今日arXiv最热联邦学习论文：通信成本降低94%，中科院计算所发布个性化联邦学习方法

引言：你的隐私，联邦来守护！

想象一下，未来你的手机就像一位贴心的私人助理，能够洞察你的喜好、日程，甚至预测你的情绪。听起来很棒，但你可能会担心隐私泄露的问题。别担心，最近一种名为“联邦学习”的创新技术或许能解决这个问题。它让各个手机上的AI模型只需相互学习彼此的经验，而无需直接交换原始数据，就像我们协作学习时只分享心得和方法，而不抄袭他人作业。这样既能让AI变聪明，又能保护用户隐私。

然而，联邦学习也面临挑战：模型之间交换的参数数量庞大，通信成本很高。但中科院计算所最近提出的“FUELS”方法或许能解决这些问题。它通过寻找数据间的相似性，帮助模型更好地理解彼此，还能节约94%的通信成本。

个性化联邦学习技术让AI更懂你，同时很好地保护了隐私，还让AI变得更加聪明高效。这项技术的出现，让我们对未来AI的发展有了更多期待。相信在不久的将来，我们就能享受到更加智能、安全、高效的AI助手带来的便利！

论文标题：
Personalized Federated Learning for Spatio-Temporal Forecasting: A Dual Semantic Alignment-Based Contrastive Approach

论文链接：
https://arxiv.org/pdf/2404.03702.pdf

方法详解：双重语义对齐的对比学习方法

本文提出的 FUELS 框架主要包括三个关键技术：编码器与解码器、客户端内对比任务和客户端间对比任务。下面将逐一对其进行详细介绍。

1. 编码器与解码器

在 FUELS 中预测模型 被拆分为两个部分：编码器 和解码器 。

编码器的作用是将输入数据 映射到一个 维的隐藏空间。具体而言，编码器采用两个门控循环单元(GRU)模型来分别提取输入数据的短期特征和周期性特征，记为 和 ， 和 分别表示输入数据 的短期子序列和周期性子序列。编码器的输出表示为 ，论文中将短期特征 GRU 和周期特征 GRU 编码的结果级联生成编码器的表示：

解码器以编码器输出 作为输入，生成最终的预测结果 ，论文中采用简单的全连接层作为解码器结构。

2. 客户端内对比任务

客户端内对比任务的目的是通过对齐不同时间表示的语义相似性，将时间异质性引入到隐空间表示中。为此，本文设计了一个困难负样本过滤模块，用于自适应对齐真实的负样本对。

作者首先采用时空偏移方式生成客户端 的增广数据集 。具体而言，对于客户端中的数据 生成对应的增广样本 ，其表示记为 ，其中第 行表示 第  个时间戳的时间表示。

然后作者通过一个可学习的过滤矩阵 得到过滤之后的相似矩阵 ， 被用于区分困难负样本和真实负样本：

上面的过程可以筛选出时间戳不同但语义相似的表征。对比任务的目标是排斥语义不同的表征，从而有效地为表征注入时间异质性。

3. 客户端间对比任务

客户端间对比任务旨在通过共享不同客户端的语义原型，在保留空间异质性的同时实现知识共享。为此作者将客户端所有数据表示的均值定义为客户端级语义原型 ：

然后设计了一种基于 Jensen-Shannon 散度(JSD)的聚合机制，用于对齐不同客户端的原型，并为每个客户端生成定制化的全局正负原型。具体而言，服务器根据 JSD 值将所有其他客户端划分为第 个客户端的正样本集 和负样本集 。最后通过平均聚合得到全局正负原型 和 ：

综上，FUELS 的本地训练目标可表示为最小化三个损失函数组成的联合损失函数：

通过联合优化三个损失函数，可以使本地模型在注入时空异质性的同时，实现较好的预测性能。

除此之外，本文还对 FUELS 的泛化性、收敛性与复杂度进行理论分析，以此证明 FUELS 的有效性。

实验：FUELS vs. 主流联邦学习方法

1. 个性化联邦实验设置

本文在三个真实的数据集上评估了 FUELS 的性能,包括短信服务(SMS)、语音呼叫(Call)和互联网服务(Net)。此外,还在 METR-LA 交通流量预测基准数据集上进行了实验。

实验中将 FUELS 与6种主流联邦学习方法进行了比较,包括FedAvg、FedProx、FedRep、PerFedAvg、pFedMe 和 FedDA。为了全面评估模型性能,本文采用了均方误差(MSE)和平均绝对误差(MAE)两个评价指标。

在超参数设置方面,编码器使用具有128个单元的 GRU 模型,解码器采用全连接层。设定了合理的本地批大小、窗口大小、温度系数等参数。此外,客户端选择比例 设为0.2,训练轮数为200轮。

2. 主要实验结果

实验结果表明，FUELS 在所有数据集上都取得了优于基线方法的性能，且通信开销大幅降低。在三个数据集上的平均 MSE 比最佳基线 PerFedAvg 降低了9.8%，平均 MAE 降低6.7%。同时，FUELS 的通信参数量比基线方法平均减少了94%。

本文还可视化了各方法的预测值曲线和 MSE 的累积分布函数(CDF)曲线。结果显示 FUELS 在各数据集的波动序列上，都能给出更加准确的预测。此外，FUELS 的 MSE 分布更集中在较低的区域，如在 Net 数据集上，87%的客户端 MSE 低于1.5，而 FedRep 等方法的比例仅为72%~81%。

本文进一步分析了各方法在不同通信成本下的性能变化趋势。结果发现，在相同MSE水平下 FUELS 的通信开销显著低于其他个性化联邦学习方法，体现出其出色的通信效率。

3. 不同组件对FUELS的影响

为了验证 FUELS 不同组件的有效性，本文设计了一系列消融实验。

首先，分别移除了客户端内和客户端间对比任务，发现性能都有所下降，表明两类对比任务可从不同角度改进本地训练。其次，用拼接方式生成原型，发现性能略有下降，且通信量大幅上升，说明周期性感知原型的优越性。然后去除了动态过滤模块，性能出现明显下滑，表明该机制可有效挑选出真正的负样本。

此外，本文还考察了一些关键参数的影响，包括相似度阈值 、温度系数 以及损失权重 。结果表明， 取 JSD 值的中位数， 取0.02， 取5时，FUELS 能取得较好的性能。

最后，实验对比了原型与原始数据的相关性，并可视化了过滤矩阵，进一步验证了语义对齐机制的有效性。同时，本文还将 FUELS 与差分隐私等机制结合，在隐私保护的同时保持了较好的性能表现。

总结

FUELS 通过语义相似性自适应对齐正负样本对，利用客户端内和客户端间的对比任务，将时空异质性引入表示空间，同时采用周期性感知原型作为通信载体，在大幅降低通信开销的同时实现了显著的性能提升。该方法在理论和实验上都得到了充分的验证，为个性化联邦学习在时空预测等领域的应用提供了新的思路。