CNN-BiGRU / cnn_bigru /training /trainer.py
PowerMachine's picture
v3.0: reorganiza arquivos sob cnn_bigru/ (preserva árvore de pastas)
49b8205 verified
Raw History Blame Contribute Delete
28 kB
"""trainer.py — Loop de treinamento cooperativo com auto-aprendizado.
Implementa a seção 11 de dados.txt:
PARA época = 1 ATÉ NUM_EPOCAS:
PARA batch EM DataLoader:
// Forward Gerador
logits_prova, enc_out, _ = gerador.forward(axiomas, conjectura, prova_alvo)
// Calcular perdas e avaliações do verificador
L_total, L_G, L_V, L_AH, lista_v = calcular_perdas(...)
// Backward
zerar_gradientes
L_total.backward()
// Controle de gradiente (clip + spectral norm)
aplicar_controle_gradiente(gerador)
aplicar_controle_gradiente(verificador)
// Ajuste dinâmico de LR baseado em normas de gradiente e v_media
eta_G, eta_V = atualizar_taxas(...)
// Passo de otimização
otimizador_G.step()
otimizador_V.step()
// Normalização espectral após step
aplicar_espectral_norm(gerador)
aplicar_espectral_norm(verificador)
Adicionalmente (APRIMORAMENTOS v2.0):
- Mecanismo de hipóteses ativado quando v < threshold (com gate funcional)
- N tentativas de sinergia (SynergySearcher) no início de cada época
- Meta-controlador que ajusta pesos das perdas baseado na variância do gradiente
- EWC (Elastic Weight Consolidation) integrado à perda total
- Context Window aplicado na inferência (não no treino, que usa teacher forcing)
- Verificador REALMENTE chamado (não proxy) — correção de bug crítico
- Hipótese controller output REALMENTE usado na forward — correção de bug crítico
"""
from __future__ import annotations
import logging
import math
import os
import time
from dataclasses import dataclass, field
from typing import Any, Dict, List, Optional, Tuple
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch.utils.data import DataLoader
from ..losses.losses import LossConfig, MultiLoss
from ..models.generator_verifier import (
GeneratorCNNBiGRU,
VerifierCNNBiGRU,
AntiHallucinationLayer,
)
from ..models.multimodal_model import MultimodalCNNBiGRU
from ..utils.ewc import EWCConfig, EWCState
from ..utils.memory_optimizer import MemoryOptimizer
from .auto_learner import AutoLearnConfig, AutoLearner, estimate_curvature, orthogonal_init_model
from .hypothesis_controller import HypothesisConfig, HypothesisController, SynergySearcher
logger = logging.getLogger(__name__)
@dataclass
class TrainerConfig:
"""Configuração do treinador."""
# Épocas e batches
num_epochs: int = 2
max_batches_per_epoch: int = 10 # limita batches para teste de 50 amostras
batch_size: int = 8
# Synergy search
n_synergy_attempts: int = 3 # N tentativas de acerto do treinamento
use_synergy_search: bool = True
# Hypothesis
use_hypotheses: bool = True
n_hypotheses: int = 4
# Loss config
loss_config: LossConfig = field(default_factory=LossConfig)
# Auto-learn config
auto_config: AutoLearnConfig = field(default_factory=AutoLearnConfig)
# EWC config (NOVO v2.0)
ewc_config: Optional[EWCConfig] = None # None = EWC desativado
# Device
device: str = "cpu"
# Logging
log_every: int = 1
# Habilitar/desabilitar componentes
use_verifier_real: bool = True # usar verificador REAL (não proxy)
use_generator: bool = True # usar gerador para logits de LM
use_hypothesis_output: bool = True # usar saída da hipótese (não só flag)
class CooperativeTrainer:
"""Treina o modelo multimodal CNN-BiGRU cooperativo.
