A growing body of research in continual learning focuses on the catastrophic forgetting problem. While many attempts have been made to alleviate this problem, the majority of the methods assume a single model in the continual learning setup. In this work, we question this assumption and show that employing ensemble models can be a simple yet effective method to improve continual performance. However, ensembles' training and inference costs can increase significantly as the number of models grows. Motivated by this limitation, we study different ensemble models to understand their benefits and drawbacks in continual learning scenarios. Finally, to overcome the high compute cost of ensembles, we leverage recent advances in neural network subspace to propose a computationally cheap algorithm with similar runtime to a single model yet enjoying the performance benefits of ensembles.

持续学习研究的主要重点领域是通过设计新算法对分布变化更强大的新算法来减轻神经网络中的“灾难性遗忘”问题。尽管持续学习文献的最新进展令人鼓舞，但我们对神经网络的特性有助于灾难性遗忘的理解仍然有限。为了解决这个问题，我们不关注持续的学习算法，而是在这项工作中专注于模型本身，并研究神经网络体系结构对灾难性遗忘的“宽度”的影响，并表明宽度在遗忘遗产方面具有出人意料的显着影响。为了解释这种效果，我们从各个角度研究网络的学习动力学，例如梯度正交性，稀疏性和懒惰的培训制度。我们提供了与不同架构和持续学习基准之间的经验结果一致的潜在解释。

Lack of performance when it comes to continual learning over non-stationary distributions of data remains a major challenge in scaling neural network learning to more human realistic settings. In this work we propose a new conceptualization of the continual learning problem in terms of a temporally symmetric trade-off between transfer and interference that can be optimized by enforcing gradient alignment across examples. We then propose a new algorithm, Meta-Experience Replay (MER), that directly exploits this view by combining experience replay with optimization based meta-learning. This method learns parameters that make interference based on future gradients less likely and transfer based on future gradients more likely. 1 We conduct experiments across continual lifelong supervised learning benchmarks and non-stationary reinforcement learning environments demonstrating that our approach consistently outperforms recently proposed baselines for continual learning. Our experiments show that the gap between the performance of MER and baseline algorithms grows both as the environment gets more non-stationary and as the fraction of the total experiences stored gets smaller.

The recent emergence of new algorithms for permuting models into functionally equivalent regions of the solution space has shed some light on the complexity of error surfaces, and some promising properties like mode connectivity. However, finding the right permutation is challenging, and current optimization techniques are not differentiable, which makes it difficult to integrate into a gradient-based optimization, and often leads to sub-optimal solutions. In this paper, we propose a Sinkhorn re-basin network with the ability to obtain the transportation plan that better suits a given objective. Unlike the current state-of-art, our method is differentiable and, therefore, easy to adapt to any task within the deep learning domain. Furthermore, we show the advantage of our re-basin method by proposing a new cost function that allows performing incremental learning by exploiting the linear mode connectivity property. The benefit of our method is compared against similar approaches from the literature, under several conditions for both optimal transport finding and linear mode connectivity. The effectiveness of our continual learning method based on re-basin is also shown for several common benchmark datasets, providing experimental results that are competitive with state-of-art results from the literature.

增量任务学习（ITL）是一个持续学习的类别，试图培训单个网络以进行多个任务（一个接一个），其中每个任务的培训数据仅在培训该任务期间可用。当神经网络接受较新的任务培训时，往往会忘记旧任务。该特性通常被称为灾难性遗忘。为了解决此问题，ITL方法使用情节内存，参数正则化，掩盖和修剪或可扩展的网络结构。在本文中，我们提出了一个基于低级别分解的新的增量任务学习框架。特别是，我们表示每一层的网络权重作为几个等级1矩阵的线性组合。为了更新新任务的网络，我们学习一个排名1（或低级别）矩阵，并将其添加到每一层的权重。我们还引入了一个其他选择器向量，该向量将不同的权重分配给对先前任务的低级矩阵。我们表明，就准确性和遗忘而言，我们的方法的表现比当前的最新方法更好。与基于情节的内存和基于面具的方法相比，我们的方法还提供了更好的内存效率。我们的代码将在https://github.com/csiplab/task-increment-rank-update.git上找到。

