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尋找與特定蛋白質強烈結合的藥物分子是藥物發現過程的一個組成部分。為此，已經開發了旨在計算機內部篩查大量潛在結合體的虛擬篩查算法。這些算法使用評分函數來評估計算預測的結合姿態的正確性，并預測結合親和力。近年來，研究已轉向基于深度學習的評分函數，這些函數使用結合數據建立結合行為模型；這是本論文的主題。第一章是對與后續章節相關的概念和文獻的介紹。這包括基于片段的藥物發現、虛擬篩查以及虛擬篩查中的機器學習方法。它還涉及到輸入歸因問題，即為基于深度學習的評分函數的輸入中的原子或鍵分配重要性，以及機器學習算法基于數據集偏見進行分類而不是學習控制蛋白質-配體結合的物理相互作用的問題。第二章的大部分內容是關于虛擬篩查的卷積神經網絡的發表。使用幾個實驗探索了學習訓練集偏見而不是物理相互作用的問題，并提出了一種數據集增強的方法來對抗這種效果。一個精心策劃的驗證集，獨立于任何訓練數據進行構建，被用來顯示在分類決策中增加了對蛋白質信息的使用；在幾個案例研究上使用輸入歸因來證明這一點。

第三章涉及到PointVS設計和工程決策。這是一個用于姿態分類和親和力預測的圖神經網絡快速原型設計和測試的軟件包。它包括各種輔助任務的腳本，如數據集生成、輸入歸因可視化和日志記錄，并已被牛津蛋白質信息學組的另一名成員用于一篇簡要描述的論文。PointVS是另一篇在寫作時正在審查中的出版物的基礎；這構成了第四章。與另一名學生合作，圖神經網絡被用于姿態分類和親和力預測，訓練集和測試集被仔細設置以避免信息泄露。PointVS與幾種其他方法進行了比較，取得了有競爭力的表現。從PointVS獲得的歸因得分被轉換為蛋白質熱點圖，這些熱點圖被用作片段擴展的生成模型的輸入。這一結果優于使用標準物理導出的熱點圖的結果，這證明了圖神經網絡可以挑選出重要的蛋白質-配體相互作用。最后，我們從宏觀的角度看待基于機器學習的評分函數領域。我們得出結論，盡管這些方法有前景，但為了訓練真正“理解”蛋白質-配體結合的宇宙的模型，必須克服幾個障礙。我們建議將輸入歸因真實測試集作為一個可能的進一步研究領域，并確定了一個可能的生成方法。我們得出結論，許多關于機器學習評分函數相對于其基于物理啟示的前身的改進都被高估了，并且需要一個明確考慮到水的更動態的結合視圖。

機器學習（ML）和人工智能（AI）在廣泛的領域實現了非凡的、超乎人類的性能：包括計算機視覺、自然語言處理、蛋白質折疊等等。直到最近，大多數的進步都是采取模型中心化的方法，主要關注于改善神經網絡架構（如卷積神經網絡、殘差網絡、變換器等）和訓練這些模型的優化程序（如批量標準化、dropout、神經結構搜索等）。相對來說，我們對用來訓練這些模型的數據的關注度較低，盡管眾所周知，機器學習對高質量數據的依賴可以用"垃圾進,垃圾出"這句話來精辟地概括。隨著對越來越大且更復雜的模型（如Nvidia和Microsoft的5300億參數的MT-NLG）的回報逐漸減小，研究人員開始認識到采取數據中心化方法的重要性，并開發了原理性的方法來研究這些模型的燃料：數據本身。數據中心視角不僅可以提高任務性能，還可以讓我們考慮到一些社會關鍵考慮因素，如數據隱私。在本論文中，我們將對機器學習數據管道中的幾個點進行深入分析：在模型訓練前、訓練中和訓練后。在模型訓練前，我們將探索數據選擇的問題：應該用哪些數據來訓練模型，我們應該期望我們的模型在何種類型的數據上工作？當我們進入模型訓練時，我們將把注意力轉向由我們的ML系統與其部署環境的交互可能導致的兩個問題。第一個問題是數據隱私：我們如何防止我們的模型泄露有關其訓練數據的敏感信息？第二個問題涉及一些被模型化的群體的動態性。特別是當我們的模型被用于做出具有社會影響力的決策（如自動貸款批準或推薦系統）時，模型本身可能會影響數據的分布，導致性能降低。最后，盡管我們在模型訓練前和訓練中遵循最佳實踐，但可能在訓練后我們希望對模型進行后處理，以移除某些訓練后的數據的影響。如何以計算效率高的方式實現這一點呢？本論文將涵蓋每一個先前問題的新穎解決方案，強調的是每一個提議的算法都有可證明的保證。通過將數學嚴謹性應用于具有挑戰性的現實問題，我們可以開發出既有效又可信賴的算法。

