在BERT中引入知識(shí)圖譜中信息的若干方法

引言

隨著BERT等預(yù)訓(xùn)練模型橫空出世，NLP方向迎來(lái)了一波革命，預(yù)訓(xùn)練模型在各類任務(wù)上均取得了驚人的成績(jī)。隨著各類預(yù)訓(xùn)練任務(wù)層出不窮，也有部分研究者考慮如何在BERT這一類模型中引入或者強(qiáng)化知識(shí)圖譜中包含的信息，進(jìn)而增強(qiáng)BERT對(duì)背景知識(shí)或常識(shí)信息的編碼能力。本文主要關(guān)注于如何在BERT中引入知識(shí)圖譜中信息，并survey了目前已公布的若干種方法，歡迎大家批評(píng)和交流。

ERNIE: Enhanced Language Representation with Informative Entities

論文鏈接：https://www.aclweb.org/anthology/P19-1139.pdf

這篇論文來(lái)自于清華劉知遠(yuǎn)老師和華為劉群老師，已被ACL2019所錄取，是較早的考慮將知識(shí)引入預(yù)訓(xùn)練模型的論文。

該論文主要利用了從知識(shí)庫(kù)中提出的高信息量的實(shí)體信息，通過(guò)特殊的語(yǔ)義融合模塊，來(lái)增強(qiáng)文本中對(duì)應(yīng)的表示。首先本文通過(guò)實(shí)體鏈接算法，將Wikipedia文本中包含的實(shí)體與Wikidata中的實(shí)體庫(kù)構(gòu)建關(guān)聯(lián)，然后采用TransE算法，對(duì)Wikidata中的實(shí)體embedding進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，進(jìn)而得到其初始的表示；之后本文采用一個(gè)特殊的信息融合結(jié)構(gòu)，其模型框架如下圖所示：

從圖中可以看出，ERNIE的框架分為以下兩部分，T-Encoder和K-Encoder，以上兩部分均使用BERT的Transformer框架，并利用其中的參數(shù)進(jìn)行初始化。其中Wikipedia中的每一句話首先被輸入給T-Encoder，其通過(guò)Transformer的多頭注意力機(jī)制對(duì)文本中的信息進(jìn)行編碼；之后輸出的表示與其內(nèi)部包含的實(shí)體被一起輸入給了K-Encoder，其內(nèi)部包含兩個(gè)多頭注意力層以分別對(duì)文本信息和實(shí)體信息進(jìn)行編碼。

編碼后實(shí)體信息會(huì)得到兩種表示——詞級(jí)別和實(shí)體級(jí)別的表示，ERNIE通過(guò)將兩種信息concat之后輸入給DNN層，進(jìn)而融合得到知識(shí)增強(qiáng)的表示；為進(jìn)一步促進(jìn)該部分融合，ERNIE采用一個(gè)denoising entity auto-encoder (dEA)來(lái)對(duì)該部分進(jìn)行監(jiān)督，其采用類似于BERT中的Mask機(jī)制，基于一定的概率對(duì)其中的實(shí)體進(jìn)行mask或替換，然后還原該部分實(shí)體信息。

在采用以上過(guò)程預(yù)訓(xùn)練后，本文將ERNIE在多個(gè)NLP任務(wù)上進(jìn)行微調(diào)，并在多個(gè)數(shù)據(jù)集上獲得了State-of-the-art的結(jié)果。

K-BERT: Enabling Language Representation with Knowledge Graph

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1909.07606v1.pdf

這篇論文來(lái)自于北大和騰訊，已被AAAI2020所錄取，是較早的考慮將知識(shí)圖譜中的邊關(guān)系引入預(yù)訓(xùn)練模型的論文。

該論文主要通過(guò)修改Transformer中的attention機(jī)制，通過(guò)特殊的mask方法將知識(shí)圖譜中的相關(guān)邊考慮到編碼過(guò)程中，進(jìn)而增強(qiáng)預(yù)訓(xùn)練模型的效果。首先本文利用CN-DBpedia、HowNet和MedicalKG作為領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)圖譜，對(duì)每一個(gè)句子中包含的實(shí)體抽取其相關(guān)的三元組，這里的三元組被看作是一個(gè)短句（首實(shí)體，關(guān)系，尾實(shí)體），與原始的句子合并一起輸入給Transformer模型；針對(duì)該方法，本文采用基于可見矩陣的mask機(jī)制，如下圖所示：

