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进化计算在通用人工智能系统设计与丰富中的角色:综述与展望

期刊:ieee transactions on evolutionary computationDOI:10.1109/tevc.2025.3530096

这篇文档属于类型b(科学论文中的综述类文章)。以下是针对该文档的学术报告:


作者及机构
本文由Daniel Molina(格拉纳达大学)、Javier Poyatos(格拉纳达大学)、Javier Del Ser(格拉纳达大学与TECNALIA研究中心)、Salvador García(格拉纳达大学)、Hisao Ishibuchi(南方科技大学)、Isaac Triguero(格拉纳达大学)、Bing Xue(惠灵顿维多利亚大学)、Xin Yao(伯明翰大学与岭南大学)、Francisco Herrera(格拉纳达大学)等多位IEEE会士和高级会员合作完成。文章于2025年发表于《IEEE Transactions on Evolutionary Computation》。

主题与背景
本文围绕”进化计算(Evolutionary Computation, EC)在通用人工智能系统(General-Purpose AI Systems, GPAIS)设计与增强中的应用”展开综述。随着人工智能对多任务自适应模型的需求增长,传统单一任务导向的机器学习系统面临局限性。以ChatGPT为代表的GPAIS展现了更强的泛化能力,但其模型配置与自适应性问题复杂度远超传统机器学习。进化计算作为一种设计机器学习模型的工具,能够通过自配置和自适应优化模型,因此其在GPAIS中的应用成为自然选择。文章旨在系统性分析EC在GPAIS领域的作用,并探讨未来研究方向。

主要观点与论证

  1. EC与GPAIS的适配性
    文章指出,EC的领域无关性、多目标优化能力和对数据假设的自由性使其特别适合GPAIS的设计。通过进化动态优化(Evolutionary Dynamic Optimization)、多任务优化(Multitask Optimization)等EC技术,可以解决GPAIS中任务随时间变化、目标冲突等核心挑战。作者以AutoML-Zero和神经进化(Neuroevolution)为例,说明EC能从底层构建新算法(如自动设计神经网络架构),或在开放世界(Open-World)场景中通过质量-多样性优化(Quality-Diversity Optimization)生成适应未知任务的模型。

  2. EC-GPAIS的 taxonomy(分类体系)
    作者提出”EC赋能AI”的分类框架(图2),分为设计(Design)和增强(Enrichment)两大方向:

    • 设计方向包含超参数优化(Hyperparameter Optimization)、自动化算法选择(Automated Algorithm Selection)和算法构建(Algorithm Construction)。例如NSGA-NET通过多目标进化算法平衡神经网络性能与复杂度,而AutomML-Zero能从零进化出完整机器学习算法。
    • 增强方向包括行为发现(如持续学习Continual Learning)、数据生成(如POET框架的环境生成)、学习如何学习(如进化迁移学习Evolutionary Transfer Learning)等。研究显示,开放世界GPAIS需要EGANS等进化生成对抗网络来应对零样本学习(Zero-Shot Learning)场景。
  3. GPAIS特性与EC研究领域的映射
    通过表1,作者系统匹配GPAIS的9大核心属性与EC技术:

    • 例如”自适应新任务”对应进化动态优化,解决任务概念漂移(Concept Drift);
    • “多任务处理”依赖多目标进化算法(Multi-Objective EA)和协同共进化(Cooperative Coevolution);
    • “低数据适应”通过开放式进化(Open-Ended Evolution)实现多样性生成。支持案例包括FunSearch结合大语言模型(LLM)进化程序代码,验证了EC在复杂搜索空间中的潜力。
  4. EC-GPAIS的里程碑研究
    表2总结了封闭世界(Closed-World)与开放世界GPAIS的代表性工作:

    • 封闭世界:NEAT框架通过进化最小神经网络开创神经进化领域;LEAF框架整合CodeNEAT的共进化机制实现自动化机器学习。
    • 开放世界:POET通过并行进化环境与代理实现知识迁移;EUREKA利用EC生成强化学习奖励函数。作者强调,当前开放世界研究多聚焦数据合成,算法构建方向仍是空白。
  5. 挑战与策略
    文章指出四大交叉策略问题(图3):

    • 数据稀缺需结合进化数据合成(Evolutionary Data Synthesis)与主动学习(Active Learning);
    • 目标函数设计在零样本场景需依赖自监督任务;
    • 搜索空间维度需大规模全局优化(Large-Scale Global Optimization)技术;
    • 评估成本可通过代理辅助进化(Surrogate-Assisted EA)降低。作者特别强调,多目标冲突(如模型性能与可解释性)需发展多目标EC方法,并提议将伦理、安全性等抽象目标纳入优化。

意义与价值
本文首次系统梳理了EC在GPAIS中的理论框架与实践路径,其贡献体现在:
1. 学术价值:提出的taxonomy为EC-GPAIS研究建立分类标准,匹配表揭示EC技术解决GPAIS瓶颈的机理;
2. 应用价值:综述的算法构建策略(如AutomML-Zero)和开放世界增强方法(如质量-多样性优化)为开发下一代自适应AI提供技术路线;
3. 社会影响:作者指出EC可支持GPAIS的可信化(Trustworthiness),例如通过进化符号学习(Evolutionary Symbolic Learning)提升模型透明性,呼应欧盟AI法案要求。


(注:实际报告中删除了引用标记[xx]和部分技术细节以满足字数要求,完整论证请参考原文)

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