[开发工具]Pycharm中使用optuna调PyTorch超参基本操作

0、基本流程

import optuna
import plotly
from trainers import SimpleTrainer # 我自己写的训练器
import torch
from torch import nn

class BPNet(nn.Modules):
	...

# 定义待优化的超参数目标函数
def objective(trial):
	# 设定超参数搜索空间<1>
    batch_size = trial.suggest_int('batch_size', 4, 7) 
    batch_size = 2 ** batch_size
    flooding = trial.suggest_loguniform('flooding', 10 ** (-4), 10 ** (-2.5))
    lr = trial.suggest_loguniform('lr', 10 ** (-2.5), 10 ** (-1.5))
    weight_decay = trial.suggest_loguniform('weight_decay', 10 ** (-2.5), 10 ** (-1.5))
    # network generation
    model = BPNet(input_dim)
    weight_p, bias_p = [], []
    for name, p in model.named_parameters():
        if 'bias' in name:
            bias_p += [p]
        else:
            weight_p += [p]
    optimizer = optim.Adam(
        [{'params': weight_p, 'weight_decay': weight_decay},
         {'params': bias_p, 'weight_decay': 0}
         ], lr=lr
    )
    criterion = nn.MSELoss()

    # trainer
    trainer = SimpleTrainer(net=model, batch_size=batch_size, num_epoch=num_epoch,
                            optimizer=optimizer, criterion=criterion, mode='adjust',
                            flooding=flooding, tsb_track=None, device='cuda',
                            print_interval=1, early_stop=70)
    vali_acc_track = []
    _, _, max_vali_acc, vali_acc_track = trainer.train(x_train, x_vali, t_train, t_vali)
    # 如有需要，记录每个epoch的vali_acc<2>
    if len(vali_acc_track):
        for step, vali_acc in enumerate(vali_acc_track):
            trial.report(vali_acc, step=step)
    return max_vali_acc

# 创建优化过程<3>
study = optuna.create_study(study_name='baseline_reg',direction='maximize',storage='sqlite:///db.sqlite3')
# 开始优化
study.optimize(objective, n_trials=4)
# 可视化<4>
importance = optuna.visualization.plot_param_importances(study)
plot.offline.plot(importance)

下面针对代码中四处注释分别进行详细说明

1、设定超参数搜索空间

下面介绍的方法都是trial的方法，注意，用户无需自己实例化trial。另外，搜索的区间是闭区间，两端都能取到。

optuna将suggest_discrete_uniform、suggest_uniform、suggest_loguniform封装在了suggest_float中。

suggest_float(name: str, low: float, high: float, *, step: Optional[float] = None, log: bool = False) → float

注意：step与log不能同时使用，如果设定step，默认为discrete_uniform模式；如果设定log为True，默认为loguniform模式。
除了以上几种采样方法，optuna还提供了suggest_int和suggest_categorial
示例
suggest_int感觉上和suggest_float没啥区别，只不过输出整型。

suggest_int(name: str, low: int, high: int, step: int = 1, log: bool = False) → int

这边的log参数可以进行对数均匀采样，意思是说把$[1,10]$这个区间映射到$[0,\ln 10]$，再在$[0,\ln 10]$区间上均匀采样，因此较小的值更容易被采到。
所以我如果batch_size要选择2，4，8，16，32，64，128…这些值，还是没法用这个方法直接得到，而必须先在$[1,7]$上均匀采出一个整数，然后再进行2的乘方运算。
suggest_categorial

kernel = trial.suggest_categorical('kernel', ['linear', 'poly', 'rbf'])
clf = SVC(kernel=kernel, gamma='scale', random_state=0)

2、记录训练过程trial.report

如果我要比较不同的trial训练过程，比方说在某个epoch损失下降到多少或者准确度上升到多少，可以用trial.report进行跟踪。在我写的基本流程里，因为我的训练器是训练完所有epoch才输出结果，所以我只能输出一个存储了loss或者acc（称之为中间值intermediate）的列表，然后用for循环把这些intermediate放到trial里。
当然，也可以像下面这样（来自官方doc），每训练一个epoch记录一次。

for step in range(100):
        clf.partial_fit(X_train, y_train, np.unique(y))
        intermediate_value = clf.score(X_valid, y_valid)
        trial.report(intermediate_value, step=step)

