什么是MMOE？

一、概念

        MMOE（Multi-gate Mixture-of-Experts）由MOE改进而来，是一种用于多任务学习的深度学习模型架构，特别适合处理具有多个目标任务的场景（搜广推领域常客）。它通过引入专家网络（Experts）和多门机制（Multi-gate）来实现任务间的共享和独立性，解决了多任务学习中任务冲突的问题。

        在多任务学习中，多个任务共享一个模型的部分参数（通常是底层特征），但由于任务之间可能存在冲突（例如分类任务和回归任务对特征的需求不同），直接共享参数可能导致性能下降。MMOE通过引入专家网络和门机制，动态地为每个任务分配合适的专家，从而实现任务间的协作和独立性。MMOE的架构主要由以下几个部分组成：

1、专家网络（Experts）

• 专家网络是多个独立的子网络，每个子网络负责学习特定的特征。
• 专家网络的输出是共享的，所有任务都可以使用这些输出。
• 专家网络的数量可以根据具体问题设置，通常是多个。

2、门机制（Gates）

• 每个任务都有一个独立的门机制（Gate），用于为该任务动态分配专家网络的权重。
• 门机制是一个小型的神经网络，输入是共享的特征，输出是专家网络的权重分布。
• 门机制的输出权重决定了每个任务如何组合专家网络的输出。

3、任务特定的塔（Task-specific Towers）

• 每个任务都有一个独立的塔（Tower），用于处理任务特定的特征并生成最终的预测。
• 塔的输入是门机制加权后的专家网络输出。

二、原理

        设有K个专家网络和T个任务，MMOE的数学表示如下：

1、专家网络输出

        其中，X是输入特征，是第k个专家网络。

2、门机制权重

        其中，是第t个任务的门机制，是权重向量。

3、加权组合专家输出

        其中，是任务t对专家k的权重。

4、任务塔生成预测

        其中，是任务t的塔。

三、python实现

        这里直接给出MMOE的构建过程，假设我们有三个任务。后续的训练过程与普通神经网络一致，唯一需要注意的是损失函数的构建：如果每个任务使用不同的损失函数，则分别计算损失之后合并为总损失即可；否则直接使用同一个损失函数计算总损失。

import torch
import torch.nn as nnclass Expert(nn.Module):def __init__(self, input_dim, hidden_dim):super().__init__()self.net = nn.Sequential(nn.Linear(input_dim, hidden_dim),nn.ReLU(),nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim))def forward(self, x):return self.net(x)class MMoE(nn.Module):def __init__(self, input_dim, num_experts=4, num_tasks=3):super().__init__()self.experts = nn.ModuleList([Expert(input_dim, 64) for _ in range(num_experts)])# 每个任务独立门控self.gates = nn.ModuleList([nn.Sequential(nn.Linear(input_dim, num_experts),nn.Softmax(dim=-1)) for _ in range(num_tasks)])# 任务专属塔层self.towers = nn.ModuleList([nn.Sequential(nn.Linear(64, 32),nn.ReLU(),nn.Linear(32, 1)) for _ in range(num_tasks)])def forward(self, x):expert_outputs = torch.stack([e(x) for e in self.experts], dim=1)  # [batch, experts, dim]outputs = []for gate, tower in zip(self.gates, self.towers):weights = gate(x).unsqueeze(-1)  # [batch, experts, 1]combined = (expert_outputs * weights).sum(1)  # [batch, dim]outputs.append(tower(combined).squeeze())return torch.stack(outputs, dim=1)  # [batch, tasks]# 使用示例
model = MMoE(input_dim=128)
x = torch.randn(32, 128)  # 批量32，特征128
y_pred = model(x)          # 输出形状[32,3]# 虚拟三任务标签
y_true = torch.rand(32, 3)  
loss_fn = nn.BCEWithLogitsLoss()
loss = loss_fn(y_pred, y_true)
print(loss)