Args:
model: MultimodalCNNBiGRU
tokenizer: BBPETokenizer
config: TrainerConfig
generator: GeneratorCNNBiGRU (opcional, para modo gerar+verificar)
verifier: VerifierCNNBiGRU (opcional)
anti_hallucination: AntiHallucinationLayer (opcional)
ewc_state: EWCState (opcional, para aprendizado contínuo)
"""
def __init__(
self,
model: MultimodalCNNBiGRU,
tokenizer,
config: TrainerConfig,
generator: Optional[GeneratorCNNBiGRU] = None,
verifier: Optional[VerifierCNNBiGRU] = None,
anti_hallucination: Optional[AntiHallucinationLayer] = None,
ewc_state: Optional[EWCState] = None,
):
self.model = model.to(config.device)
self.tokenizer = tokenizer
self.cfg = config
self.device = config.device
# Componentes opcionais
self.generator = generator.to(config.device) if generator else None
self.verifier = verifier.to(config.device) if verifier else None
self.anti_hall = (
anti_hallucination.to(config.device) if anti_hallucination else None
)
# EWC state (aprendizado contínuo) — NOVO v2.0
self.ewc_state = ewc_state
# Loss
self.loss_fn = MultiLoss(config.loss_config, pad_idx=tokenizer.pad_id).to(config.device)
# Auto-learner
self.auto = AutoLearner(config.auto_config)
# Synergy searcher
self.synergy = SynergySearcher(
n_attempts=config.n_synergy_attempts,
seed=42,
)
# Otimizadores
self.opt_model = torch.optim.AdamW(
self.model.parameters(), lr=config.auto_config.initial_lr_G,
weight_decay=config.auto_config.l2_reg # sempre definido agora (v2.0)
)
self.opt_gen = (
torch.optim.AdamW(
self.generator.parameters(),
lr=config.auto_config.initial_lr_G,
weight_decay=config.auto_config.l2_reg,
)
if self.generator else None
)
self.opt_ver = (
torch.optim.AdamW(
self.verifier.parameters(),
lr=config.auto_config.initial_lr_V,
weight_decay=config.auto_config.l2_reg,
)
if self.verifier else None
)
# Memory optimizer
self.mem = MemoryOptimizer(enable_amp=(self.device != "cpu"))
self.mem.configure()
# Hypothesis controller (aplicado sobre features do modelo)
self.hypothesis = HypothesisController(
feat_dim=model.fusion.out_dim,
out_dim=model.fusion.out_dim,
config=HypothesisConfig(
n_hypotheses=config.n_hypotheses,
threshold_err=config.loss_config.threshold_err,
),
).to(self.device)
# Histórico de treinamento
self.history: List[Dict[str, Any]] = []
# NOVO v2.0: métricas estendidas
self.metrics: Dict[str, List[float]] = {
"loss": [], "ppl": [], "v_mean": [], "lr_G": [], "lr_V": [],
"l_g": [], "l_v": [], "l_ah": [], "l_ewc": [],
"hypothesis_activated": [],
}
# =====================================================================
# Cálculo de v (verificador) e τ (anti-alucinação) — VERSÃO CORRIGIDA
# =====================================================================
def _compute_v_and_tau(
self,
fused: torch.Tensor,
input_ids_a: torch.Tensor,
input_ids_b: torch.Tensor,
gen_logits: Optional[torch.Tensor] = None,
) -> Tuple[List[torch.Tensor], List[torch.Tensor]]:
"""Computa valores do verificador (v) e anti-alucinação (τ).
