2019 CCF 翁翕 联邦学习的奖励机制设计.pdf

简介：
本文为CCF发表的文章，由翁翕撰写，主要探讨了联邦学习环境下奖励机制的设计与优化，旨在提升模型训练效率和数据安全性。 联邦学习通过将机器学习的计算分散到参与各方的数据库上进行加密的分布式计算，在保护数据安全或用户隐私的同时打破数据孤岛壁垒、实现知识共享。在实际应用中，为了确保参与者持续保持积极性，需要提供足够的经济激励来支持这一过程。 我们提出了一个框架，用于探讨联邦学习中的最优组织和奖励结构设计问题。该框架涵盖了核心概念及其相应的数学定义，并且将根据机制的设定和性质对这些问题进行分类。此外，还提供了若干基准定理，帮助从业者在不深入了解博弈论的情况下也能选择合适的激励机制以实现他们的最优化目标。 联邦学习的核心要素包括“联邦”、“模型用户”、“数据所有者”以及“效用”。其中，“联邦”是由多个参与者组成的联盟；“模型用户”是指使用由该系统生成的机器学习模型的个人或机构；而“数据所有者”，则是提供用于训练这些模型的数据实体。“效用”的定义则涉及到参与这个系统的成本与收益。 设计一个有效的激励机制对于确保联邦学习的成功至关重要。这需要满足博弈论的基本原则，包括理性人准则（即参与者追求自身利益最大化）和信息不对称准则（即设计方与参与者之间存在信息差异）。目标是实现诸如激励相容、个体理性等优化标准以及预算平衡和社会最优。 在实际操作中，联邦学习的循环流程涉及到供应方策略的选择、收益类型及成本类型的确定，还包括评估数据贡献的有效性及其对需求方决策的影响。此外，组织者的策略空间包括接受的数据比例、支付给每个提供者的价格、模型访问权限的规定以及向用户收取的费用。 机制设计的基础假设是在拟线性的环境中进行，在这种环境下供给与需求是分开处理，并且存在外部资本市场。这一设定增加了机制设计面对的挑战和限制条件，同时也为实现社会最优提供了更多的可能途径。 实际应用中的激励机制需要解决如何评估数据的有效性、应对信息不对称的问题以及防止欺诈行为等难题。例如，政府可以利用这种机制来平衡道路使用以避免交通拥堵；在投资领域，则可以通过透明公开的信息促进公平交易和效率提升。 联邦学习的奖励机制设计是一门复杂且跨学科的知识体系，它结合了经济学、博弈论及信息理论等多个领域的知识。通过精心构建激励结构，能够推动系统的长期稳定发展，并实现多方共赢的同时确保数据安全与隐私保护。