魚與熊掌：Bert應用模式比較與選擇

最近兩個月，我比較關注Bert的領域應用現(xiàn)狀，以及Bert存在哪些問題及對應的解決方案。于是，收集了不少相關論文，正在梳理這兩個問題，并形成了兩篇文章。這部分內容本來是第一篇“應用篇”的一部分，后來發(fā)現(xiàn)文章實在太長，于是從介紹Bert領域應用現(xiàn)狀的文章中剝離出來。本部分涉及具體技術較少，比較務虛，所以單獨抽出來了，主題也比較散。所講純屬個人思考，眼光有限，錯誤難免，謹慎參考。

魚與熊掌：Bert應用模式比較與選擇

我們知道，ELMO／GPT／Bert這幾個自然語言預訓練模型給NLP帶來了方向性的指引，一般在應用這些預訓練模型的時候，采取兩階段策略：首先是利用通用語言模型任務，采用自監(jiān)督學習方法，選擇某個具體的特征抽取器來學習預訓練模型；第二個階段，則針對手頭的具體監(jiān)督學習任務，采取特征集成或者Fine-tuning的應用模式，表達清楚自己到底想要Bert干什么，然后就可以高效地解決手頭的問題和任務了。

關于Bert大的應用框架如此，但是，其實有幾個懸而未決的應用模式問題并沒有探討清楚，比如以下兩個問題，它們的答案是什么？首先搞清楚這些問題其實是很重要的，因為這對于后續(xù)的Bert領域應用起到了明確的指導作用。哪兩個問題呢？

問題一：下游任務在利用預訓練模型的時候，有兩種可能的選擇：特征集成（Feature Ensemble）或者微調（Fine-tuning）模式。那么對于Bert應用來說，這兩種模式，到底哪種應用效果更好呢？還是說兩者效果其實差不多？這是一個問題，這個問題如果有明確答案，那么在做應用的時候，可以直接選擇那個較好的方案。

我們知道，ELMO在下游任務使用預訓練模型的時候，采用的是特征集成的方式：就是說把當前要判斷的輸入句子，走一遍ELMO預訓練好的的雙層雙向LSTM網(wǎng)絡，然后把每個輸入單詞對應位置的高層LSTM激活embedding（或者輸入單詞對應位置的若干層embedding進行加權求和），作為下游任務單詞對應的輸入。這是一種典型的應用預訓練模型的方法，更側重于單詞的上下文特征表達方面。

GPT和Bert則采取了另外一種應用模式：Fine-tuning。意思是：在獲得了預訓練模型以及對應的網(wǎng)絡結構（Transformer）后，第二個階段仍然采用與預訓練過程相同的網(wǎng)絡結構，拿出手頭任務的部分訓練數(shù)據(jù)，直接在這個網(wǎng)絡上進行模型訓練，以針對性地修正預訓練階段獲得的網(wǎng)絡參數(shù)，一般這個階段被稱為Fine-tuning。這是另外一種典型的應用模式。

當然，在實際應用的時候，只要有了預訓練模型，應用模式是可選的。其實ELMO也可以改造成Fine-tuning的模式，GPT和Bert同樣也可以改造成特征集成的應用模式。 那么，這兩種應用模式對應用來說，有效果方面的差異嗎？

有篇論文專門探討了這個問題，論文的名字是：“To Tune or Not to Tune? Adapting Pre-trained Representations to Diverse Tasks”，這篇論文還是挺有意思的，有時間的同學可以仔細看看。

它的目的是對比ELMO和Bert的上述兩種應用模式的差異，希望得出到底哪種模式更適合下游任務的結論。它使用了7種不同的NLP任務來評估，如果歸納一下實驗結果（參考上圖），可以看出這個問題的結論如下：

對于ELMO來說，特征集成的應用方式，在不同數(shù)據(jù)集合下，效果穩(wěn)定地優(yōu)于Fine-tuning；而Bert的結論正好相反，F(xiàn)ine-tuning應用模式的效果，在大部分任務中與特征集成模式效果相當或者稍好些，但是對于sentence pair句子對匹配類的任務，則Fine-tuning效果明顯好于特征集成的方式。這可能是因為Bert在預訓練的過程中包含Next Sentence Prediction任務，考慮到了句間關系問題，所以和下游的sentence pair任務比較匹配導致的。

