字符感知預(yù)訓(xùn)練模型CharBERT

本期推送介紹了哈工大訊飛聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在自然語(yǔ)言處理重要國(guó)際會(huì)議COLING 2020上發(fā)表的工作，提出了一種字符感知預(yù)訓(xùn)練模型CharBERT，在多個(gè)自然語(yǔ)言處理任務(wù)中取得顯著性能提升，并且大幅度提高了模型的魯棒性。本文以高分被COLING 2020錄用，且獲得審稿人的最佳論文獎(jiǎng)推薦（Recommendation for Best Paper Award）。

簡(jiǎn)介

目前預(yù)訓(xùn)練語(yǔ)言模型在NLP領(lǐng)域的大部分任務(wù)上都得到了顯著的效果提升，其中絕大部分模型都是基于subword的子詞粒度構(gòu)建表示，這樣幾乎可以避免OOV（out-of-vocab）的產(chǎn)生。但這種基于子詞粒度的表示也存在兩個(gè)問(wèn)題：1）不完整，只能構(gòu)建子詞粒度的表示，而喪失了全詞及字符的信息；2）不魯棒，字符上一個(gè)小的變化就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)切詞組合的變化。我們可以通過(guò)下面一個(gè)示例來(lái)說(shuō)明這兩個(gè)問(wèn)題。

圖1 單詞backhand內(nèi)部結(jié)構(gòu)示例

一個(gè)單詞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以表示成三層的樹：根節(jié)點(diǎn)-全詞；孩子節(jié)點(diǎn)-子詞；葉子節(jié)點(diǎn)-字符。以BPE（Byte-Pair Encoding）[1]為代表的子詞粒度表示方法只可以表示孩子節(jié)點(diǎn)的信息，而喪失了根和葉子節(jié)點(diǎn)的信息。如果字符序列出現(xiàn)了噪音或者拼寫錯(cuò)誤（如去掉了字符k），那么整個(gè)子詞組合就會(huì)完全變化，輸入到模型中的表示也就完全不一樣了，因此魯棒性較差。以CoNLL-2003 NER的開(kāi)發(fā)集為例，我們基于BERT[2]的tokenizer切詞后統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)28%的名詞會(huì)被切分成多個(gè)子詞。如果隨機(jī)刪除所有名詞中的任意一個(gè)字符，78%的詞會(huì)切分成如圖1這樣完全不一樣的組合。由此可以看出，不完整與不魯棒問(wèn)題是具有統(tǒng)計(jì)顯著性的問(wèn)題。

繼續(xù)看圖1中的示例。如果我們仔細(xì)觀察字符信息對(duì)應(yīng)的葉子節(jié)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)在去掉字符k后，葉子節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生了變化，信息的變化量從孩子節(jié)點(diǎn)的100%降低為12.5%。另外，我們也可以通過(guò)字符信息構(gòu)建出全詞級(jí)別的表示，從而將詞的各級(jí)信息完整地表示出來(lái)。因此，我們將在目前預(yù)訓(xùn)練模型的架構(gòu)上，融合字符信息來(lái)解決上述兩個(gè)問(wèn)題。

基于預(yù)訓(xùn)練模型的字符融合具有兩個(gè)挑戰(zhàn)：1）如何建模字符序列；2）如何融合字符與原有基于subword的計(jì)算。我們?cè)诜椒ㄉ现饕鉀Q了這兩個(gè)問(wèn)題，其主要貢獻(xiàn)如下：

我們提出了一種字符感知預(yù)訓(xùn)練模型CharBERT，可以在已有預(yù)訓(xùn)練模型的基礎(chǔ)上融合字符層級(jí)的信息；

我們?cè)?a target="_blank">問(wèn)答、文本分類和序列標(biāo)注三類任務(wù)的8個(gè)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)CharBERT可以在BERT和RoBERTa[3]兩個(gè)基線上有明顯的效果提升；

我們通過(guò)字符攻擊的方式構(gòu)造了這三類任務(wù)對(duì)應(yīng)的噪音測(cè)試集合，發(fā)現(xiàn)CharBERT可以大幅度提升模型的魯棒性。

模型與方法

主要架構(gòu)