在過去的十年中，機器學習（ML）和人工智能（AI）研究已經取得了飛速的進步。到目前為止，大部分的研究都采用了模型中心化的方法：也就是說，數據集被視為已給定，研究人員不斷迭代應用于這些數據集以提取有用信息的模型。這種模式下有一套標準的假設。例如，數據通常假設是從固定概率分布中獨立同分布（i.i.d.）抽取的，此外還假設數據是固定的和給定的。通常還假設測試數據與訓練數據來自同一分布，即不存在分布漂移。而且，通常唯一衡量成功的指標是模型的性能（如預測任務的準確率）。盡管這種范式已經帶來了大量令人印象深刻的進步，但往往與數據科學家在實踐中面臨的情況相去甚遠。例如，收集和策劃一份高質量的訓練集通常比使用更復雜的模型架構帶來更大的收益。關于獨立同分布的假設，在現實中，數據分布可能由于各種因素而不斷變化，包括時間變化（如消費者偏好的季節性影響）和空間變化（如不同地理位置的醫院患者分布不同）。在某些情況下，我們的模型本身可能導致數據分布的變化，特別是如果該模型被用于做出具有社會影響力的決策。最后，最近的立法，如加利福尼亞消費者隱私法案和歐盟的通用數據保護法規，要求在設計AI模型過程中也要考慮消費者隱私。也就是說，隱私以及模型性能，都是必須考慮的關鍵指標。 所有這些重要的實踐問題都有一個共同的主題：它們更多地關聯到數據本身，而不是訓練在其上的模型。在這篇論文中，我們遵循這種數據中心的觀點，并為數據通過典型的ML管道可能出現的問題提出新穎的算法。我們特別強調可以為每個提出的算法提供的可證明的保證。

在過去的十年中，自然語言處理(NLP)系統幾乎完全建立在大型神經模型的基礎上。由于這些模型的能力，可行的任務范圍擴大了，應用的空間也擴大了，包括具有現實世界影響的子領域，如事實核查、假新聞檢測和醫療決策支持。這些模型的規模和非線性的增加導致了不透明，阻礙了機器學習從業者和外行用戶理解其內部原理并從其預測中獲得意義或信任的努力。可解釋人工智能(XAI)和更具體的可解釋NLP (ExNLP)領域通過提供對人類用戶有意義的文本解釋，已成為糾正這種不透明度并確保模型在高風險場景中的可靠性和可信性的活躍領域。可以檢查為其個人預測提供理由的模型，以調試、量化偏差和公平性、理解模型行為以及確定魯棒性和隱私(Molnar 2019)。無論任務模式如何，文本解釋是機器學習數據集中的主要解釋形式。因此，本文涵蓋了自然語言任務解釋和自然語言任務解釋兩個方面。本文提出了兩種語義定義下的模型解釋質量評估測試集:忠實度(faithfulness)和人類可接受性(human acceptability)。我使用這些評估方法來研究兩種解釋形式和三種模型架構的效用。最后，我提出了兩種方法來提高解釋質量——一種增加了忠實突出解釋的可能性，另一種提高了人類對自由文本解釋的可接受性。本文努力增加在實踐中部署人工智能系統時積極使用和產生結果的可能性。

