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Python训练营打卡Day49-神经网络调参指南

news 2025/9/1 10:16:01

知识点回顾：

随机种子
内参的初始化
神经网络调参指南
1. 参数的分类
2. 调参的顺序
3. 各部分参数的调整心得

作业：对于day41的简单cnn，看看是否可以借助调参指南进一步提高精度。

随机种子

import torch
import torch.nn as nn# 定义简单的线性模型（无隐藏层）
# 输入2个纬度的数据，得到1个纬度的输出
class SimpleNet(nn.Module):def __init__(self):super(SimpleNet, self).__init__()# 线性层：2个输入特征，1个输出特征self.linear = nn.Linear(2, 1)def forward(self, x):# 前向传播：y = w1*x1 + w2*x2 + breturn self.linear(x)# 创建模型实例
model = SimpleNet()# 查看模型参数
print("模型参数:")
for name, param in model.named_parameters():print(f"{name}: {param.data}")

torch中很多场景都会存在随机数

1. 权重、偏置的随机初始化

2. 数据加载（shuffling打乱）与批次加载（随机批次加载）的随机化

3. 数据增强的随机化（随机旋转、缩放、平移、裁剪等）

4. 随机正则化dropout

5. 优化器中的随机性

import torch
import numpy as np
import os
import random# 全局随机函数
def set_seed(seed=42, deterministic=True):"""设置全局随机种子，确保实验可重复性参数:seed: 随机种子值，默认为42deterministic: 是否启用确定性模式，默认为True"""# 设置Python的随机种子random.seed(seed) os.environ['PYTHONHASHSEED'] = str(seed) # 确保Python哈希函数的随机性一致，比如字典、集合等无序# 设置NumPy的随机种子np.random.seed(seed)# 设置PyTorch的随机种子torch.manual_seed(seed) # 设置CPU上的随机种子torch.cuda.manual_seed(seed) # 设置GPU上的随机种子torch.cuda.manual_seed_all(seed)  # 如果使用多GPU# 配置cuDNN以确保结果可重复if deterministic:torch.backends.cudnn.deterministic = Truetorch.backends.cudnn.benchmark = False# 设置随机种子
set_seed(42)

介绍一下这个随机函数的几个部分：

1. python的随机种子，需要确保random模块、以及一些无序数据结构的一致性

2. numpy的随机种子，控制数组的随机性

3. torch的随机种子，控制张量的随机性，在cpu和gpu上均适用

4. cuDNN（CUDA Deep Neural Network library ，CUDA 深度神经网络库）的随机性，针对cuda的优化算法的随机性

上述种子可以处理大部分场景，实际上还有少部分场景（具体的函数）可能需要自行设置其对应的随机种子。

日常使用中，在最开始调用这部分已经足够。

内参的初始化

我们都知道，神经网络的权重需要通过反向传播来实现更新，那么最开始肯定需要一个值才可以更新参数。

这个最开始的值是什么样子的呢？如果恰好他们就是那一组最佳的参数附近的数，那么可能我训练的速度会快很多。

为了搞懂这个问题，帮助我们真正理解神经网络参数的本质，我们需要深入剖析一下，关注以下几个问题：①初始值的区间；②初始值的分布；③初始值是多少。

先介绍一下神经网络的对称性----为什么神经元的初始值需要各不相同？

本质神经网络的每一个神经元都是在做一件事，输入x--输出y的映射，这里我们假设激活函数是sigmoid。

y=sigmoid（wx+b），其中w是连接到该神经元的权重矩阵，b是该神经元的偏置。

如果所有神经元的权重和偏置都一样：

1. 如果都为0，那么所有神经元的输出都一致，无法区分不同特征；此时反向传播的时候梯度都一样，无法学习到特征，更新后的权重也完全一致。

2. 如果不为0，同上。

所以，无论初始值是否为 0，相同的权重和偏置会导致神经元在训练过程中始终保持同步。（因为神经网络的前向传播是导致权重的数学含义是完全对称的）具体表现为：

同一层的神经元相当于在做完全相同的计算，无论输入如何变化，它们的输出模式始终一致。例如：输入图像中不同位置的边缘特征，会被这些神经元以相同方式处理，无法学习到空间分布的差异。

所以需要随机初始化，让初始的神经元各不相同。即使初始差异很小，但激活函数的非线性（梯度不同）会放大这种差异。随着训练进行，这种分歧会逐渐扩大，最终形成功能各异的神经元。

所以初始值一般不会太大，结合不同激活函数的特性，而且初始值一般是小的值。最终训练完毕可能就会出现大的差异，这样最开始让每个参数都是有用的，至于最后是不是某些参数归0（失去价值），那得看训练才知道。

避免梯度消失 / 爆炸：

以 sigmoid 激活函数为例，其导数在输入绝对值较大时趋近于 0（如 | x|>5 时，导数≈0）。若初始权重过大，输入 x=w・input+b 可能导致激活函数进入 “饱和区”，反向传播时梯度接近 0，权重更新缓慢（梯度消失）。