從圖中可以看出，輸入的句子增加了許多三元組構(gòu)成的短句，在每次編碼時(shí)針對(duì)每一個(gè)詞，模型通過(guò)可視矩陣（0-1變量）來(lái)控制該詞的視野，使其計(jì)算得到的attention分布不會(huì)涵蓋與其無(wú)關(guān)的詞，進(jìn)而模擬一個(gè)句子樹的場(chǎng)景；由于該策略僅僅改動(dòng)了mask策略，故其可以支持BERT，RoBERTa等一系列模型；該方法最終在8個(gè)開放域任務(wù)和4個(gè)特定領(lǐng)域任務(wù)下取得了一定的提升。

KEPLER: A Unified Model for Knowledge Embedding and Pre-trained Language Representation

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1911.06136.pdf

這篇論文來(lái)源于清華和Mila實(shí)驗(yàn)室，其主要關(guān)注于如何使用BERT增強(qiáng)知識(shí)圖譜embedding，并幫助增強(qiáng)對(duì)應(yīng)的表示。

該論文主要通過(guò)添加類似于TransE的預(yù)訓(xùn)練機(jī)制來(lái)增強(qiáng)對(duì)應(yīng)文本的表示，進(jìn)而增強(qiáng)預(yù)訓(xùn)練模型在一些知識(shí)圖譜有關(guān)任務(wù)的效果。首先本文基于Wikipedia和Wikidata數(shù)據(jù)集，將每個(gè)entity與對(duì)應(yīng)的維基百科描述相鏈接，則每個(gè)entity均獲得其對(duì)應(yīng)的文本描述信息；之后對(duì)于每一個(gè)三元組——<頭實(shí)體，關(guān)系，尾實(shí)體>，本文采用基于BERT對(duì)encoder利用entity的描述信息，對(duì)每個(gè)實(shí)體進(jìn)行編碼，如下圖所示：

從圖中可以看出，在通過(guò)encoder得到頭實(shí)體和尾實(shí)體對(duì)應(yīng)的表示之后，本文采用類似于TransE的訓(xùn)練方法，即基于頭實(shí)體和關(guān)系預(yù)測(cè)尾實(shí)體；此外本文還采用BERT經(jīng)典的MLM損失函數(shù)，并使用RoBERTa的原始參數(shù)進(jìn)行初始化；最終本文提出的方法在知識(shí)圖譜補(bǔ)全和若干NLP任務(wù)上均帶來(lái)了增益。

CoLAKE: Contextualized Language and Knowledge Embedding

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2010.00309.pdf

這篇論文來(lái)源于復(fù)旦和亞馬遜，其主要關(guān)注于如何使用知識(shí)圖譜以增強(qiáng)預(yù)訓(xùn)練模型的效果。

本文首先將上下文看作全連接圖，并根據(jù)句子中的實(shí)體在KG上抽取子圖，通過(guò)兩個(gè)圖中共現(xiàn)的實(shí)體將全連接圖和KG子圖融合起來(lái)；然后本文將該圖轉(zhuǎn)化為序列，使用Transformer進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，并在訓(xùn)練時(shí)采用特殊的type embedding來(lái)表示實(shí)體、詞語(yǔ)與其他子圖信息，如下圖所示：

最終本文將文本上下文和知識(shí)上下文一起用MLM進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，將mask的范圍推廣到word、entity和relation；為訓(xùn)練該模型，本文采用cpu-gpu混合訓(xùn)練策略結(jié)合負(fù)采樣機(jī)制減少訓(xùn)練時(shí)間；最終本文提出的方法在知識(shí)圖譜補(bǔ)全和若干NLP任務(wù)上均帶來(lái)了增益。

Exploiting Structured Knowledge in Text via Graph-Guided Representation Learning

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2004.14224.pdf

這篇論文來(lái)源于悉尼科技大學(xué)和微軟，其主要關(guān)注于如何使用知識(shí)圖譜增強(qiáng)預(yù)訓(xùn)練模型。

本文思路比較簡(jiǎn)潔，其提出了一個(gè)基于entity的mask機(jī)制，結(jié)合一定的負(fù)采樣機(jī)制來(lái)增強(qiáng)模型。首先對(duì)于輸入的每一句話，本文首先進(jìn)行實(shí)體鏈接工作，得到其中的entity，并從知識(shí)圖譜conceptnet和freebase中召回其鄰接的三元組；本文利用一個(gè)特殊的權(quán)重，防止在mask時(shí)關(guān)注于句子中過(guò)于簡(jiǎn)單和過(guò)于難的entity，這樣模型在entity-level MLM訓(xùn)練時(shí)就關(guān)注于較為適合學(xué)習(xí)的信息；此外本文還引入了基于知識(shí)圖譜的負(fù)采樣機(jī)制，其利用relation來(lái)選擇高質(zhì)量的負(fù)例，以進(jìn)一步幫助訓(xùn)練；最終本文提出的方法在知識(shí)圖譜補(bǔ)全和若干NLP任務(wù)上均帶來(lái)了增益。