深度學習的發展導致了在各種應用領域的各種任務上的顯著性能提升，這些應用領域包括計算機視覺、自然語言處理、強化學習、生成模型，以及最近從圖結構數據中進行的關系學習。這一成功的主要原因是計算能力的提高，這允許深度和高度參數化的神經網絡架構，這些架構可以從原始數據中學習復雜的特征轉換。然而，深度神經網絡的高表示能力往往是以高模型復雜度為代價的，這指的是高參數化，以及與深度學習相關的內存和計算負擔。**在本文中，我依靠參數有效的神經算子，對數據的適當建模假設和網絡結構的歸納偏差，在幾個應用領域提出更簡單的神經網絡模型。**對于我工作的每個應用領域，我使用這些效率原則的組合來設計新穎的方法。首先，在醫學圖像處理的背景下，我觀察到空間對齊的神經圖像比自然圖像表現出更少的自由度，這證明使用低容量卷積算子是合理的。我通過應用參數高效的卷積變體來實現這一點。我展示了早期阿爾茨海默病預測的最先進結果，同時使用的參數減少了多達125倍，乘累加操作減少了17倍以上。對于設計用于識別受試者亞型的神經圖像的無監督方法也得出了類似的結論。其次，我著手緩解從零開始訓練參數高效的深度模型的挑戰。這可以減少在資源受限的"邊緣"設備上訓練深度模型的不可行性。所提方法基于一個簡化的網絡結構假設，即參數無關性，允許在組合多臂匪徒的背景下建模問題。該方法可以動態地，即在訓練期間，在遵循預定義的內存使用預算的同時，在超參數化模型中識別高性能緊湊的子網絡。這是通過將顯著性指標與每個神經元相關聯來實現的，然后用于驅動參數激活，類似于門控機制，同時學習參數。因此，深度神經網絡訓練和推理過程中的計算和內存負擔都顯著減少。最后，提出一種深度概率模型，用于學習動態圖中的無監督節點和社區嵌入。基于網絡固有的社團結構，引入了關于邊形成機制的結構歸納偏差。此外，我還假設節點和社區都是平滑的時間演化，其靈感來自于數據中缺乏破壞性事件。本文提出一種該方法的參數高效實現，在各種動態預測任務上優于最先進的圖卷積網絡。

關系數據在現代計算中無處不在，并驅動跨多個領域的幾個關鍵應用程序，如信息檢索、問題回答、推薦系統和藥物發現。因此，人工智能(AI)的一個主要研究問題是建立以有效和可靠的方式利用關系數據的模型，同時注入相關的歸納偏差和對輸入噪聲的魯棒性。近年來，圖神經網絡(GNNs)和淺節點嵌入模型等神經模型在關系結構的學習表示方面取得了重大突破。然而，這些系統的能力和局限性還沒有被完全理解，在賦予這些模型可靠性保證、豐富它們的關系歸納偏差以及將它們應用于更具挑戰性的問題設置方面仍存在一些挑戰。在這篇論文中，我們研究了關系數據的學習和推理。更具體地說，我們從理論上和實證上分析了現有模型的性質和局限性，并提出了改進關系歸納偏差和表征能力的新方法。