因?yàn)橐瑫r(shí)融合預(yù)訓(xùn)練模型原有的subword粒度計(jì)算和基于字符的計(jì)算，我們整體上采用的雙通道的架構(gòu)，具體如下圖2所示。其中我們?cè)O(shè)計(jì)了兩大模塊：字符編碼器Character Encoder和交互融合模塊Heterogeneous Interaction來(lái)解決上述字符融合的兩個(gè)問(wèn)題。其中Character Encoder基于Bi-GRU構(gòu)造了上下文的字符表示，Heterogeneous Interaction通過(guò)融合和分拆兩步計(jì)算進(jìn)行兩個(gè)信息流的交互式融合。

圖2 CharBERT模型圖

Character Encoder的輸入是字符序列，輸出與BERT Embedding具有相同shape的字符表示。Heterogeneous Interaction在每個(gè)transformer之后進(jìn)行兩個(gè)信息流的融合計(jì)算，因此其輸入和輸出具有相同的shape。

Character Encoder

字符編碼器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要基于Bi-GRU構(gòu)建上下文的字符表示。

圖3 Character Encoder示意圖

我們將整個(gè)輸入序列看成字符序列，詞之間使用一個(gè)空字符隔開(kāi)。將每個(gè)字符映射成一個(gè)固定大小的embedding后，使用Bi-GRU構(gòu)建每一個(gè)字符的表示，然后將每個(gè)詞的首尾字符的表示拼接作為每個(gè)詞對(duì)應(yīng)的表示，對(duì)應(yīng)公式如下：

其中ni表示第i個(gè)詞的長(zhǎng)度，h表示通過(guò)字符信息構(gòu)建的詞向量?；贐i-GRU的字符表示，在每個(gè)詞的首尾字符位置是帶上下文信息的，所以將其拼接作為詞的表示。

Heterogeneous Interaction

由于來(lái)自原始預(yù)訓(xùn)練模型的表示和來(lái)源于character encoder基于字符的表示是異構(gòu)的，很難通過(guò)簡(jiǎn)單操作將二者融合起來(lái)。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了交互式的融合模塊Heterogeneous Interaction, 在每一個(gè)transformer層計(jì)算后進(jìn)行迭代式融合，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 異構(gòu)交互模塊示意圖

該模塊主要包含兩步：融合和分拆。在融合過(guò)程中，先對(duì)各自表示進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，使用CNN抓取局部特征將兩個(gè)來(lái)源的信息融合到一起：

在分拆過(guò)程中，各自進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換然后基于殘差構(gòu)造各自不同的表示：

融合的目的是讓兩個(gè)來(lái)源的信息相互補(bǔ)充，分拆是為了各自保持住自己獨(dú)有的特征，也為后面不同的預(yù)訓(xùn)練任務(wù)做準(zhǔn)備。

無(wú)監(jiān)督字符預(yù)訓(xùn)練

為了讓模型更好地學(xué)習(xí)詞內(nèi)部的字符特征，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種無(wú)監(jiān)督的字符預(yù)訓(xùn)練任務(wù)NLM（Noisy LM）。通過(guò)字符的增刪改自動(dòng)構(gòu)造一定比例的字符噪音，再通過(guò)NLM任務(wù)進(jìn)行原始序列還原，具體計(jì)算如圖5所示。

圖5 NLM預(yù)訓(xùn)練任務(wù)示例

需要注意的是，因?yàn)樵谝胱址胍糁?，每個(gè)詞對(duì)應(yīng)的切詞組合會(huì)變化，因此我們?cè)贜LM任務(wù)中預(yù)測(cè)粒度是全詞而不是子詞，在預(yù)訓(xùn)練過(guò)程中我們需要額外構(gòu)造一個(gè)全詞詞表，而該詞表在fine-tuning階段是不需要的。另外，對(duì)于原始預(yù)訓(xùn)練模型計(jì)算的分支，我們?cè)陬A(yù)訓(xùn)練階段仍然保持做MLM（Masked LM）任務(wù)，該任務(wù)預(yù)測(cè)的詞與NLM任務(wù)不交叉，在該部分處理和預(yù)測(cè)的詞是不帶噪音的。

下游任務(wù)精調(diào)