我们探索无任务持续学习（CL），其中培训模型以避免在没有明确的任务边界或身份的情况下造成灾难性的遗忘。在无任务CL上的许多努力中，一个值得注意的方法是基于内存的，存储和重放训练示例的子集。然而，由于CL模型不断更新，所以存储的示例的效用可以随时间缩短。这里，我们提出基于梯度的存储器编辑（GMED），该框架是通过梯度更新在连续输入空间中编辑存储的示例的框架，以便为重放创建更多的“具有挑战性”示例。 GMED编辑的例子仍然类似于其未编辑的形式，但可以在即将到来的模型更新中产生增加的损失，从而使未来的重播在克服灾难性遗忘方面更有效。通过施工，GMED可以与其他基于内存的CL算法一起无缝应用，以进一步改进。实验验证了GMED的有效性，以及我们最好的方法显着优于基线和以前的五个数据集中的最先进。可以在https://github.com/ink-usc/gmed找到代码。

持续的学习方法努力减轻灾难性遗忘（CF），在学习新任务时，从以前学习的任务中丢失了知识。在这些算法中，有些在训练时维护以前任务中的样本子集。这些样本称为内存。这些方法表现出出色的性能，同时在概念上简单易于实现。然而，尽管它们很受欢迎，但几乎没有做任何事情来理解要包含在记忆中的元素。当前，这种记忆通常是通过随机抽样填充的，没有指导原则可以有助于保留以前的知识。在这项工作中，我们提出了一个基于称为一致性意识采样（CAWS）的样本的学习一致性的标准。该标准优先考虑通过深网更容易学习的样本。我们对三种不同的基于内存的方法进行研究：AGEM，GDUMB和经验重播，在MNIST，CIFAR-10和CIFAR-100数据集上。我们表明，使用最一致的元素在受到计算预算的约束时会产生性能提高；如果在没有这种约束的情况下，随机抽样是一个强大的基线。但是，在经验重播上使用CAWS可以改善随机基线的性能。最后，我们表明CAWS取得了与流行的内存选择方法相似的结果，同时需要大大减少计算资源。

人类智慧的主食是以不断的方式获取知识的能力。在Stark对比度下，深网络忘记灾难性，而且为此原因，类增量连续学习促进方法的子字段逐步学习一系列任务，将顺序获得的知识混合成综合预测。这项工作旨在评估和克服我们以前提案黑暗体验重播（Der）的陷阱，这是一种简单有效的方法，将排练和知识蒸馏结合在一起。灵感来自于我们的思想不断重写过去的回忆和对未来的期望，我们赋予了我的能力，即我的能力来修改其重播记忆，以欢迎有关过去数据II的新信息II）为学习尚未公开的课程铺平了道路。我们表明，这些策略的应用导致了显着的改进;实际上，得到的方法 - 被称为扩展-DAR（X-DER） - 优于标准基准（如CiFar-100和MiniimAgeNet）的技术状态，并且这里引入了一个新颖的。为了更好地了解，我们进一步提供了广泛的消融研究，以证实并扩展了我们以前研究的结果（例如，在持续学习设置中知识蒸馏和漂流最小值的价值）。

持续学习的目标（CL）是随着时间的推移学习不同的任务。与CL相关的主要Desiderata是在旧任务上保持绩效，利用后者来改善未来任务的学习，并在培训过程中引入最小的开销（例如，不需要增长的模型或再培训）。我们建议通过固定密度的稀疏神经网络来解决这些避难所的神经启发性塑性适应（NISPA）体系结构。 NISPA形成了稳定的途径，可以从较旧的任务中保存知识。此外，NISPA使用连接重新设计来创建新的塑料路径，以重用有关新任务的现有知识。我们对EMNIST，FashionMnist，CIFAR10和CIFAR100数据集的广泛评估表明，NISPA的表现明显胜过代表性的最先进的持续学习基线，并且与盆地相比，它的可学习参数最多少了十倍。我们还认为稀疏是持续学习的重要组成部分。 NISPA代码可在https://github.com/burakgurbuz97/nispa上获得。

A continual learning agent learns online with a non-stationary and never-ending stream of data. The key to such learning process is to overcome the catastrophic forgetting of previously seen data, which is a well known problem of neural networks. To prevent forgetting, a replay buffer is usually employed to store the previous data for the purpose of rehearsal. Previous works often depend on task boundary and i.i.d. assumptions to properly select samples for the replay buffer. In this work, we formulate sample selection as a constraint reduction problem based on the constrained optimization view of continual learning. The goal is to select a fixed subset of constraints that best approximate the feasible region defined by the original constraints. We show that it is equivalent to maximizing the diversity of samples in the replay buffer with parameters gradient as the feature. We further develop a greedy alternative that is cheap and efficient. The advantage of the proposed method is demonstrated by comparing to other alternatives under the continual learning setting. Further comparisons are made against state of the art methods that rely on task boundaries which show comparable or even better results for our method.