//ora.ox.ac.uk/objects/uuid:da7744ad-effd-4fc9-b7ab-a00b03a86a53

1. 引言以神經網絡為動力的深度學習系統已經在各種具有挑戰性的任務上取得了突破性的成果，如計算機視覺[96]和機器翻譯[160]。深度學習模型在最少人為干預的情況下從數據中學習模式，并在其訓練集之外進行經驗歸納。因此，在多個領域應用深度學習系統的興趣越來越大。沿著這些思路，近年來一個突出的研究前沿是將深度學習應用到關系數據中。從根本上說，關系數據將信息表示為一組通過語義意義關系連接的實體。例如，可以將在線市場上的產品、賣家和用戶表示為實體，并將交易描述為跨上述三種實體類型的三元關系，例如，Alice從Charlie那里購買了一個球。關系數據的一個流行的特例是圖結構，其中關系最多是二進制的。在這種情況下，關系可以被視為定義(標記)圖實體之間的邊，這些實體本身構成了圖節點。關系表示非常通用，并且出現在各種應用程序領域中。例如，社交網絡中的用戶根據他們的互動(友誼、關注、點贊)成對連接，可以被視為一個圖結構。這同樣適用于引文網絡中的論文[153,154]及其引文連接，以及分子，其中原子可以被視為實體，它們的鍵可以表示為二進制關系。事實上，關系數據封裝了幾個傳統數據域。例如，圖像是網格形狀的圖形的一種特殊情況，其中相鄰的像素由一條邊連接，序列是一系列實體，這些實體的邊連接著連續的實體。鑒于關系數據的普遍存在和圖結構的普遍存在，構建強大的關系機器學習模型是一個重要的研究問題，其分支涉及多個任務，如信息檢索[182]、問題回答[20]、推薦系統[173]和藥物發現[60]。廣義上講，機器學習任務可以分為三大類:

1. 節點級的任務。給定一個帶有未標記或部分標記節點的輸入圖，節點級任務旨在預測節點屬性，例如，對于沒有預標記屬性的節點，預測一個類或一個值。例如，在引用網絡中，論文(輸入圖中的實體)具有內容特征，并且通過二元引用關系與其他論文相連，預測論文的主題就是一個節點分類任務。

2. Graph-level任務。給定一個輸入圖，圖級任務尋求基于節點特征、邊和整體輸入圖結構預測全局圖屬性，如類或值。這些任務在分子圖中非常突出，包括幾個圖性質預測問題，如毒性分類和零點振動能(ZPVE)回歸[140]。

3.Edge-level任務。給定一個輸入圖，邊級任務旨在預測現有邊的未知邊屬性，或者更常見的是，基于現有邊和節點特征預測圖中缺失的邊。對于后一種情況，當輸入圖是單關系圖時，該問題稱為鏈接預測，如引用網絡，當輸入圖是多關系圖時，該問題稱為知識圖譜補全(KGC)。在本文中，我們研究了關系數據(圖結構和更一般的關系數據)的學習和推理，并提出了幾個模型和框架，以理論分析和結果支持，以提高該領域模型的關系歸納偏差和表示能力。更具體地說，我們系統地研究現有模型，證明它們的理論屬性和結果，并提出擴展和新模型，以(i)可證明地捕獲和/或強加豐富的關系歸納偏差，(ii)更好地理解現有模型的表現力和表征局限性，以及(iii)將現有模型和方法擴展到與推理和推理相關的新穎的、具有挑戰性的應用領域。

長期以來，隨著數據處理系統的復雜性不斷增加，系統設計者一直在想象能夠根據環境線索進行自我配置和適應的系統(如數據庫、調度程序)。在這種情況下，強化學習(RL)方法從一開始就吸引了系統開發人員。他們承諾從原始反饋信號中獲取復雜的決策策略。盡管RL方法在概念上很流行，但在現實世界的數據處理系統中卻很少見到。最近，由于利用大型神經網絡(深度強化學習)取得了引人注目的成功，RL受到了爆炸性增長的關注。新興的機器學習框架和強大的硬件加速器催生了大量新的潛在應用。在本文中，我首先提出，為了高效地設計和執行深度RL算法，需要新穎的軟件抽象來適應通信密集和快速進化算法的獨特計算模式。我提出了一種將邏輯算法構造與本地和分布式執行語義解耦的體系結構。我將進一步介紹RLgraph，這是我對這個體系結構的概念驗證實現。在RLgraph中，算法開發人員可以通過組合邏輯組件構建高級數據流圖來探索新的設計。此數據流圖獨立于特定的后端框架或執行概念，只在以后通過分階段構建過程映射到執行語義。RLgraph支持高性能算法實現，同時保持快速原型的靈活性。