3、创建优化过程optuna.create_study

optuna.study.create_study(storage=None, sampler=None, pruner=None, study_name=None, direction='minimize', load_if_exists=False)

我用过的关键字参数只有storage， study_name， direction，所以我只讲这三个参数，别的我不熟悉，您可以参阅官方doc。

• storage设置保存路径，一般是保存成sqlite，像下面这样：
  storage='sqlite:///db.sqlite3'，其中db是文件名，您可以随意设置。如storage='sqlite:///foo.sqlite3'。
• study_name是您这个优化过程的名字，因为一个sqlite文件里面可以放好多个，第二次存储的时候，如果是同一个存储路径，需要修改study_name。
• direction设置优化方向，如果是loss，应该下降，设置成'minimize'，也是缺省值；如果是accuracy，应该上升，设置成'maximize'。

为什么要保存呢？下面这段话来自这篇知乎文章

出于各种目的，我们经常有保存优化过程的需求。比如你可能需要追踪或者debug 一个目标函数的优化过程，比如目标函数的参数空间太大，而一旦机器崩溃，你的优化过程必须从头再来。又或者，你想实现多台机器并行优化一个目标函数，这时候一个能保存优化试验历史并且能从中恢复/继续优化的特性就显得尤其重要。而 Optuna 支持这种特性。

所以保存了以后如何加载出来呢？
语法是这样

optuna.study.load_study(study_name, storage, sampler=None, pruner=None)

我一般这么用

study = optuna.study.load_study('baseline_reg','sqlite:///db.sqlite3')

4、可视化optuna.visualization

4.1 等高线图

如果有n个参数，则给出$n(n?1)$幅等高线图。

graph_cout = optuna.visualization.plot_contour(study,['batch_size','lr','weight_decay'])
plotly.offline.plot(graph_cout)

注意，因为这是在Pycharm里，所以我只能用offline的模式显示绘出的图，如此会弹出一个plotly生成的网页，这个html网页会保存在当前目录下，如果不指定文件名，缺省值是'temp-plot.html'。

因为横纵坐标不能都是同一个参数，所以对角线上没有，这就是$n(n?1)$个图的来历。令我很迷惑的是，等高线竟然交叉了？？？所以我决定放弃使用等高线图来visualize。

4.2 记录训练过程的intermediate

画出这个图前提是在objective函数里调用了trial的report方法。具体见第二节。

interm = optuna.visualization.plot_intermediate_values(study)
plotly.offline.plot(interm,filename='baseline_interm.html')

如果训练过程振荡的厉害，图会比较丑，更要吐槽的是他不给图例，只能把光标移动到折线上才显示，所以，我也不采用！

4.3 优化历史记录

这个可视化感觉上还可以，红色线是已达到的最优值（当前最小loss或当前最大accuracy），蓝色点是当前值。

history = optuna.visualization.plot_optimization_history(study)
plotly.offline.plot(history)

4.4、高维度参数的关系图

把一个trial的所有超参数和objective value连在了一起，看起来好像有一点点乱，但这个图比较牛b，让人看起来很炫酷。至少比等高线图好一点，因为这里只输出一张图。

parallel = optuna.visualization.plot_parallel_coordinate(study,['batch_size','weight_decay','lr','flooding'])
plotly.offline.plot(parallel)

4.5 超参重要性

重要性指标默认下是根据平均不纯度下降值（MDI）算出来的，具体您可以参阅官方doc。

importance = optuna.visualization.plot_param_importances(study)
plotly.offline.plot(importance)

4.6、参数关系切片图

点很少，看起来不那么exciting。

slices=  optuna.visualization.plot_slice(study,['batch_size','weight_decay','lr','flooding'])
plotly.offline.plot(slices)

5、安装

plotly这个包我建议用conda命令安装。

conda install -c plotly plotly=5.1.0

optuna可以用pip。
optuna-dashboard是一个自动化可视化的界面，不用自己plot，但我死活用不了，搞不懂，可能是Win10系统的问题，可能在Linux能用吧，以后试试。