本文研究了在连续学习框架中使用分类网络的固定架构培训深度学习模型的优化算法的新设计。训练数据是非平稳的，非平稳性是由一系列不同的任务施加的。我们首先分析了一个仅在隔离的学习任务的深层模型，并在网络参数空间中识别一个区域，其中模型性能接近恢复的最佳。我们提供的经验证据表明该区域类似于沿收敛方向扩展的锥体。我们研究了融合后优化器轨迹的主要方向，并表明沿着一些顶级主要方向旅行可以迅速将参数带到锥体之外，但其余方向并非如此。我们认为，当参数被限制以保持在训练过程中迄今为止遇到的单个任务的相交中，可以缓解持续学习环境中的灾难性遗忘。基于此观察结果，我们介绍了我们的方向约束优化（DCO）方法，在每个任务中，我们引入一个线性自动编码器以近似其相应的顶部禁止主要方向。然后将它们以正规化术语的形式合并到损失函数中，以便在不忘记的情况下学习即将到来的任务。此外，为了随着任务数量的增加而控制内存的增长，我们提出了一种称为压缩DCO（DCO-comp）的算法的内存效率版本，该版本为存储所有自动编码器的固定大小分配了存储器。我们从经验上证明，与其他基于最新正规化的持续学习方法相比，我们的算法表现出色。

根据互补学习系统（CLS）理论〜\ cite {mcclelland1995there}在神经科学中，人类通过两个补充系统有效\ emph {持续学习}：一种快速学习系统，以海马为中心，用于海马，以快速学习细节，个人体验，个人体验，个人体验，个人体验，个人体验，个人体验，个人体验，个人体验的快速学习， ;以及位于新皮层中的缓慢学习系统，以逐步获取有关环境的结构化知识。在该理论的激励下，我们提出\ emph {dualnets}（对于双网络），这是一个一般的持续学习框架，该框架包括一个快速学习系统，用于监督从特定任务和慢速学习系统中的模式分离代表学习，用于表示任务的慢学习系统 - 不可知论的一般代表通过自我监督学习（SSL）。双网符可以无缝地将两种表示类型纳入整体框架中，以促进在深层神经网络中更好地持续学习。通过广泛的实验，我们在各种持续的学习协议上展示了双网络的有希望的结果，从标准离线，任务感知设置到具有挑战性的在线，无任务的场景。值得注意的是，在Ctrl〜 \ Cite {veniat2020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202021- coite {ostapenko2021-continual}的基准中。此外，我们进行了全面的消融研究，以验证双nets功效，鲁棒性和可伸缩性。代码可在\ url {https://github.com/phquang/dualnet}上公开获得。

We motivate Energy-Based Models (EBMs) as a promising model class for continual learning problems. Instead of tackling continual learning via the use of external memory, growing models, or regularization, EBMs change the underlying training objective to cause less interference with previously learned information. Our proposed version of EBMs for continual learning is simple, efficient, and outperforms baseline methods by a large margin on several benchmarks. Moreover, our proposed contrastive divergence-based training objective can be combined with other continual learning methods, resulting in substantial boosts in their performance. We further show that EBMs are adaptable to a more general continual learning setting where the data distribution changes without the notion of explicitly delineated tasks. These observations point towards EBMs as a useful building block for future continual learning methods.

本文认为，连续学习方法可以通过分割多种模型的学习者的容量来利益。我们使用统计学习理论和实验分析来展示多种任务在单个型号培训时以非琐碎的方式互相交互。特定任务上的泛化误差可以随着协同任务培训，但在竞争任务训练时也可以恶化。该理论激励了我们名为Model动物园的方法，这是从升压文献的启发，增长了小型型号的集合，每个集中都在持续学习的一集中训练。我们展示了模型动物园的准确性提高了各种持续学习基准问题。

当代理在终身学习设置中遇到连续的新任务流时，它利用了从早期任务中获得的知识来帮助更好地学习新任务。在这种情况下，确定有效的知识表示成为一个具有挑战性的问题。大多数研究工作都建议将过去任务中的一部分示例存储在重播缓冲区中，将一组参数集成给每个任务，或通过引入正则化项来对参数进行过多的更新。尽管现有方法采用了一般任务无关的随机梯度下降更新规则，但我们提出了一个任务吸引的优化器，可根据任务之间的相关性调整学习率。我们通过累积针对每个任务的梯度来利用参数在更新过程中采取的方向。这些基于任务的累积梯度充当了在整个流中维护和更新的知识库。我们从经验上表明，我们提出的自适应学习率不仅说明了灾难性的遗忘，而且还允许积极的向后转移。我们还表明，在具有大量任务的复杂数据集中，我们的方法比终身学习中的几种最先进的方法更好。