NLP中絕大部分分類任務(wù)可以分成兩類：token-level分類（如序列標(biāo)注）和sequence-level分類（如文本分類）。對(duì)于token-level的分類，我們將CharBERT兩個(gè)分支的表示拼接進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于sequence-level的分類，目前大部分預(yù)訓(xùn)練模型使用‘[CLS]’位做預(yù)測(cè)。因?yàn)樵撐恢貌粠в杏行У淖址蛄?，所以我們將兩個(gè)分支的表示拼接后取平均再做分類。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了保持對(duì)比的公平性，我們不引入額外數(shù)據(jù)，僅使用英文維基百科數(shù)據(jù)（12G，2500M words）進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。由于算力有限，我們只基于BERT和RoBERTa的base模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，額外增加的模塊共占用5M的參數(shù)量。預(yù)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行了320K步迭代，使用兩張32GB顯存的NVIDIA Tesla V100的GPU訓(xùn)練5天左右。我們將MLM中mask的比例從BERT的15%調(diào)低到10%，而NLM中將序列中15%的詞使用隨機(jī)增刪改的方式引入噪音。

通用評(píng)估

我們?cè)趩?wèn)答、文本分類和序列標(biāo)注三類任務(wù)中做模型通用效果的評(píng)估。其中問(wèn)答方面我們基于SQuAD 1.1和2.0兩個(gè)版本的閱讀理解數(shù)據(jù)集，文本分類基于CoLA、MRPC、QQP和QNLI四個(gè)單句和句對(duì)分類數(shù)據(jù)集，序列標(biāo)注方面基于CoNLL-2003 NER和Penn Treebank POS分類數(shù)據(jù)集。主要結(jié)果如下表1和表2所示。

表1閱讀理解、文本分類結(jié)果

表2命名實(shí)體識(shí)別、詞性標(biāo)注結(jié)果

在通用效果的評(píng)估上，我們基于BERT的提升比較顯著，但是在RoBERTa的基線上由于baseline的增高，提升比較微弱。另外，在各個(gè)任務(wù)的提升幅度上，大致上是序列標(biāo)注>閱讀理解>文本分類，可能是因?yàn)樽址畔⒃谛蛄袠?biāo)注任務(wù)上更為重要。

魯棒性評(píng)估

我們基于上述三類任務(wù)進(jìn)行了魯棒性評(píng)估。在該部分評(píng)估集的構(gòu)建上，我們主要按照之前的工作[4]通過(guò)四種方式進(jìn)行字符層級(jí)的攻擊：dropping, adding, swapping和keyboard。與之前工作不同的是，我們同時(shí)考慮問(wèn)答、文本分類和序列標(biāo)注三類任務(wù)，而不僅僅是某一類任務(wù)上的魯棒性，整體魯棒性對(duì)比結(jié)果如下表3所示。

表3魯棒性測(cè)試

其中AdvBERT是我們基于BERT進(jìn)行與CharBERT同樣數(shù)據(jù)和超參的預(yù)訓(xùn)練，BERT+WordRec是之前工作[4]在BERT之前增加了一個(gè)詞糾正器，Original是原始測(cè)試集，Attack是攻擊集合。我們可以看到BERT在攻擊集合上效果下降很大，說(shuō)明BERT的表示在字符攻擊上確實(shí)不魯棒。CharBERT在保持原有集合效果提升的前提下，大幅度提升了BERT的魯棒性。以其中QNLI的數(shù)據(jù)進(jìn)行具體對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)各模型效果變化如下。

圖6QNLI上不同模型的魯棒性對(duì)比

我們可以看到BERT效果下降幅度超過(guò)30%，另外兩個(gè)baseline模型效果降幅明顯縮小，而CharBERT下降幅度為12%，顯著超過(guò)了所有模型。

分析

為了進(jìn)一步探究文首所提出的預(yù)訓(xùn)練模型不完整和不魯棒的問(wèn)題，我們基于CoNLL-2003 NER數(shù)據(jù)的測(cè)試集做了進(jìn)一步分析。

Word vs. Subword

針對(duì)不完整性問(wèn)題，我們將測(cè)試集中所有的詞按照是否會(huì)被BERT tokenizer切分成多個(gè)子詞分成‘Word’和‘Subword’兩個(gè)子集合，前者不會(huì)被切分（如‘a(chǎn)pple’）而后者會(huì)被切分成多個(gè)子詞（如‘backhand’）。實(shí)際上，‘Subword’部分只包含了所有詞的17.8%但是包含了所有實(shí)體的45.3%。CharBERT和BERT在整體與兩個(gè)子集合中的效果如下圖7所示。