另外還有一個證據(jù)。清華大學最近有篇論文（Understanding the Behaviors of BERT in Ranking），盡管它的主題不是專門探討上述問題的，但是有組相關的實驗，也能在一定程度上說明問題，所以我把那篇論文的結論也列在這里。

它的結論是：對于比如QA這種句子匹配類問題，如果僅僅把Bert作為特征表達工具，也就是說，Bert的輸入側只是單獨輸入Question或者單獨輸入Passage，取出Bert高層的[CLS]標記作為Question或者Passage的語義表示；這種應用方式，效果遠不如在Bert端同時輸入Question和Passage，意思是讓Transformer自己去做Question和Passage的匹配過程，應用效果會更好，而且兩者效果相差甚遠。這從側面說明了：在QA任務中，F(xiàn)ine-tuning模式效果是要遠好于特征集成模式的。

這在一定程度上說明了：起碼對于句子匹配類任務，F(xiàn)ine-tuning這種應用模式效果是要遠好于特征集成那種特征表示應用模式的。當然，因為沒有看到更多的工作來對兩種模式做對比，所以謹慎的做法是：僅僅把這個結論限制在句子對匹配任務上，其它非句子對匹配任務目前并沒有特別明確的結論，這塊值得通過更多實驗繼續(xù)深入摸索一下。

Bert的原始論文，也簡單對比了下兩種模式，我印象是Fine-tuning模式要略優(yōu)于特征集成模式。

綜合上述三個工作，我覺得目前可以得出的結論是：對于句子匹配類任務，或者說是輸入由多個不同組成部分構成的NLP任務，那么在應用Bert的時候，采用Fine-tuning效果是要明顯好于特征集成模式的。所以遇到這種類型的任務，你不用猶豫，直接上Fine-tuning沒有大錯。而對于其它類型的任務，在應用Bert的時候，F(xiàn)ine-tuning模式要稍好于特征集成模式，或者兩者效果差不多。

再簡練點的話，結論是：對于Bert應用，安全穩(wěn)妥的做法是，建議采取Fine-tuning的模式，而不是特征集成的模式。

問題二：假設我們選定了Fine-tuning的應用模式，在標準的Bert的Fine-tuning過程或應用中的推斷過程中，一般而言，分類層的輸入信息來自于Bert的Transformer特征抽取器的最高層輸出。我們知道，Transformer Base版本是有12層的，一種直觀感覺有意義的想法是：也許不僅僅最高層的Transformer包含有效的分類特征信息，底下的11層Transformer中間層，可能編碼了輸入句子的不同抽象粒度的特征信息。

那么，如果我們在分類前，通過一定方式把每個單詞對應的Transformer的多層中間層的響應值集成起來，在這個集成好的特征基礎上，上接分類層，從直覺上感覺應該是有效的，因為感覺好像融入多層特征后，信息更豐富一些。

那么事實到底如何呢？這種集成多層特征的模式，與只使用Transformer最高層特征的使用模式，到底哪個效果更好呢？這個問題其實也挺有意思。

清華大學那篇論文：Understanding the Behaviors of BERT in Ranking。其實主要可以用來回答上面這個問題。它在分類層之前，采用了幾種不同的特征集成方式，并對比了在QA任務上的性能差異。如果進行歸納，結論如下：直接使用Bert輸入的第一個起始標記[CLS]對應位置的最高層Transformer的Embedding作為分類層的輸入，以此作為文本匹配特征表示，既簡潔效果又最好。

其它的幾個對比方案，包括集成最高層Transformer各個單詞的embedding，或者集成不同層Transformer的響應值，或者更復雜的方案，效果是不如這種最簡單的方案的（參考上圖，一個數(shù)據(jù)集合中Only高層特征明顯占優(yōu)，另外一個兩者效果相近）。我覺得，這說明了：對于句子對匹配任務，這個[CLS]標記已經編碼了足夠多的句子匹配所需要的特征信息，所以不再需要額外的特征進行補充。

當然，上述實驗結果的結論，還僅僅局限在QA任務上，我估計頂多能擴充到句子對匹配類任務上。至于NLP其它類型任務，比如單句分類或者序列標注任務，還需要額外的證據(jù)說明或進行比較分析。

