這項由四川大學、浙江大學和清華大學研究團隊共同完成的研究，發(fā)表于2025年6月的第42屆國際機器學習會議(ICML 2025)。論文由來自四川大學的陸奧軍和孫亞男、浙江大學的袁杭杰以及清華大學的馮濤共同撰寫，標題為《從架構(gòu)角度重新思考持續(xù)學習中的穩(wěn)定性-可塑性權(quán)衡》(arXiv:2506.03951v1)。有興趣深入了解的讀者可以通過arXiv預(yù)印本平臺查閱完整論文。

持續(xù)學習的平衡難題

想象一下，你在嘗試學習各種新技能。一方面，你希望快速掌握新知識；另一方面，你不想忘記已經(jīng)學會的內(nèi)容。這正是人工智能研究中"持續(xù)學習"(Continual Learning, CL)面臨的核心挑戰(zhàn)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學習新任務(wù)時，往往會出現(xiàn)"災(zāi)難性遺忘"(catastrophic forgetting)現(xiàn)象，也就是說，當學習新數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)會迅速忘記之前學過的知識。要解決這個問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必須在兩個相互沖突的目標之間找到平衡：穩(wěn)定性(stability)——保持已獲取的知識，和可塑性(plasticity)——學習新概念的能力。這種兩難局面被稱為"穩(wěn)定性-可塑性困境"。

研究團隊指出，現(xiàn)有的大多數(shù)持續(xù)學習方法都專注于開發(fā)新的學習算法來優(yōu)化參數(shù)層面的權(quán)衡，卻忽視了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本身對穩(wěn)定性和可塑性的影響。本研究正是針對這一研究空白，探索了架構(gòu)層面的穩(wěn)定性-可塑性困境，并提出了一種創(chuàng)新解決方案。

架構(gòu)層面的穩(wěn)定性與可塑性

研究團隊首先進行了一項實驗，比較了原始ResNet-18網(wǎng)絡(luò)與其更寬但更淺的變體在持續(xù)學習中的表現(xiàn)。實驗結(jié)果非常有趣：ResNet-18在新任務(wù)上達到了更高的準確率，表明它具有更好的可塑性；而更寬更淺的變體則展現(xiàn)出更低的平均遺忘，說明它具有更強的穩(wěn)定性。

這就像兩個不同類型的學生：一個學生(深度網(wǎng)絡(luò))善于快速學習新知識，但容易忘記舊知識；另一個學生(寬度網(wǎng)絡(luò))記憶力很好，能保持已學內(nèi)容，但學習新事物較慢。研究者由此推斷，在架構(gòu)層面也存在穩(wěn)定性-可塑性的權(quán)衡問題。

想象一下，如果能將這兩種學生的優(yōu)勢結(jié)合起來會怎樣？這正是研究團隊提出的創(chuàng)新思路。他們開發(fā)了一個名為"雙架構(gòu)"(Dual-Architecture, 簡稱Dual-Arch)的框架，利用兩個獨立網(wǎng)絡(luò)的互補優(yōu)勢：一個專注于可塑性，另一個專注于穩(wěn)定性。

雙架構(gòu)框架的工作原理

傳統(tǒng)的持續(xù)學習方法通常使用單一學習器，通過優(yōu)化損失函數(shù)來平衡穩(wěn)定性和可塑性。相比之下，Dual-Arch框架采用了兩個具有不同架構(gòu)的獨立網(wǎng)絡(luò)：可塑性學習器(Plastic Learner)和穩(wěn)定性學習器(Stable Learner)。

可以把這個過程想象成兩個專家的合作：一個是創(chuàng)新專家，擅長快速掌握新知識；另一個是記憶專家，善于保存和整合知識。當新任務(wù)出現(xiàn)時，創(chuàng)新專家(可塑性學習器)首先學習新知識，然后通過"知識蒸餾"(knowledge distillation)技術(shù)將這些新知識傳授給記憶專家(穩(wěn)定性學習器)。記憶專家在接收新知識的同時，也保留了之前積累的經(jīng)驗。

具體來說，研究團隊為兩個學習器設(shè)計了專門的輕量級架構(gòu)?？伤苄詫W習器采用深而窄的架構(gòu)，類似于ResNet-18但通道數(shù)減少；穩(wěn)定性學習器則采用寬而淺的架構(gòu)，保持與ResNet-18相同的寬度但減少了殘差塊的數(shù)量，并修改了全局平均池化層以增加分類器的寬度。這樣的設(shè)計使得兩個網(wǎng)絡(luò)都比原始ResNet-18小得多，但組合起來能發(fā)揮更好的性能。

學習算法的工作流程

Dual-Arch的學習過程可以分為兩個連續(xù)的階段。當新任務(wù)出現(xiàn)時：

首先，可塑性學習器會專注于學習當前任務(wù)數(shù)據(jù)，不考慮保留之前學到的知識。這就像讓創(chuàng)新專家自由發(fā)揮，專心吸收新知識。

然后，可塑性學習器的參數(shù)被凍結(jié)，作為"教師模型"保存下來。穩(wěn)定性學習器(作為"學生模型")通過一個復(fù)合損失函數(shù)進行訓練，這個損失函數(shù)包含三部分：一個硬標簽損失(交叉熵損失)確保預(yù)測與實際標簽一致；一個蒸餾損失使穩(wěn)定性學習器能從可塑性學習器中學習；以及一個由特定持續(xù)學習方法定義的損失項，用于保留之前的知識。