圖7CoNLL-2003 NER上性能表現(xiàn)對(duì)比

首先，對(duì)比同一個(gè)模型在不同集合上的表現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)‘Word’集合上的效果都要遠(yuǎn)高于‘Subword’集合，這說(shuō)明切分成多個(gè)詞確實(shí)對(duì)模型效果有直接影響，子詞粒度的表示應(yīng)該客觀上存在不充分的問(wèn)題。對(duì)比同一個(gè)集合下不同模型的表現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)CharBERT在‘Word’集合上的提升是0.29%，而在‘Subword’集合上的提升是0.68%，這說(shuō)明主要的提升來(lái)源于‘Subword’集合，也就是說(shuō)我們通過(guò)融入字符信息，可以有效提升切分成多個(gè)子詞部分的效果，緩解了表示上的不完整問(wèn)題。

魯棒性分析

針對(duì)預(yù)訓(xùn)練模型的魯棒性問(wèn)題，我們探究預(yù)訓(xùn)練的表示在字符噪音下的變化。我們定義了一個(gè)敏感性指標(biāo)分析模型輸出的詞向量在噪音下的變化量，從而分析模型對(duì)噪音的敏感程度，其具體計(jì)算如下：

其中m是集合中詞的總數(shù)，模型敏感性S本質(zhì)上是模型在整個(gè)集合所有序列輸出的表示在引入噪音后的cosine距離均值，如果一個(gè)模型對(duì)噪音完全不敏感，那么前后表示不變，S=0。對(duì)應(yīng)到具體一個(gè)序列，我們也可以對(duì)每一個(gè)詞計(jì)算引入噪音后的表示變化，如圖8所示。

圖8CoNLL-2003 NER敏感度測(cè)試

我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于沒(méi)有引入噪音的詞如‘I’、‘it’三個(gè)模型輸出表示的變化量區(qū)別不大。而對(duì)于引入字符噪音的詞如‘think-thnik’、’fair-far’，CharBERT的變化量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BERT，而經(jīng)過(guò)噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練的AdvBERT則明顯低于BERT。在整個(gè)集合統(tǒng)計(jì)上也具有相同趨勢(shì)：S(BERT)=0.0612，S(AdvBERT)=0.0407，S(CharBERT)=0.0986。說(shuō)明CharBERT通過(guò)NLM的預(yù)訓(xùn)練對(duì)噪音部分采用了不同方式的表示，與常規(guī)使用噪音數(shù)據(jù)來(lái)提升模型魯棒性方式有些不同。直觀上，我們一般認(rèn)為越不敏感的模型魯棒性越好，但是CharBERT通過(guò)對(duì)噪音部分不同的建模，在表示變得敏感的同時(shí)也提升了魯棒性，這將啟發(fā)我們后續(xù)提升模型魯棒性的路徑也可以有多種方向。

總結(jié)

本文主要基于目前預(yù)訓(xùn)練模型表示粒度上不完整和不魯棒的兩個(gè)問(wèn)題，提出了字符感知預(yù)訓(xùn)練模型CharBERT，通過(guò)在已有預(yù)訓(xùn)練架構(gòu)上融入字符信息來(lái)解決這些問(wèn)題。CharBERT在技術(shù)上融合了傳統(tǒng)的CNN、RNN與現(xiàn)在流行的transformer結(jié)構(gòu)，在模型特征上具有字符敏感、魯棒和可拓展的特點(diǎn)，可以自然拓展到現(xiàn)在基于transformer的各種預(yù)訓(xùn)練模型上。另外，由于本工作限于英語(yǔ)單個(gè)語(yǔ)種和有限的算力，在通用的任務(wù)上效果提升有限。未來(lái)可以在更多的語(yǔ)種，尤其是在字符層級(jí)帶有更多形態(tài)學(xué)信息的語(yǔ)言上進(jìn)行適配，同時(shí)也可以在噪音種類上拓展到子詞、句子級(jí)別的噪音，更全面地提升預(yù)訓(xùn)練模型的魯棒性。

原文標(biāo)題：COLING 2020 | 字符感知預(yù)訓(xùn)練模型CharBERT

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