棋叫 NeuroGo：The Integration of A Priori Knowledge into a Go Playing Neural Network 它的架構(gòu)（如下圖）也經(jīng)過不少考慮，但棋力很低，10K的水平：
二、策略網(wǎng)絡(luò)的工作原理
究其原因，我們看策略網(wǎng)絡(luò)的輸入（很多年來大家使用的輸入都大同小異，最重要的是把棋子按氣的口數(shù)分類，如1口氣的，2口氣的，3口氣的，4口和更多氣的）：
策略網(wǎng)絡(luò)的目的，簡單說是快速預(yù)測雙方的下一手的位置，類似于棋手的第一感。實(shí)際上，策略網(wǎng)絡(luò)的第一層是類似于這樣的規(guī)則的集合（為方便非程序員理解，這里舉一個特別的例子）：
"如果這個位置的上面有一個1口氣的對方棋子，左下區(qū)域的2口氣以上的本方棋子密度為某某某，右邊某某區(qū)域本方的棋子密度按氣加權(quán)為某某某，......，那么將以上事實(shí)加權(quán)算出有xx%的幾率在這里落子"
看上去，這種規(guī)則更像是能預(yù)測某些局部的棋形情況，不像能準(zhǔn)確地預(yù)測下一手。現(xiàn)代的圍棋策略網(wǎng)絡(luò)為何取得大的進(jìn)展，是因?yàn)槭褂昧?卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) + 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的思想。
如果我們只看 AlphaGo v13 的第一層和最后一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，那么它的運(yùn)作是：
1. 使用了 192 條類似的規(guī)則（由棋譜自動訓(xùn)練出來）（規(guī)則的數(shù)量太少固然不行，太多也會慢同時容易走入誤區(qū)），然后在全棋盤掃描每個點(diǎn)（這就是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思想），計算由所有規(guī)則綜合得到的權(quán)值。
2. 再輸入“1x1卷積核”網(wǎng)絡(luò)（通俗地說，就是將每個點(diǎn)的上面算出的 192 種模式權(quán)值綜合考慮，得出最終的落子幾率），算出棋盤每個點(diǎn)作為走子的幾率。如果也舉個特別的例子，這類似于：
"如果要判斷是否在這里走一個子，就會將【這里符合 A模式的程度】*0.8，【這里符合 B模式的程度】*0.4，【這里符合 C模式的程度】*(-0.2)，等等等等，綜合考慮，得出一個落子機(jī)率。"
3. 上述具體的訓(xùn)練過程，就是每見到一個情況就加強(qiáng)這個情況的權(quán)值。因此越經(jīng)常出現(xiàn)的情況就會越被加強(qiáng)。
三、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為何有效
如果只有兩層網(wǎng)絡(luò)，在看棋譜時，對于對弈者的下一手的位置，只能達(dá)到 35% 左右的正確率：cs.utoronto.ca/
但是，通過使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也就是多層的網(wǎng)絡(luò)，AlphaGo v13 可以達(dá)到 55% 左右的預(yù)測正確率。這有兩個原因：
一，是概念層面的。舉例，人在選點(diǎn)時，會考慮附近的雙方棋子的"厚薄"，但"厚薄"是個高級概念，大致可以認(rèn)為是棋塊的"安定性"與"棋形"的結(jié)合。那么我們可以想象，如果第一層的規(guī)則，包括一部分專門負(fù)責(zé)"安定性"的規(guī)則，和一部分專門負(fù)責(zé)"棋形"的規(guī)則，再往上一層就可以通過加權(quán)考慮這兩種規(guī)則的結(jié)果，得出類似"厚薄"的概念。然后再往上一層，就可以再運(yùn)用之前得出的棋盤每個位置的"厚薄"情況，進(jìn)行進(jìn)一步的決策。
深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最有趣之處在于，并不需要特別告訴它存在這樣的概念的層次，它會自動從數(shù)據(jù)中形成這樣的層次。
二，與棋盤和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)有關(guān)。第一層的規(guī)則，最好是局部的規(guī)則，因?yàn)檫@樣的規(guī)則的泛化能力較高。譬如 AlphaGo v13 第一層使用的是 5x5 的局部，然后在第二層中再考慮 3x3 個 5x5 的局部，由于這些 5x5 的局部之間有重疊部分，就會形成一個 7x7 的局部。通過一層層往上加，最終可覆蓋整個 19x19 的棋盤（如果你喜歡，可以繼續(xù)往上加）。這符合我們的一種直覺：棋形會從里向外輻射一層層的影響，先看 5x5 ，然后看看周邊的棋子就是 7x7 的情況，然后繼續(xù)看下去。
四、新發(fā)展：殘差網(wǎng)絡(luò)
自然的問題是，如果這么說，是不是層越多就越好？
從前大家認(rèn)為不是，因?yàn)樘鄬雍蠛茈y訓(xùn)練，有時在訓(xùn)練集上的準(zhǔn)確度已經(jīng)會變差。
