关键词:
神经网络结构搜索
进化算法
搜索空间
多目标优化
摘要:
近年来,随着人工设计的神经网络架构在深度学习各个领域展现出显著成效,神经网络结构搜索(Neural Architecture Search,NAS)作为一种自动化设计高性能网络的方法逐渐成为学术界与工业界的研究热点。传统神经网络设计依赖于专家经验与反复试错,这种方法不仅耗时耗力,而且难以保证获得全局最优解。特别是在目标检测任务中,模型需要在精度和效率之间找到平衡点。例如,在医疗手术器械检测中,为了确保手术过程的安全性和准确性,算法必须能够实时处理内窥镜视频流中的高帧率、形态多样的器械以及复杂的光照条件;而在工业缺陷检测中,则需要面对稀少的缺陷样本、背景噪声干扰以及生产线上的实时性需求。
尽管基于强化学习、贝叶斯优化等方法的NAS技术已经在某些方面取得了进展,但其仍然面临搜索效率低、多目标优化失衡等挑战。为此,本文聚焦于基于进化计算的NAS算法研究,探索其在目标检测任务中的优化潜力,旨在通过自动化搜索策略生成高效、鲁棒的神经网络架构,从而推动智能检测系统的实际应用。针对上述问题,国内外学者提出了多种解决方案,包括基于权重共享的OneShot方法、动态参考向量生成等策略,然而如何有效地结合进化算法的全局搜索优势与硬件感知的动态约束仍然是一个亟待解决的问题。
首先,我们详细讨论了现有NAS技术的局限性及其改进方向。NAS的一个主要挑战在于庞大的搜索空间导致的计算成本高昂。此外,多目标优化过程中精度与效率之间的权衡机制尚未完善。为了解决这些问题,本研究引入了进化计算的思想,这种思想源于自然界的选择理论,并被广泛应用于工程学、经济学等多个领域。通过模拟生物进化的自然选择过程,进化算法能够在广阔的搜索空间中快速定位到潜在的最优解集,这为NAS提供了新的视角。本文围绕基于进化计算的NAS算法展开深入研究,重点解决了目标检测中的多目标优化与搜索效率问题。具体而言,本文的主要研究内容及创新点如下:
(1)对于手术器械检测任务,我们提出了一种基于OneShot方法的进化神经结构搜索算法。该算法通过权重共享与动态路径丢弃策略来降低计算开销,并结合进化算法的搜索策略增强复杂场景下的特征提取能力,以应对内窥镜视频流中可能出现的各种挑战。为了进一步提升搜索效率,本文还探讨了一种创新编码策略。通过对搜索空间进行有效的编码表示,可以大幅减少不必要的计算负担,同时提高搜索过程的稳定性。实验结果表明,这些技术的应用显著提升了搜索效率,并在医疗器械检测数据集M2CAI16-Tool-Locations上验证了所提算法的有效性。实验结果显示,改进后的模型在手术器械检测中的mAP@0.5达到了98%,相较于基线方法提高了1.6%-3%,误检率以及漏检率也有显著降低。
(2)针对工业缺陷检测任务,我们设计了一个多目标进化框架ADEA-NAS,引入自适应分解机制与硬件感知约束,实现对模型精度、参数量与推理速度之间的动态平衡。ADEA-NAS引入了动态参考向量生成机制,允许根据当前种群的Pareto front调整参考向量方向,从而更精确地匹配工业数据集的复杂性并提高搜索效率;硬件感知动态约束机制能够实时监控GPU内存使用和推理延迟,并据此动态调整模型结构以适应资源限制;可变长度基因链编码支持网络结构的灵活配置,降低了搜索空间的复杂度;SimAM注意力机制增强了特征提取能力,特别是对于低对比度和小尺寸缺陷的检测。实验结果表明,在NEU-DET钢材表面缺陷数据集上,ADEA-NAS达到了91.4%的mAP,超过了Auto NAS(90.1%)和YOLOv5s(85.6%)等竞争对手。同时,它保持了轻量化(仅2.8M参数)和高推理速度(60 FPS),非常适合边缘设备部署。训练时间仅为6.5小时,远低于基于强化学习的方法如Proxyless NAS所需的280 GPU天(约11,200小时)。此外,ADEA-NAS在大面积缺陷检测中几乎无漏检情况,少量误检对整体影响较小,而在小面积缺陷检测中也能较好地识别出多个缺陷,尽管在某些情况下由于光照和材质反光的影响可能会出现漏检现象。这些成果不仅展示了进化计算在NAS领域的巨大潜力,也为解决现实世界中的复杂检测任务提供了新的思路。
本研究通过将进化计算与NAS技术深度融合,不仅为自动化设计高效网络架构提供了新思路,还进一步拓展了其在医疗、工业等领域的应用价值。未来的研究方向将探索跨任务知识迁移、轻量化注意力模块集成等前沿技术,致力于构建更加智能、通用的目标检测解决方案,以满足不断增长的实际需求和技术挑战。同时,我们也期待看到更多关于如何有效利用进化算法解决NAS过程中遇到的具体问题的研究成果出现,共同推动这一领域的进步与发展。此外,我们将继续关注新兴的人工智能技术趋势,以及它们如何影响未来的NAS研究。总之,我们的目标是不断创