K-ADAPTER: Infusing Knowledge into Pre-Trained Models with Adapters

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2002.01808v3.pdf

這篇論文來(lái)源于復(fù)旦和微軟，其考慮自適應(yīng)的讓BERT與知識(shí)相融合。

這篇論文考慮如何通過(guò)不同的特殊下游任務(wù)來(lái)幫助向預(yù)訓(xùn)練模型融入任務(wù)相關(guān)的知識(shí)。首先本文針對(duì)不同的預(yù)訓(xùn)練任務(wù)，定義了對(duì)應(yīng)的adapter；在針對(duì)具體的下游任務(wù)進(jìn)行fine-tune時(shí)，可以采用不同的adapter來(lái)針對(duì)性的加入特征，進(jìn)而增強(qiáng)其效果；如下圖所示：

基于該思想，本文提出了兩種特殊的adapter，分別利用factor knowledge和linguistic knowledge；針對(duì)這兩個(gè)adapter，本文提出了針對(duì)entity之間的關(guān)系分類任務(wù)和基于依存關(guān)系的分類任務(wù)；再fine-tune階段，兩個(gè)adapter得到的特征可以與BERT或RoBERTa得到的特征一起拼接來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，該策略在三個(gè)知識(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集上均取得了較大增益。

Integrating Graph Contextualized Knowledge into Pre-trained Language Models

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/1912.00147.pdf

這篇論文來(lái)自于華為和中科大，其主要關(guān)注于如何將上下文有關(guān)的知識(shí)信息加入到預(yù)訓(xùn)練模型里。

這篇論文的思想類似于graph-BERT和K-BERT，其針對(duì)給出文本首先檢索返回相關(guān)的entity三元組，再在知識(shí)圖譜上搜集其相鄰的節(jié)點(diǎn)以構(gòu)成子圖；然后將該子圖轉(zhuǎn)換成序列的形式，輸入給傳統(tǒng)的Transformer模型（類似graph-BERT），通過(guò)特殊的mask來(lái)約束注意力在相鄰節(jié)點(diǎn)上（K-BERT）；最后用類似于ERNIE的策略將子圖中的信息加入到Transformer中；最終該模型在下游的幾個(gè)醫(yī)療相關(guān)數(shù)據(jù)集上取得了增益。

JAKET: Joint Pre-training of Knowledge Graph and Language Understanding

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2010.00796.pdf

這篇論文來(lái)自于CMU和微軟，其主要關(guān)注于如何同時(shí)對(duì)知識(shí)圖譜和語(yǔ)言模型一起預(yù)訓(xùn)練。

本文使用RoBERTa作為語(yǔ)言模型對(duì)文本進(jìn)行編碼，增加了relation信息的graph attention模型來(lái)對(duì)知識(shí)圖譜進(jìn)行編碼；由于文本和知識(shí)圖譜的交集在于其中共有的若干entity，本文采用一種交替訓(xùn)練的方式來(lái)幫助融合兩部分的知識(shí)，如下圖所示：

可以看出，語(yǔ)言模型得到的信息會(huì)首先對(duì)輸入文本以及entity/relation的描述信息進(jìn)行編碼，以得到對(duì)應(yīng)的表示；之后語(yǔ)言模型得到的entity embedding會(huì)被送給R-GAT模型以聚合鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，以得到更強(qiáng)的entity表示；然后該部分信息會(huì)被輸入給語(yǔ)言模型繼續(xù)融合并編碼，以得到強(qiáng)化的文本表示信息；為了訓(xùn)練該模型，本文還采用embedding memory機(jī)制來(lái)控制訓(xùn)練時(shí)梯度的更新頻率和優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重，并提出四種特殊的損失函數(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練；最終本文提出的模型在多個(gè)知識(shí)驅(qū)動(dòng)的下游任務(wù)均取得較好效果。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：BERT meet Knowledge Graph：預(yù)訓(xùn)練模型與知識(shí)圖譜相結(jié)合的研究進(jìn)展

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