科普：聯邦學習的分類和應用場景_STEP

前言

上一篇我們講述了人工智能，機器學習與聯邦學習的關系。

這篇我們將繼續探索聯邦學習方法的分類。聯邦學習方法被分為橫向聯邦學習、縱向聯邦學習和遷移聯邦學習三類，適用于解決不同的實際問題。

橫向聯邦學習

在兩個數據集的用戶特征重疊較多而用戶重疊較少的情況下，把數據集按照用戶維度切分，并取出雙方用戶特征相同而用戶不完全相同的那部分數據進行訓練。這種方法叫做橫向聯邦學習。

▲?應用場景

橫向聯邦學習的本質是樣本的聯合，適用于參與者間業態相同但觸達客戶不同，即特征重疊多，用戶重疊少時的場景，比如不同地區的銀行間，他們的業務相似，但用戶不同。

國務院：推進科普與區塊鏈技術深度融合:為貫徹落實黨中央、國務院關于科普和科學素質建設的重要部署，依據《中華人民共和國科學技術進步法》、《中華人民共和國科學技術普及法》制定《全民科學素質行動規劃綱要（2021－2035年）》，其中要求實施智慧科普建設工程。推進科普與區塊鏈等技術深度融合，強化需求感知、用戶分層、情景應用理念，推動傳播方式、組織動員、運營服務等創新升級，加強“科普中國”建設，強化科普信息落地應用，與智慧教育、智慧城市、智慧社區等深度融合。（新華社）[2021/7/10 0:40:52]

比如，有兩家不同地區銀行?—?上海與杭州兩地的兩家銀行，它們的用戶群體分別來自上海與杭州的居住人口，用戶的交集相對較小。由于銀行間的業務相似，記錄的用戶特征大概率是相同的。因此，橫向聯邦學習可以被考慮用來構建聯合模型。

于2017年，Google提出了一個針對安卓手機模型更新的數據聯合建模方案：在單個用戶使用安卓手機時，不斷在本地更新模型參數并將參數上傳到安卓云上，從而使特征維度相同的各數據擁有方建立聯合模型的一種聯邦學習方案。

動態 | 浙江衛視節目科普支付寶區塊鏈防偽溯源產品:昨日，在浙江衛視播出的科普綜藝欄目《智造將來》現場，支付寶首次展示了支付寶區塊鏈防偽溯源產品，以接地氣的方式公開向大眾展示區塊鏈在生活中的應用。[2019/3/4]

▲?學習過程

Step1.參與方各自從協調方上下載最新模型；

Step2.每個參與方利用本地數據訓練模型，加密梯度上傳給協調方，協調方聚合各用戶的梯度以更新模型參數；

Step3.協調方返回更新后的模型給各參與方；

Step4.各參與方更新各自模型。

縱向聯邦學習

在兩個數據集的用戶重疊較多而用戶特征重疊較少的情況下，把數據集按照特征維度切分，并取出雙方用戶相同而用戶特征不完全相同的那部分數據進行訓練。這種方法叫做縱向聯邦學習。

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

▲?適用場景

縱向聯邦學習的本質是特征的聯合，適用于用戶重疊多，特征重疊少的場景，比如同一地區的商超和銀行，他們觸達的用戶都為該地區的居民，但業務不同。

科普時報：區塊鏈與云計算長期發展目標不謀而合:據《科普時報》今日報道，區塊鏈與云計算兩項技術的結合，從宏觀上來說，一方面，利用云計算已有的基礎服務設施或根據實際需求做相應改變，實現開發應用流程加速，滿足未來區塊鏈生態系統中初創企業、學術機構、開源機構、聯盟和金融等機構對區塊鏈應用的需求。另一方面，對于云計算來說，“可信、可靠、可控制”被認為是云計算發展必須要翻越的“三座山”，而區塊鏈技術以去中心化、匿名性，以及數據不可篡改為主要特征，與云計算長期發展目標不謀而合。[2018/5/4]

比如，有兩個不同機構，一家是某地的銀行，另一家是同一個地方的電商。它們的用戶群體很有可能包含該地的大部分居民，用戶的交集可能較大。由于銀行記錄的都是用戶的收支行為與信用評級，而電商則保有用戶的瀏覽與購買歷史，因此它們的用戶特征交集較小。縱向聯邦學習就是將這些不同特征在加密的狀態下加以聚合，以增強模型能力的聯邦學習。

▲?學習過程

介紹一種簡單通用的縱向聯邦學習的建模學習過程，加密方式也以半同態加密的PallierEncryption為主。

訓練前：

先采用加密文本對齊的技術手段，在系統內篩選出不同企業之間的共同用戶。

訓練時：

Step1.協調方C向企業A與B發送公鑰，用來加密所需傳輸的數據；

Step2.A和B分別計算和自己相關特征的中間結果，并加密完后進行交互，用來求解各自的梯度結果和損失結果；

Step3.A和B分別計算各自加密后的梯度并添加掩碼后發送給C，同時B計算加密后的損失先發送給C；

Step4.C解密梯度和損失后回傳給A和B，A、B去除掩碼并更新模型。

遷移聯邦學習

在兩個數據集的用戶與用戶特征重疊都較少的情況下，不對數據進行切分，而可以利用遷移學習來克服數據或標簽不足的情況。這種方法叫做聯邦遷移學習。

▲?適用場景

當參與者間特征和樣本重疊都很少時可以考慮使用聯邦遷移學習，如不同地區的銀行和商超間的聯合。主要適用于以深度神經網絡為基模型的場景。

遷移學習的核心是，找到源領域和目標領域之間的相似性。舉一個楊強教授經常舉的例子來說明：我們都知道在中國大陸開車時，駕駛員坐在左邊，靠馬路右側行駛。這是基本的規則。然而，如果在英國、香港等地區開車，駕駛員是坐在右邊，需要靠馬路左側行駛。那么，如果我們從中國大陸到了香港，應該如何快速地適應他們的開車方式呢？訣竅就是找到這里的不變量：不論在哪個地區，駕駛員都是緊靠馬路中間。這就是我們這個開車問題中的不變量。找到相似性?(不變量)，是進行遷移學習的核心。

比如有兩個不同機構，一家是位于中國的銀行，另一家是位于美國的電商。由于受到地域限制，這兩家機構的用戶群體交集很小。同時，由于機構類型的不同，二者的數據特征也只有小部分重合。在這種情況下，要想進行有效的聯邦學習，就必須引入遷移學習，來解決單邊數據規模小和標簽樣本少的問題，從而提升模型的效果。

▲?學習過程

聯邦遷移學習的步驟與縱向聯邦學習相似，只是中間傳遞結果不同。

以上是常見的幾種聯邦學習類型，聯邦學習這件“小事”能用在什么場景中，帶來怎樣的價值，會在下一篇文章中詳細介紹。也歡迎各位與我們一起對以上三種類型的聯邦學習進行更深一步的討論，添加小助手加入技術交流群。

作者簡介

嚴楊

來自數據網格實驗室BitXMesh團隊?PirvAIの修道者

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