關于序列標注任務，有篇論文：“Multi-Head Multi-Layer Attention to Deep Language Representations for Grammatical Error Detection”是用來驗證這兩種模式不同效果的，它做的是語法錯誤檢測任務，這是一種序列標注任務，也就是說，每個輸入單詞都需要對應一個分類結果輸出。

它提出了的實驗結果證明了：在這個任務中，與只使用最高層特征模式相比，集成多層特征的具體方式對效果有影響，如果在集成各層特征的時候，把每層特征的重要性看作是相同的（取均值），那么效果跟只使用最高層特征比，不同數(shù)據(jù)集合下效果有好有壞，總體看差不太多或者稍微好點。

如果加入Attention來自適應的學習每層特征的權重，那么效果穩(wěn)定地好于只使用高層特征的模式。這說明：在序列標注任務中，傾向于選擇多層特征融合的應用模式。

我們去年在用Bert改進微博打標簽（文本分類任務）應用的時候，也嘗試過集成不同層的embedding特征，當時測試對于應用效果的F1數(shù)值有大約不到2個百分點的提升（相對僅使用Bert最高層特征的方法）。不過除此外，我還沒看到有其它發(fā)表工作說明這個問題。

所以，我覺得關于這個問題，目前的結論貌似可以這樣下：對于句子匹配等多輸入的NLP任務，直接使用Bert高層的[CLS]標記作為輸出的信息基礎，這是效果最好的，也是最簡單的模式。對于序列標注類任務，可能多層特征融合更適合應用場景，但是在融合各層特征時，要做細致些。

對于單句分類等其它任務，因為沒有更多的工作或者實驗來說明這個問題，所以尚未能下明確的結論，這塊還需要后續(xù)更多的驗證工作。我的預感是，這可能跟任務類型有關，不同類型的任務可能結論不太一樣，背后可能有更深層的原因在起作用。

困境與希望：Bert到底給NLP領域帶來了什么

毫無疑問，Bert是NLP領域的極為重大的技術進展，在我看來，Bert的重要性，很可能比把深度學習引入NLP領域這種研究模式轉換的進展重要性都要高，因為DL剛引進NLP的時候，說實話，效果跟傳統(tǒng)模型相比，并沒有體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。但是Bert的效果之好，出人意料，它完全可以跟CV領域以Resnet為代表的Skip Connection相比，屬于深度學習在兩個不同領域的熠熠奪目雙子星。

盡管后面才會提，但是這里可以一句話歸納一下：從NLP各個領域的應用效果可以看出，在使用了Bert后，在很多領域，指標一般都有不同幅度的增長，不同領域情況不同，不少領域有大幅度地增長，很多領域有30%甚至100%的提升。

這些事實擺在我們面前，按理說，這說明Bert的技術突破給NLP研究與應用帶來了很大希望，同時指明了發(fā)展方向：就是通過預訓練的模式，充分使用大量的無標注語言數(shù)據(jù)，利用自監(jiān)督模型，發(fā)揮Transformer特征吸收能力強的特點，來對語言知識進行特征編碼。用這些知識來促進很多下游NLP任務的效果，以彌補有監(jiān)督任務往往訓練數(shù)據(jù)規(guī)模不夠大，無法充分編碼語言知識的困境。

既然前途如此光明，那么我們完全可以只講希望與方向，對于所謂的“困境”，貌似沒什么可談的。其實不然，世間事都是人做出來的，如果我們的思考對象是身處其中的研發(fā)人員，則對于很多局中人，有著顯而易見的困境或者說是困擾。這體現(xiàn)了另外一種理想和現(xiàn)實的差距。這個距離有多遠？

相信有一定生活閱歷的人都理解，答案是：與天海之間的距離是一樣的，在站在海邊的人眼里，遠看無限近，近看無窮遠。這正像，我們每個人都希望自己能活出“美麗的外表，有趣的靈魂”，但是活著活著，在生活的重力擠壓下，活成了“有趣的外表，美麗的靈魂”，甚至，可能連美麗的靈魂都已蒙塵。