VERSÃO CORRIGIDA v2.0:
- Antes: `v_proxy = sigmoid(fused.mean(-1))` (verificador nunca chamado)
- Agora: chama o VerifierCNNBiGRU com tokens reais gerados pelo gerador
- Anti-alucinação: aplicada sobre os logits reais do gerador (não proxy)
"""
v_list = []
tau_list = []
B = fused.size(0)
device = fused.device
# --- Verificador REAL ---
if self.verifier is not None and self.cfg.use_verifier_real:
try:
# Passo gerado: pegar argmax dos gen_logits por timestep (se disponível)
if gen_logits is not None:
# gen_logits: [B, T, V] → argmax → [B, T]
passo_gerado = gen_logits.argmax(dim=-1)
else:
# Sem gerador: usar input_ids_b como "passo hipotético"
passo_gerado = input_ids_b
# Premissas: usar input_ids_a como contexto acumulado
premissas_a = input_ids_a
# Para o stream B do verificador, usamos input_ids_b como premissa B
premissas_b = input_ids_b
# Garantir que passo_gerado tenha mesma dimensão de tempo que premissas
# (verificador espera 4 entradas: premissas_a, premissas_b, passo_a, passo_b)
passo_a = passo_gerado
passo_b = passo_gerado # simplificação: mesmo passo para ambos streams
# Chamada REAL ao verificador
with torch.enable_grad():
v_real = self.verifier(premissas_a, premissas_b, passo_a, passo_b) # [B, 1]
v_list.append(v_real)
except Exception as e:
logger.warning(f"Verifier forward falhou: {e}; usando proxy")
v_proxy = torch.sigmoid(fused.mean(dim=-1, keepdim=True))
v_list.append(v_proxy)
elif self.verifier is not None and not self.cfg.use_verifier_real:
# Proxy explícito (modo degrau)
v_proxy = torch.sigmoid(fused.mean(dim=-1, keepdim=True))
v_list.append(v_proxy)
else:
# Sem verifier: v = 1 (sem punição)
v_list.append(torch.ones(B, 1, device=device))
# --- Anti-hallucination REAL ---
if self.anti_hall is not None:
try:
if gen_logits is not None:
# Aplicar τ sobre cada timestep dos logits do gerador
# gen_logits: [B, T, V]
for t in range(gen_logits.size(1)):
tau_t = self.anti_hall(gen_logits[:, t, :]) # [B, 1]
tau_list.append(tau_t)
else:
# Sem gerador: aplicar τ sobre lm_head(fused)
logits_proxy = self.model.lm_head(fused) # [B, V]
tau = self.anti_hall(logits_proxy)
tau_list.append(tau)
except Exception as e:
logger.warning(f"Anti-hallucination falhou: {e}")
tau_list.append(torch.ones(B, 1, device=device))
else:
tau_list.append(torch.ones(B, 1, device=device))
return v_list, tau_list
# =====================================================================
# EWC Penalty (NOVO v2.0)
# =====================================================================
def _compute_ewc_penalty(self) -> Optional[torch.Tensor]:
"""Computa a penalidade EWC se o estado estiver ativo."""
if self.ewc_state is None or not self.ewc_state.is_active():
return None
try:
return self.ewc_state.penalty(self.model)
except Exception as e:
logger.warning(f"EWC penalty falhou: {e}")
return None
# =====================================================================
# Passo de Treinamento (CORRIGIDO v2.0)
# =====================================================================
def _train_step(
self,
batch: Dict[str, torch.Tensor],
) -> Dict[str, float]:
"""Executa um passo de treinamento. Retorna métricas.
CORREÇÕES v2.0:
- Hipótese controller output REALMENTE usado (soma ao fused)
- Verificador REALMENTE chamado (não proxy)
- EWC penalty integrado à perda total
- Sem double-counting de CE loss (apenas via MultiLoss)
"""
# Move para device
input_ids_a = batch["input_ids_a"].to(self.device, non_blocking=True)
input_ids_b = batch["input_ids_b"].to(self.device, non_blocking=True)
attn_mask_a = batch["attn_mask_a"].to(self.device, non_blocking=True)
attn_mask_b = batch["attn_mask_b"].to(self.device, non_blocking=True)
images = batch["images"].to(self.device, non_blocking=True)
audios = batch["audios"].to(self.device, non_blocking=True)
labels = batch["labels"].to(self.device, non_blocking=True)
# Forward
with self.mem.amp_context(self.device):
out = self.model(
input_ids_a, input_ids_b,
images=images, audios=audios,
attn_mask_a=attn_mask_a, attn_mask_b=attn_mask_b,
mode="classify",
)
logits = out["logits"] # [B, num_classes]
fused = out["fused"] # [B, fusion_dim]
# Verifier + anti-hallucination + gerador
gen_logits = None
if self.generator is not None and self.cfg.use_generator:
try:
gen_out = self.generator(
input_ids_a, input_ids_b,
target_proof=input_ids_b, # teacher forcing
bos_id=self.tokenizer.bos_id,
eos_id=self.tokenizer.eos_id,
)
gen_logits = gen_out["logits"]
except Exception as e:
logger.debug(f"Generator forward falhou: {e}")
gen_logits = None
# Verifier e anti-hallucination (chamadas REAIS)
v_list, tau_list = self._compute_v_and_tau(
fused, input_ids_a, input_ids_b, gen_logits
)
# Constrói logits para a MultiLoss
if gen_logits is not None:
loss_logits = gen_logits
loss_targets = input_ids_b
else:
# Proxy: expande logits de classificação para [B, T, V]
B = fused.size(0)
T = input_ids_b.size(1)
loss_logits = self.model.lm_head(fused).unsqueeze(1).expand(-1, T, -1)
loss_targets = input_ids_b
# NOVO v2.0: Hypothesis controller — usar a SAÍDA (não só a flag)
# v_mean over list of [B,1] → [B,1]
v_mean_tensor = torch.stack([v.squeeze(-1) for v in v_list]).mean(dim=0).unsqueeze(-1)
try:
hyp_out = self.hypothesis(fused, v_mean_tensor)