但是，如果仔細(xì)想想，這有點(diǎn)問題。我們不妨假設(shè)新加的一層就是一個不變變換，就是什么都不改變，就把上一層的輸入做為輸出。那么，此時的模型不會變好也不會變差。換而言之，增加層數(shù)，是永遠(yuǎn)不應(yīng)該變差的！（這里的意思是，在訓(xùn)練集上的準(zhǔn)確度不應(yīng)該下降。在測試集上的準(zhǔn)確度可能會由于過擬合而下降）
這就是 ResNet 殘差網(wǎng)絡(luò)的思想： 通過使用它，網(wǎng)絡(luò)可以加到上千層也沒有問題，幾乎是一個免費(fèi)的午餐：
通過運(yùn)用殘差網(wǎng)絡(luò)和少量 MCTS 模擬，策略網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確度可達(dá) 58% 以上：https://openreview.net/pdf?id=Bk67W4Yxl 。這近乎于理論最高值了，因?yàn)槿说淖咂宀煌昝溃瑯拥木置婵梢杂胁煌淖叻ā?/p>
五、策略網(wǎng)絡(luò)的弱點(diǎn)
然而策略網(wǎng)絡(luò)是有弱點(diǎn)的。我在此更具體地說明幾種情況。
第一，學(xué)習(xí)的棋譜數(shù)量有限，因此會有未見過的局面；同時，有時會知其然而不知其所以然，只學(xué)到了表面。這個問題很有趣，譬如，很多人發(fā)現(xiàn) Zen6 （包括 DeepZenGo）有時會在征子上短路。下圖是 2016/11/27 07:43 日 EWZGDXFEZ 與 Zen19L 在 KGS 的對局，黑棋是 Zen19L，走出了驚世駭俗的一步 M4，并認(rèn)為自己的勝率高達(dá) 70% 以上：
結(jié)果被白棋直接在 N4 征死（同時勝率立刻掉到17%...）。這到底是為什么？我們可以打開 Zen6 的策略網(wǎng)絡(luò)顯示（Hotspots 菜單）：
非常有趣。Zen6 認(rèn)為白棋最可能的下一步是在 G2（概率大小是按紅橙黃綠藍(lán)紫排列，最不可能的是無色），而 N4 是它眼中白棋最不可能下的棋。它根本想不到白棋會走 N4。這個問題的成因是明顯的：
在人類高手的對弈中，很少出現(xiàn)一方對另一方進(jìn)行征子，因?yàn)榱硪环綍A(yù)先避免對方征子成功。而策略網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)中，卻不可能看到如此高的概念，它只能看到，如果有一方走出看似可以被征的棋形，另一方不會去征，于是，它所學(xué)到的，就是大家都不會去征對方的子。
著名的第 78 手與此也有類似的原因（區(qū)別是隱蔽得多）。同樣，機(jī)器很難理解人為什么會"保留"，因?yàn)槿?quot;保留"的原因是另一個層次的（例如作為劫材）。當(dāng)然，人的"保留"也不見得都對。
解決這個現(xiàn)象，初級的辦法是加入手動的處理，更好的辦法是通過自我對弈學(xué)習(xí)更多的局面。AlphaGo 比其它各路狗強(qiáng)大的重要原因，在于經(jīng)過了上億盤的左右互搏學(xué)習(xí)，見過的局面太多了。
第二，由于輸入中缺乏對于多口氣的精確區(qū)分（請思考為什么沒有精確區(qū)分），可以說它不會精確數(shù)氣，對于對殺和死活容易犯暈。這一般可以被蒙特卡洛樹搜索糾正，但總會有糾正不了的情況。不過，雖然其它各路狗在此都經(jīng)常會犯錯，但 Master 卻還沒有被人抓到，有可能在于它已經(jīng)學(xué)會有意避免這種局面，就像傳說它會有意避免某些大型變化。
第三，靠感覺是不會精確收官和打劫，因此許多狗的官子和打劫有缺陷（換而言之，人可以靠官子和打劫逆轉(zhuǎn)）。不過目前看來 AlphaGo 的新版已經(jīng)專門為此做過額外處理，不會讓人抓到這么明顯的漏洞。我的一個猜測是，新版 AlphaGo 可能也建立了一個以"贏的子數(shù)"作為目標(biāo)的價值網(wǎng)絡(luò)，并且在適當(dāng)?shù)臅r候會參考它的結(jié)果。
許多人可能會很好奇，為什么各路狗都是用"勝率"而不是"贏的子數(shù)"作為目標(biāo)。這是因?yàn)榇蠹野l(fā)現(xiàn)以"勝率"為標(biāo)準(zhǔn)，得到的勝率更高（這看似是廢話，其實(shí)不是廢話）。說到這個，我見過網(wǎng)上有人提為什么不在穩(wěn)贏的時候改變貼目，盡量贏得更多一些，棋走得更好看；這個想法其實(shí)大家早就試過了，叫 Dynamic Komi 動態(tài)貼目，后果也是會稍微降低勝率。
不過，電腦的保守，有時候可以被人類利用。譬如，在電腦的棋有潛在缺陷的時候，可以先故意不走，等到收官階段，電腦認(rèn)為必勝（并且退讓了很多）的時候再走，讓電腦措手不及。最近陳耀燁就通過類似的辦法連贏了國產(chǎn)狗好幾盤，而 DeepZenGo 也被某位棋手抓到了一個漏洞連贏了好幾盤（而這兩位狗對付其它職業(yè)棋手的勝率已經(jīng)相當(dāng)高了）。圍棋確實(shí)很有趣。我相信人機(jī)對抗并沒有結(jié)束，還會繼續(xù)下去，因?yàn)殡p方都會不斷進(jìn)步。
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《28 天自制你的 AlphaGo（二）：訓(xùn)練策略網(wǎng)絡(luò)，真正與之對弈》
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