类比：若初始权重是 “大值”，相当于让神经元一开始就进入 “极端状态”，失去对输入变化的敏感度。

如果梯度相对较大，就可以让变化处于sigmoid函数的非饱和区。

所以其实对于不同的激活函数，都有对应的饱和区和非饱和区，深层网络中，饱和区会使梯度在反向传播时逐层衰减，底层参数几乎无法更新；

注意下，这里是wx后才会经过激活函数，是多个权重印象的结果，不是收到单个权重决定的，所以单个权重可以取负数，但是如果求和后仍然小于0，那么输出会为0。

import torch
import torch.nn as nn
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np# 设置设备
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")# 定义极简CNN模型（仅1个卷积层+1个全连接层）
class SimpleCNN(nn.Module):def __init__(self):super(SimpleCNN, self).__init__()# 卷积层：输入3通道，输出16通道，卷积核3x3self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=3, padding=1)# 池化层：2x2窗口，尺寸减半self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)# 全连接层：展平后连接到10个输出（对应10个类别）# 输入尺寸：16通道 × 16x16特征图 = 16×16×16=4096self.fc = nn.Linear(16 * 16 * 16, 10)def forward(self, x):# 卷积+池化x = self.pool(self.conv1(x))  # 输出尺寸: [batch, 16, 16, 16]# 展平x = x.view(-1, 16 * 16 * 16)  # 展平为: [batch, 4096]# 全连接x = self.fc(x)  # 输出尺寸: [batch, 10]return x# 初始化模型
model = SimpleCNN()
model = model.to(device)# 查看模型结构
print(model)# 查看初始权重统计信息
def print_weight_stats(model):# 卷积层conv_weights = model.conv1.weight.dataprint("\n卷积层 权重统计:")print(f"  均值: {conv_weights.mean().item():.6f}")print(f"  标准差: {conv_weights.std().item():.6f}")print(f"  理论标准差 (Kaiming): {np.sqrt(2/3):.6f}")  # 输入通道数为3# 全连接层fc_weights = model.fc.weight.dataprint("\n全连接层 权重统计:")print(f"  均值: {fc_weights.mean().item():.6f}")print(f"  标准差: {fc_weights.std().item():.6f}")print(f"  理论标准差 (Kaiming): {np.sqrt(2/(16*16*16)):.6f}")# 改进的可视化权重分布函数
def visualize_weights(model, layer_name, weights, save_path=None):plt.figure(figsize=(12, 5))# 权重直方图plt.subplot(1, 2, 1)plt.hist(weights.cpu().numpy().flatten(), bins=50)plt.title(f'{layer_name} 权重分布')plt.xlabel('权重值')plt.ylabel('频次')# 权重热图plt.subplot(1, 2, 2)if len(weights.shape) == 4:  # 卷积层权重 [out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size]# 只显示第一个输入通道的前10个滤波器w = weights[:10, 0].cpu().numpy()plt.imshow(w.reshape(-1, weights.shape[2]), cmap='viridis')else:  # 全连接层权重 [out_features, in_features]# 只显示前10个神经元的权重，重塑为更合理的矩形w = weights[:10].cpu().numpy()# 计算更合理的二维形状（尝试接近正方形）n_features = w.shape[1]side_length = int(np.sqrt(n_features))# 如果不能完美整除，添加零填充使能重塑if n_features % side_length != 0:new_size = (side_length + 1) * side_lengthw_padded = np.zeros((w.shape[0], new_size))w_padded[:, :n_features] = ww = w_padded# 重塑并显示plt.imshow(w.reshape(w.shape[0] * side_length, -1), cmap='viridis')plt.colorbar()plt.title(f'{layer_name} 权重热图')plt.tight_layout()if save_path:plt.savefig(f'{save_path}_{layer_name}.png')plt.show()# 打印权重统计
print_weight_stats(model)# 可视化各层权重
visualize_weights(model, "Conv1", model.conv1.weight.data, "initial_weights")
visualize_weights(model, "FC", model.fc.weight.data, "initial_weights")# 可视化偏置
plt.figure(figsize=(12, 5))# 卷积层偏置
conv_bias = model.conv1.bias.data
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.bar(range(len(conv_bias)), conv_bias.cpu().numpy())
plt.title('卷积层 偏置')# 全连接层偏置
fc_bias = model.fc.bias.data
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.bar(range(len(fc_bias)), fc_bias.cpu().numpy())
plt.title('全连接层 偏置')plt.tight_layout()
plt.savefig('biases_initial.png')
plt.show()print("\n偏置统计:")
print(f"卷积层偏置 均值: {conv_bias.mean().item():.6f}")
print(f"卷积层偏置 标准差: {conv_bias.std().item():.6f}")
print(f"全连接层偏置 均值: {fc_bias.mean().item():.6f}")
print(f"全连接层偏置 标准差: {fc_bias.std().item():.6f}")