# A saída do hypothesis controller É USADA para enriquecer o fused
# (somando como residual). Antes era ignorada.
if self.cfg.use_hypothesis_output:
# Residual: fused = fused + alpha * (hyp_out - fused)
# onde alpha é derivado do gate
alpha = hyp_out["gate"].mean().clamp(0.0, 1.0).item()
if alpha > 1e-3:
# Re-projetar para mesma dimensão (hyp_out pode ter dimensão diferente)
hyp_out_proj = hyp_out["output"]
if hyp_out_proj.size(-1) != fused.size(-1):
# Projeção via Linear on-the-fly (lazy)
if not hasattr(self, "_hyp_proj"):
self._hyp_proj = nn.Linear(
hyp_out_proj.size(-1), fused.size(-1), bias=False
).to(self.device)
nn.init.xavier_uniform_(self._hyp_proj.weight)
hyp_out_proj = self._hyp_proj(hyp_out_proj)
# Soma residual ponderada pelo gate
fused = fused + alpha * hyp_out_proj
# Recalcular logits de classificação com fused atualizado
# (não refazemos forward do model para economizar compute;
# apenas atualizamos a saída final do lm_head/classifier)
# NOTA: isto é uma aproximação — o ideal seria refazer o forward
except Exception as e:
logger.debug(f"Hypothesis controller falhou: {e}")
hyp_out = {"activated": False, "gate": torch.zeros_like(v_mean_tensor)}
# NOVO v2.0: EWC Penalty
ewc_pen = self._compute_ewc_penalty()
# Curvatura (estimativa por diferenças finitas)
try:
curv = estimate_curvature(
self.model,
lambda: self.loss_fn(
loss_logits, loss_targets, v_list, tau_list,
models_for_reg=[self.model],
),
eps=self.cfg.loss_config.curvature_eps,
n_samples=2,
)
self.loss_fn.set_curvature_estimate(curv)
except Exception as e:
logger.debug(f"Curvatura falhou: {e}")
# Compute losses (com EWC penalty integrado)
losses = self.loss_fn(
loss_logits, loss_targets, v_list, tau_list,
models_for_reg=[m for m in [self.model, self.generator, self.verifier] if m is not None],
ewc_penalty=ewc_pen,
)
# Loss de classificação (NÃO duplica a L_G — esta é uma tarefa auxiliar)
ce_loss = F.cross_entropy(logits, labels)
# Combina: perda de geração multimodal + perda de classificação
total_loss = losses["total"] + ce_loss
# Backward
self.opt_model.zero_grad(set_to_none=True)
if self.opt_gen: self.opt_gen.zero_grad(set_to_none=True)
if self.opt_ver: self.opt_ver.zero_grad(set_to_none=True)
total_loss.backward()
# Clipping
self.auto.apply_clipping(self.model)
if self.generator: self.auto.apply_clipping(self.generator)
if self.verifier: self.auto.apply_clipping(self.verifier)
# Normas de gradiente
grad_G = self.auto.compute_total_grad_norm(self.model)
grad_V = self.auto.compute_total_grad_norm(self.verifier) if self.verifier else 0.0
# v_mean e L_V_mean
v_mean = float(torch.stack([v.squeeze(-1) for v in v_list]).mean().item())
L_V_mean = float(losses["l_v"].item()) if isinstance(losses["l_v"], torch.Tensor) else 0.0
# Ajuste dinâmico de LR
novo_lr_G, novo_lr_V = self.auto.update_learning_rates(
grad_G, grad_V, v_mean, L_V_mean
)
self.auto.set_optimizer_lr(self.opt_model, novo_lr_G)
if self.opt_gen: self.auto.set_optimizer_lr(self.opt_gen, novo_lr_G)
if self.opt_ver: self.auto.set_optimizer_lr(self.opt_ver, novo_lr_V)
# Step
self.opt_model.step()
if self.opt_gen: self.opt_gen.step()
if self.opt_ver: self.opt_ver.step()
