Despite their success in massive engineering applications, deep neural networks are vulnerable to various perturbations due to their black-box nature. Recent study has shown that a deep neural network can misclassify the data even if the input data is perturbed by an imperceptible amount. In this paper, we address the robustness issue of neural networks by a novel close-loop control method from the perspective of dynamic systems. Instead of modifying the parameters in a fixed neural network architecture, a close-loop control process is added to generate control signals adaptively for the perturbed or corrupted data. We connect the robustness of neural networks with optimal control using the geometrical information of underlying data to design the control objective. The detailed analysis shows how the embedding manifolds of state trajectory affect error estimation of the proposed method. Our approach can simultaneously maintain the performance on clean data and improve the robustness against many types of data perturbations. It can also further improve the performance of robustly trained neural networks against different perturbations. To the best of our knowledge, this is the first work that improves the robustness of neural networks with close-loop control.


翻译:尽管在大规模工程应用中取得了成功,但深神经网络由于其黑盒性质,很容易受到各种扰动的影响。最近的研究表明,深神经网络即使输入数据受到无法察觉的数量的干扰,也可能对数据进行错误分类。在本文件中,我们从动态系统的角度,通过一种新的近距离控制方法来解决神经网络的稳健性问题。我们的方法可以同时保持清洁数据的性能,并针对多种类型的数据扰动改进稳健的神经网络的性能。它还可以进一步改进经过严格训练的神经网络的性能,以适应受扰动或腐败的数据。我们最了解的是,我们利用基本数据的几何学信息将神经网络的稳健性与最佳控制结合起来来设计控制目标。详细分析表明,国家轨迹嵌入的方块如何影响对拟议方法的错误估计。我们的方法可以同时保持清洁数据的性能,并针对多种类型的数据扰动性能提高稳健性。它还可以进一步改进经过严格训练的神经网络的性能,以适应不同的扰动性。我们最了解的是,这是用近控制来改进神经网络稳健性的第一个工作。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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