训练时，权重会随反向传播迭代更新。通过权重分布图，能直观看到其从初始化（如随机分布）到逐渐收敛、形成规律模式的动态变化，理解模型如何一步步 “学习” 特征。比如，卷积层权重初期杂乱，训练后可能聚焦于边缘、纹理等特定模式。

识别梯度异常：

1. 梯度消失：若权重分布越来越集中在 0 附近，且更新幅度极小，可能是梯度消失，模型难学到有效特征（比如深层网络用 Sigmoid 激活易出现）。

2. 梯度爆炸：权重值突然大幅震荡、超出合理范围（比如从 [-0.1, 0.1] 跳到 [-10, 10] ），要警惕梯度爆炸，可能让训练崩溃。

借助tensorboard可以看到训练过程中权重图的变化。

神经网络调参指南

大部分时候，由于光是固定超参数的情况下，训练完模型就已经很耗时了，所以正常而言，基本不会采用传统机器学习的那些超参数方法，网格、贝叶斯、optuna之类的，看到一些博主用这些写文案啥的，感觉这些人都是脑子有问题的，估计也没学过机器学习直接就学深度学习了，搞混了二者的关系。

工业界卡特别多的情况下，可能可以考虑，尤其是在探究一个新架构的时候，我们直接忽视这些即可，只有手动调参这一条路。

参数的分类

之前我们介绍过了，参数=外参（实例化的手动指定的）+内参，其中我们把外参定义为超参数，也就是不需要数据驱动的那些参数

通常可以将超参数分为三类：网络参数、优化参数、正则化参数。

①网络参数：包括网络层之间的交互方式（如相加、相乘或串接）、卷积核的数量和尺寸、网络层数（深度）和激活函数等。

②优化参数：一般指学习率、批样本数量、不同优化器的参数及部分损失函数的可调参数。

③正则化参数：如权重衰减系数、丢弃比率（dropout）。

超参数调优的目的是优化模型，找到最优解与正则项之间的关系。网络模型优化的目的是找到全局最优解（或相对更好的局部最优解），而正则项则希望模型能更好地拟合到最优。两者虽然存在一定对立，但目标是一致的，即最小化期望风险。模型优化希望最小化经验风险，但容易过拟合，而正则项用来约束模型复杂度。因此，如何平衡两者关系，得到最优或较优的解，就是超参数调整的目标。

调参顺序

调遵循 “先保证模型能训练（基础配置）→ 再提升性能（核心参数）→ 最后抑制过拟合（正则化）” 的思路，类似 “先建框架，再装修，最后修细节”。

我们之前的课上，主要都是停留在第一步，先跑起来，如果想要更进一步提高精度，才是这些调参指南。所以下面顺序建立在已经跑通了的基础上。

1. 参数初始化----有预训练的参数直接起飞

2. batchsize---测试下能允许的最高值

3. epoch---这个不必多说，默认都是训练到收敛位置，可以采取早停策略

4. 学习率与调度器----收益最高，因为鞍点太多了，模型越复杂鞍点越多

5. 模型结构----消融实验或者对照试验

6. 损失函数---选择比较少，试出来一个即可，高手可以自己构建

7. 激活函数---选择同样较少

8. 正则化参数---主要是droupout，等到过拟合了用，上述所有步骤都为了让模型过拟合

这个调参顺序并不固定，而且也不是按照重要度来选择，是按照方便程度来选择，比如选择少的选完后，会减小后续实验的成本。

初始化参数

预训练参数是最好的参数初始化方法，在训练前先找找类似的论文有无预训练参数，其次是Xavir，尤其是小数据集的场景，多找论文找到预训练模型是最好的做法。关于预训练参数，我们介绍过了，优先动深层的参数，因为浅层是通用的；其次是学习率要采取分阶段的策略。

如果从0开始训练的话，PyTorch 默认用 Kaiming 初始化（适配 ReLU）或 Xavier 初始化（适配 Sigmoid/Tanh）。

bitchsize的选择

一般学生党资源都有限，所以基本都是bitchsize不够用的情况，富哥当我没说。

当Batch Size 太小的时候，模型每次更新学到的东西太少了，很可能白学了因为缺少全局思维。所以尽可能高一点，16的倍数即可，越大越好。

学习率调整

学习率就是参数更新的步长，LR 过大→不好收敛；LR 过小→训练停滞（陷入局部最优）

一般最开始用adam快速收敛，然后sgd收尾，一般精度会高一点；只能选一个就adam配合调度器使用。比如 CosineAnnealingLR余弦退火调度器、StepLR固定步长衰减调度器，比较经典的搭配就是Adam + ReduceLROnPlateau，SGD + CosineAnnealing，或者Adam → SGD + StepLR。

比如最开始随便选了做了一组，后面为了刷精度就可以考虑选择更精细化的策略了。