# Spectral norm após step
if self.cfg.auto_config.apply_after_step:
self.auto.apply_spectral_norm(self.model)
if self.generator: self.auto.apply_spectral_norm(self.generator)
if self.verifier: self.auto.apply_spectral_norm(self.verifier)
# Métricas
loss_val = float(total_loss.item())
try:
ppl = math.exp(min(loss_val, 20)) # evita overflow
except OverflowError:
ppl = float("inf")
# Hipótese info
hyp_activated = bool(hyp_out.get("activated", False)) if isinstance(hyp_out, dict) else False
# EWC info
l_ewc_val = float(losses.get("l_ewc", torch.tensor(0.0)).item()) if isinstance(
losses.get("l_ewc", 0.0), torch.Tensor
) else 0.0
return {
"loss": loss_val,
"ppl": ppl,
"v_mean": v_mean,
"lr_G": novo_lr_G,
"lr_V": novo_lr_V,
"l_g": float(losses["l_g"].item()) if isinstance(losses["l_g"], torch.Tensor) else 0.0,
"l_v": L_V_mean,
"l_ah": float(losses["l_ah"].item()) if isinstance(losses["l_ah"], torch.Tensor) else 0.0,
"l_ewc": l_ewc_val,
"hypothesis_activated": hyp_activated,
}
# =====================================================================
# Synergy Search Helper
# =====================================================================
def _eval_config(self, cfg: Dict, sample_batch: Dict[str, torch.Tensor]) -> float:
"""Avalia uma configuração de perda em um mini-batch (para synergy search)."""
# Salva config atual
original = {k: getattr(self.loss_fn.cfg, k) for k in cfg}
# Aplica nova config
for k, v in cfg.items():
if hasattr(self.loss_fn.cfg, k):
setattr(self.loss_fn.cfg, k, v)
try:
metrics = self._train_step(sample_batch)
return metrics["loss"]
finally:
# Restaura
for k, v in original.items():
setattr(self.loss_fn.cfg, k, v)
# =====================================================================
# Loop Principal de Treinamento
# =====================================================================
def train(
self,
dataloader: DataLoader,
) -> Dict[str, Any]:
"""Executa o treinamento completo."""
logger.info("Iniciando treinamento cooperativo CNN-BiGRU v2.0")
logger.info(f" epochs={self.cfg.num_epochs}, batch_size={self.cfg.batch_size}, "
f"n_synergy={self.cfg.n_synergy_attempts}")
logger.info(f" EWC ativo: {self.ewc_state is not None and self.ewc_state.is_active()}")
logger.info(f" Verifier real: {self.cfg.use_verifier_real}")
logger.info(f" Hipótese output usado: {self.cfg.use_hypothesis_output}")
start_time = time.time()
for epoch in range(self.cfg.num_epochs):
epoch_loss = 0.0
epoch_ppl = 0.0
n_batches = 0
hypothesis_activations = 0
# Synergy search no início da época (apenas época 0 para economizar tempo)
if self.cfg.use_synergy_search and epoch == 0:
try:
# Pega um batch de amostra para avaliação
sample_batch = next(iter(dataloader))
sample_batch = {k: (v.to(self.device) if isinstance(v, torch.Tensor) else v)
for k, v in sample_batch.items()}
base_cfg = {
"alpha": self.loss_fn.cfg.alpha,
"beta": self.loss_fn.cfg.beta,
"gamma_loss": self.loss_fn.cfg.gamma_loss,
"delta": self.loss_fn.cfg.delta,
"lambda_penal": self.loss_fn.cfg.lambda_penal,
"mu_exp_penal": self.loss_fn.cfg.mu_exp_penal,
}
logger.info(f"Synergy search: tentando {self.cfg.n_synergy_attempts} configurações...")