//www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/304385

其次，我研究了系統本身中RL應用程序稀缺的原因。我認為，由于缺乏用于任務模型設計的工具來彌合系統和算法之間的差距，以及缺乏評估模型能力的共同標準，應用RL的進展受到了阻礙。在本文中，我介紹了應用RL中第一個用于增量模型設計的工具——Wield。Wield 提供了一小組原語，將系統接口和特定于部署的配置從表示中分離出來。運用的核心是一種新的指導性實驗協議，稱為漸進隨機化，它幫助從業者逐步評估非確定性的不同維度。我演示了如何使用和漸進的隨機化可以用來再現和評估之前的工作，并指導新RL應用程序的實現。

自然智能具有從環境中不斷學習的能力，環境是不斷變化的，因此產生了需要應對的不確定性，以確保生存。相比之下，人工智能(AI)通常只在特定的訓練階段從數據中學習一次，很少明確表示或利用不確定性。在這篇論文中，我們通過設計和理解基于神經網絡的模型，在這些方面為改進人工智能做出貢獻，這些模型可以持續學習，并明確表示幾種不確定性來源，最終目標是獲得有用、可靠和實用的模型。

我們首先將這項研究置于一個更廣泛的背景下，并提供對不確定性估計和持續學習領域的介紹。對于那些有興趣熟悉這些主題的人來說，這個詳細的回顧可以成為一個入門點。在奠定這個基礎之后，我們將深入研究如何持續學習一組任務的具體問題，并提出我們基于神經網絡系統解決這一問題的方法。更具體地說，我們訓練一個元網絡為推理模型生成特定于任務的參數，并表明，在這種設置下，可以在元級別使用簡單的正則化來防止遺忘。由于任務特定解決方案的存在，出現了必須推斷不可見輸入所屬的任務的問題。我們研究了解決這一任務推理問題的兩種主要方法:(i)基于重玩的方法和(ii)基于不確定性的方法。盡管基于重放的任務推理在簡單的基準測試中表現出了顯著的性能，但我們的這種方法的實現依賴于生成建模，隨著任務復雜性的增加，這變得不成比例地困難。另一方面，基于不確定性的任務推理不依賴外部模型，更容易擴展到復雜的場景。因為校準任務推斷所需的不確定性是困難的，在實踐中，人們經常求助于應該知道他們不知道的東西的模型。這在理論上可以通過對模型參數的貝葉斯處理來實現。然而，由于對基于神經網絡的模型的先驗知識的難以解釋，也就很難解釋模型知道什么是不知道的。這種認識的意義超越了持續學習，更普遍地影響了當前機器學習模型如何處理看不見的輸入。我們討論了神經網絡中與選擇先驗知識相關的復雜性，并表明常見的選擇往往導致不確定性，這些不確定性在本質上不能反映特定的需求數據，如檢測模型不應推廣到的看不出的輸入。

總體而言，本文對當前深度學習研究中的兩個重要課題——不確定性估計和持續學習進行了總結和貢獻，同時揭示了現有的挑戰，評估了新的方法，并確定了未來研究的有前途的途徑。

對稱和不變性在機器學習任務中無處不在。雖然卷積神經網絡以成功利用平移對稱性而聞名，但其他對稱性直到最近才經常被忽視。將對稱性或不變性納入神經網絡體系結構可以避免昂貴的數據增強，并減輕對大型數據集的需求。提出的工作集中在不變和等變神經網絡層，把對稱性放在神經網絡架構設計的中心。具體而言，本文涵蓋了三種不同的不變性:排列不變性、旋轉-平移不變性和標簽不變性。

• 對稱和不變性在機器學習任務中無處不在。雖然卷積神經網絡以成功利用平移對稱性而聞名，但其他對稱性直到最近才經常被忽視。
• 將對稱性或不變性納入神經網絡體系結構可以避免昂貴的數據增強，并減輕對大型數據集的需求。
• 提出的工作集中在不變和等變神經網絡層，把對稱性放在神經網絡架構設計的中心。具體而言，本文涵蓋了三種不同的不變性:排列不變性、旋轉-平移不變性和標簽不變性