在线持续学习是一个充满挑战的学习方案，模型必须从非平稳的数据流中学习，其中每个样本只能看到一次。主要的挑战是在避免灾难性遗忘的同时逐步学习，即在从新数据中学习时忘记先前获得的知识的问题。在这种情况下，一种流行的解决方案是使用较小的内存来保留旧数据并随着时间的推移进行排练。不幸的是，由于内存尺寸有限，随着时间的推移，内存的质量会恶化。在本文中，我们提出了OLCGM，这是一种基于新型重放的持续学习策略，该策略使用知识冷凝技术连续压缩记忆并更好地利用其有限的尺寸。样品冷凝步骤压缩了旧样品，而不是像其他重播策略那样将其删除。结果，实验表明，每当与数据的复杂性相比，每当记忆预算受到限制，OLCGM都会提高与最先进的重播策略相比的最终准确性。

Artificial neural networks thrive in solving the classification problem for a particular rigid task, acquiring knowledge through generalized learning behaviour from a distinct training phase. The resulting network resembles a static entity of knowledge, with endeavours to extend this knowledge without targeting the original task resulting in a catastrophic forgetting. Continual learning shifts this paradigm towards networks that can continually accumulate knowledge over different tasks without the need to retrain from scratch. We focus on task incremental classification, where tasks arrive sequentially and are delineated by clear boundaries. Our main contributions concern (1) a taxonomy and extensive overview of the state-of-the-art; (2) a novel framework to continually determine the stability-plasticity trade-off of the continual learner; (3) a comprehensive experimental comparison of 11 state-of-the-art continual learning methods and 4 baselines. We empirically scrutinize method strengths and weaknesses on three benchmarks, considering Tiny Imagenet and large-scale unbalanced iNaturalist and a sequence of recognition datasets. We study the influence of model capacity, weight decay and dropout regularization, and the order in which the tasks are presented, and qualitatively compare methods in terms of required memory, computation time and storage.

一组复杂的机制促进了大脑中的持续学习（CL）。这包括用于整合信息的多个内存系统的相互作用，如互补学习系统（CLS）理论和突触巩固，以保护获得的知识免受擦除。因此，我们提出了一种通用CL方法，该方法在突触巩固和双重记忆体验重播（Synergy）之间产生协同作用。我们的方法保持语义记忆，该记忆积累并巩固了整个任务中的信息，并与情节内存进行交互以有效重播。它通过跟踪训练轨迹期间参数的重要性并将其固定在语义内存中的巩固参数中，进一步采用了突触巩固。据我们所知，我们的研究是第一个与突触合并一起使用双重记忆体验重播的，该合并适用于一般CL，网络在培训或推理过程中不利用任务边界或任务标签。我们对各种具有挑战性的CL情景和特征分析的评估表明，将突触巩固和CLS理论纳入启用DNN中的有效CL的功效。

对非平稳数据流的持续学习（CL）仍然是深层神经网络（DNN）的长期挑战之一，因为它们容易出现灾难性的遗忘。 CL模型可以从自我监督的预训练中受益，因为它可以学习更具概括性的任务不可能的功能。但是，随着任务序列的长度的增加，自我监督的预训练的影响会减少。此外，域前训练数据分布和任务分布之间的域转移降低了学习表示的普遍性。为了解决这些局限性，我们建议任务不可知代表合并（TARC），这是CL的两阶段培训范式，它交织了任务 - 诺斯局和特定于任务的学习，从而自欺欺人的培训，然后为每个任务进行监督学习。为了进一步限制在自我监督阶段的偏差，我们在监督阶段采用了任务不可屈服的辅助损失。我们表明，我们的培训范式可以轻松地添加到基于内存或正则化的方法中，并在更具挑战性的CL设置中提供一致的性能增长。我们进一步表明，它导致更健壮和校准的模型。

在许多实际应用中，机器学习数据随着时间的流逝依次到达大块。然后，从业者必须决定如何分配其计算预算，以便在任何时间点获得最佳性能。凸优化的在线学习理论表明，最佳策略是在到达时立即使用数据。但是，这可能不是使用深度非线性网络时的最佳策略，尤其是当这些网络对每个数据进行多个数据进行多次通过时，呈现整体分布而非i.i.d ..在本文中，我们在最简单的情况下将此学习环境正式化。每个数据块都是从相同的基础分布中得出的，并首次尝试从经验回答以下问题：学习者在培训新来的块之前应该等待多长时间？学习者应该采用哪些架构？随着观察到更多的数据，学习者是否应该随着时间的推移增加能力吗？我们使用经典计算机视觉基准测试的卷积神经网络以及在大规模语言建模任务中训练的大型变压器模型进行探讨。代码可在\ url {www.github.com/facebookresearch/alma}中获得。