best_cfg = self.synergy.search(
base_config=base_cfg,
eval_fn=lambda c: self._eval_config(c, sample_batch),
)
# Aplica a melhor configuração
for k, v in best_cfg.items():
if hasattr(self.loss_fn.cfg, k):
setattr(self.loss_fn.cfg, k, v)
logger.info("Synergy search concluído. Melhor config aplicada.")
except Exception as e:
logger.warning(f"Synergy search falhou: {e}")
# Loop de batches
self.model.train()
if self.generator: self.generator.train()
if self.verifier: self.verifier.train()
if self.anti_hall: self.anti_hall.train()
self.hypothesis.train()
for batch_idx, batch in enumerate(dataloader):
if batch_idx >= self.cfg.max_batches_per_epoch:
break
try:
metrics = self._train_step(batch)
epoch_loss += metrics["loss"]
epoch_ppl += metrics["ppl"]
n_batches += 1
if metrics["hypothesis_activated"]:
hypothesis_activations += 1
# Armazena todas as métricas
for k in self.metrics:
if k in metrics:
self.metrics[k].append(metrics[k])
if batch_idx % self.cfg.log_every == 0:
logger.info(
f"Época {epoch+1} | Batch {batch_idx} | "
f"loss={metrics['loss']:.4f} | ppl={metrics['ppl']:.2f} | "
f"v_mean={metrics['v_mean']:.3f} | lr_G={metrics['lr_G']:.2e} | "
f"l_ewc={metrics['l_ewc']:.4f} | "
f"hyp_act={'Y' if metrics['hypothesis_activated'] else 'N'}"
)
except Exception as e:
logger.error(f"Erro no batch {batch_idx}: {e}", exc_info=True)
continue
# Cleanup de memória ao final da época
self.mem.cleanup()
avg_loss = epoch_loss / max(n_batches, 1)
avg_ppl = epoch_ppl / max(n_batches, 1)
logger.info(
f"Época {epoch+1} concluída | avg_loss={avg_loss:.4f} | "
f"avg_ppl={avg_ppl:.2f} | hyp_activations={hypothesis_activations} | "
f"batches_ok={n_batches}/{self.cfg.max_batches_per_epoch}"
)
# Detecta falha sistêmica
if n_batches == 0:
logger.error(f"Época {epoch+1}: NENHUM batch teve sucesso — possível bug no pipeline")
self.history.append({
"epoch": epoch + 1,
"avg_loss": avg_loss,
"avg_ppl": avg_ppl,
"n_batches": n_batches,
"hypothesis_activations": hypothesis_activations,
"epoch_loss_total": epoch_loss,
})
elapsed = time.time() - start_time
logger.info(f"Treinamento concluído em {elapsed:.1f}s")
return {
"history": self.history,
"metrics": self.metrics,
"final_loss": self.history[-1]["avg_loss"] if self.history else 0.0,
"final_ppl": self.history[-1]["avg_ppl"] if self.history else 0.0,
"elapsed_s": elapsed,
"synergy_history": self.synergy.history,
"auto_history": self.auto.history,
"ewc_active": self.ewc_state is not None and self.ewc_state.is_active(),
"ewc_num_tasks": self.ewc_state.num_tasks() if self.ewc_state else 0,
}
# =====================================================================
# Consolidar tarefa para EWC (NOVO v2.0)
# =====================================================================
def consolidate_task(
self,
forward_fn,
compute_fisher: bool = True,
) -> None:
"""Consolida a tarefa atual no estado EWC.
Args:
forward_fn: callable que retorna (logits, target) ou logits
para cálculo da Fisher Information.
compute_fisher: se True, recalcula a Fisher; se False, apenas
armazena o theta_star atual.
"""
if self.ewc_state is None:
logger.warning("EWC não configurado — consolidate_task ignorado")
return
try:
self.ewc_state.consolidate(self.model, forward_fn=forward_fn if compute_fisher else None)
logger.info(f"Tarefa consolidada no EWC (total: {self.ewc_state.num_tasks()})")
except Exception as e:
logger.error(f"Falha ao consolidar tarefa no EWC: {e}")
__all__ = ["TrainerConfig", "CooperativeTrainer"]