【机器学习系列(12)】智能算法与终端部署精要
一、元学习快速适应
1. MAML核心公式
minθ∑Ti∼p(T)LTi(fθi′)其中 θi′=θ−α∇θLTi(fθ)\min_\theta \sum_{\mathcal{T}_i \sim p(\mathcal{T})} \mathcal{L}_{\mathcal{T}_i}(f_{\theta'_i}) \quad \text{其中} \ \theta'_i = \theta - \alpha \nabla_\theta \mathcal{L}_{\mathcal{T}_i}(f_\theta)θminTi∼p(T)∑LTi(fθi′)其中 θi′=θ−α∇θLTi(fθ)
2. 小样本正弦回归实战
import higher
import torch
# 任务生成器
def sample_task():
amp = torch.rand(1)*5 + 1 # 随机振幅1-6
phase = torch.rand(1)*3 # 随机相位0-3
return lambda x: amp * torch.sin(x + phase)
# MAML训练
model = torch.nn.Linear(1, 20)
opt = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)
for _ in range(1000):
task = sample_task()
with higher.innerloop_ctx(model, opt) as (fnet, diffopt):
# 内循环适应
for _ in range(3): # 3步梯度更新
x = torch.rand(5,1)*2 - 1 # 5个支持样本
loss = (fnet(x) - task(x)).pow(2).mean()
diffopt.step(loss)
# 外循环优化
x_query = torch.rand(10,1)*2 -1
meta_loss = (fnet(x_query) - task(x_query)).pow(2).mean()
meta_loss.backward()
opt.step()
二、联邦学习隐私保护
1. 联邦平均算法
θglobalt+1=1N∑i=1Nθlocal(i,t)(服务器聚合本地模型)\theta_{global}^{t+1} = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N \theta_{local}^{(i,t)} \quad \text{(服务器聚合本地模型)}θglobalt+1=N1i=1∑Nθlocal(i,t)(服务器聚合本地模型)
2. PySyft联邦训练示例
import syft as sy
hook = sy.TorchHook(torch)
# 创建虚拟客户端
clients = [sy.VirtualWorker(hook, id=f"client{i}") for i in range(3)]
# 数据分片
mnist_data = torch.load('mnist.pt')
data_shards = mnist_data.split([20000, 20000, 20000])
for client, shard in zip(clients, data_shards): shard.send(client)
# 联邦训练循环
global_model = torch.nn.Linear(784,10)
for round in range(10):
local_models = []
for client in clients:
# 客户端本地训练
model = global_model.copy().send(client)
opt = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1)
data = client.data
for _ in range(5): # 本地5批次训练
x, y = data.next_batch(64)
loss = torch.nn.functional.cross_entropy(model(x), y)
loss.backward()
opt.step()
opt.zero_grad()
local_models.append(model.copy().get())
# 模型聚合
with torch.no_grad():
global_model.weight.data = sum(m.weight.data for m in local_models)/3
三、AIoT终端极简部署
1. 微控制器代码生成
# 导出TensorFlow Lite Micro格式
import tensorflow as tf
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(keras_model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
tflite_model = converter.convert()
# 保存为C头文件
with open('model.h', 'w') as f:
f.write('const unsigned char model[] = {')
f.write(','.join([str(b) for b in tflite_model]))
f.write('};')
资源占用对比 (MNIST分类)
| 部署方式 | Flash占用 | RAM占用 | 推理时间 |
|---|---|---|---|
| 原始PyTorch模型 | >1GB | 512MB | 450ms |
| TFLite Micro | 256KB | 32KB | 80ms |
四、本系列终章预告
《机器学习完结篇》探索前沿方向:
- AutoML自动化建模
- 神经辐射场(NeRF)
- 量子机器学习初探
工业级部署建议:
- 微控制器推荐STM32Cube.AI开发环境
- 联邦学习通信协议建议gRPC+TLS加密
- 元学习初始化建议采用预训练模型作为起点
- 低功耗场景优先选择Cortex-M4/M7芯片

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