通過這種方式，穩(wěn)定性學習器能夠同時保持之前學到的知識，并有效整合新知識。在評估階段，只使用穩(wěn)定性學習器進行推理，確保計算效率。

實驗驗證與結(jié)果分析

研究團隊在多個數(shù)據(jù)集上進行了廣泛實驗，包括CIFAR100和ImageNet100，并與五種最先進的持續(xù)學習方法(iCaRL、WA、DER、Foster和MEMO)結(jié)合測試。

實驗結(jié)果令人印象深刻：Dual-Arch框架在各種方法、數(shù)據(jù)集和增量步驟中始終優(yōu)于使用單一架構(gòu)的基線。最大提升達到了10.29%的最終準確率(LA)和7.62%的平均增量準確率(AIA)，同時參數(shù)數(shù)量減少了至少33%。

這就像用更少的資源獲得了更好的學習效果。想象一下，如果兩個專業(yè)人士共同工作，每人專注于自己的專長領(lǐng)域，他們的總體表現(xiàn)通常會優(yōu)于一個人試圖同時處理所有任務(wù)。

研究者還進行了消融研究，證明了雙網(wǎng)絡(luò)框架和專門設(shè)計的架構(gòu)的重要性。結(jié)果顯示，去除可塑性學習器會導(dǎo)致AIA平均下降2.63%，而使用非專門化架構(gòu)也會降低性能。

在參數(shù)效率方面，Dual-Arch表現(xiàn)尤為突出。研究顯示，與基線相比，Dual-Arch可以在減少高達87%參數(shù)的同時仍然提高性能。這對于內(nèi)存受限的環(huán)境特別有益。

為什么Dual-Arch有效？

為了深入了解Dual-Arch的工作原理，研究者分析了穩(wěn)定性-可塑性權(quán)衡和偏差校正兩個方面。

在穩(wěn)定性-可塑性權(quán)衡方面，研究顯示Dual-Arch確實結(jié)合了兩種架構(gòu)的優(yōu)勢。單獨使用可塑性網(wǎng)絡(luò)會在先前任務(wù)上出現(xiàn)嚴重遺忘，而單獨使用穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)則在新任務(wù)上表現(xiàn)不佳。Dual-Arch在兩個方面都表現(xiàn)出色，實現(xiàn)了架構(gòu)層面的穩(wěn)定性-可塑性平衡。

在偏差校正方面，研究者分析了任務(wù)混淆矩陣，發(fā)現(xiàn)Dual-Arch能夠更準確地確定正確的任務(wù)ID，減少任務(wù)間的分類錯誤。特別是，它顯著減少了將早期任務(wù)數(shù)據(jù)錯分為最近學習任務(wù)的情況，這被稱為"任務(wù)新近性偏差"(task-recency bias)，是災(zāi)難性遺忘的主要原因之一。

研究的意義與啟示

這項研究提供了一個全新的視角來思考持續(xù)學習中的穩(wěn)定性-可塑性困境。與傳統(tǒng)方法不同，Dual-Arch將這種權(quán)衡從參數(shù)層面擴展到架構(gòu)層面，并通過利用兩種互補架構(gòu)的優(yōu)勢來解決這一挑戰(zhàn)。

這項工作的核心啟示在于，為了實現(xiàn)有效的持續(xù)學習，不僅需要優(yōu)化學習算法，還需要仔細考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計。通過為不同目標(穩(wěn)定性和可塑性)定制不同的架構(gòu)，可以實現(xiàn)更好的整體性能。

對于實際應(yīng)用，Dual-Arch提供了一種參數(shù)高效的解決方案，特別適合資源受限的環(huán)境。它可以作為即插即用的組件，輕松與各種現(xiàn)有持續(xù)學習方法結(jié)合，顯著提高它們的性能。

研究團隊還驗證了該方法在Vision Transformers等其他架構(gòu)上的有效性，說明這一框架具有廣泛的適用性。此外，在具有模糊任務(wù)邊界的更具挑戰(zhàn)性場景中，Dual-Arch也表現(xiàn)出色，進一步證明了其實用價值。

總結(jié)與展望

歸根結(jié)底，這項研究向我們展示了一個簡單而強大的見解：在持續(xù)學習中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計與學習算法同樣重要。通過將穩(wěn)定性和可塑性分配給兩個專門設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)，Dual-Arch框架實現(xiàn)了兩全其美——更好的性能和更少的參數(shù)。

這就像是在學習過程中擁有兩位專家教練，一位幫助你快速掌握新知識，另一位幫助你牢固記住已學內(nèi)容。這種方法不僅在理論上具有吸引力，在實踐中也證明了其有效性。

雖然Dual-Arch在訓練時間方面有所增加(約1.39倍至1.77倍)，但在推理時卻實現(xiàn)了更高的計算效率。對于許多實際應(yīng)用來說，這是一個值得接受的權(quán)衡。

這項研究為持續(xù)學習領(lǐng)域開辟了新的研究方向，鼓勵研究者探索架構(gòu)設(shè)計在解決學習困境中的潛力。未來的工作可能會進一步優(yōu)化專用架構(gòu)的設(shè)計，或探索更多可能的架構(gòu)組合，以進一步提高持續(xù)學習的性能。

對普通讀者來說，這項研究啟示我們，在面對需要同時保持舊知識和學習新內(nèi)容的任務(wù)時，可以考慮采用"分工合作"的策略，讓不同的系統(tǒng)各司其職，從而達到整體最優(yōu)的效果。