最近感概有點多，說遠了，跑回來。

那么，對于很多局中人，Bert的出現(xiàn)帶來的困擾是什么呢？

現(xiàn)在很多證據(jù)表明：直接簡單應用Bert，往往就會對很多任務的指標有大幅度地提升。在Bert出來之前，我相信有很多人，在絞盡腦汁地嘗試著各種不同的NLP改進方法，也許思路各異，但是能夠像Bert這樣直接對應用有這么高幅度提升的方法，我相信這種方法應該基本沒有。否則，現(xiàn)在大家看到的，除了Bert外，應該有另外一個“模型震驚部”推出的新模型，但是骨感的現(xiàn)實是，并沒有，所以我這個假設看上去并沒什么大毛病。

順著這個假設推理下去，這又說明什么呢？說明了有大量懷胎十月哇哇墜地甚至還剛受孕的NLP論文，因為Bert的出現(xiàn)，它們已經沒有出生的必要了?！皬膩碇灰?a target="_blank">新人笑，有誰記得舊人哭”。剛看到Bert論文的時候，我的耳邊仿佛傳來很多無奈的苦笑聲，而這笑聲，應該來自于這些技術創(chuàng)新的發(fā)明者。

從另外一個角度考慮，Bert的出現(xiàn)，快速拉高了很多NLP應用領域的Benchmark或者對比baseline，所以會引發(fā)一個對很多NLP領域研究者，尤其是憋論文的研究生的一個現(xiàn)實的問題。什么問題？就是在一夜之間大幅提升的基線方法高壓下，如果不在Bert的基礎上進行方法創(chuàng)新，那么提出一種效果要好于Bert效果的新方法，概率是非常低的。這意味著有了Bert后，創(chuàng)新難度大大增加了，這對于應用人員沒什么，對于有創(chuàng)新要求的人來說，門檻變高了。

你會反問：為什么將Bert作為對比參照系，原先的方法就失靈了呢？我可以在Bert基礎上，再套用我原先想的辦法來創(chuàng)新嗎不是？當然，不排除有些點子具備不管風吹浪打，我自閑庭信步的成功可能性，但是對于絕大多數(shù)方法，我相信這條路是走不通的。為什么？因為很可能你憋了半年的那個方法產生的一點收益，已經被Bert自身帶來的收益覆蓋或者吃掉了。

意思是說，如果沒有Bert，你的改進可能看著還算有些效果，但是你想疊加到Bert上，既想吃到Bert帶來的技術紅利，又能體現(xiàn)你方法的優(yōu)點，這個良好愿望，實現(xiàn)的概率，是很低的。如果你還這么樂觀地想這個問題，那么，我覺得你該定個鬧鐘早點叫醒自己了。看到這，你體會到我上面說的理想和現(xiàn)實的距離問題了嗎？

不過話說回來，創(chuàng)新難度增加，看你怎么看這個問題了。其實從領域長遠發(fā)展來看，是有好處的。好處是：也不局限于NLP領域，大多數(shù)AI領域的98%以上的所謂創(chuàng)新，如果把眼光放長遠，是沒有太大價值的。怎么判斷？再過幾年不會被人提起的創(chuàng)新，都屬于這種。

如果這個假設成立，那么Bert的出現(xiàn)，會逼迫從業(yè)者不要浪費時間在這些沒有什么長遠領域價值的點子上，而逼迫你去解決那些真正有價值的問題。沒有Bert的時候，只能靠自覺或者研究品味來做到這一點，有了Bert，你就不能不這么做了。從這點講，出現(xiàn)突破模型，對于領域人力資源的投入優(yōu)化配置，是具有非常積極的作用的。所以很多事情，看你是站在什么角度去看的，不同的角度，可能得出相反的結論。

不過，我想，除了上面觀察角度各異結論會不同的判斷外，Bert確實可能存在一個壞處：很多非常新的想法，在剛提出來的時候，效果可能并不能達到類似Bert這種碾壓效果，甚至效果不太明顯，需要后面有個靈機一動的改進，讓它的效果發(fā)揮出來。但是面臨Bert的高基線，很可能很多具備高潛力的點子，根本發(fā)表不出來。意味著Bert這堵高墻，可能遮蔽了很多低垂灌木的陽光，使得它們還沒長大就夭折了。這是Bert可能帶來的負面效果。

另外一個容易讓人感到無奈的事實是：Bert的出現(xiàn)預示著，使用Transformer這種重模型，利用幾乎無窮多的自然語言文本資源進行自監(jiān)督訓練，這條路看樣子是能走通的，而這是一條通向NLP之峰的陽關大道。但是復雜模型加上超量數(shù)據(jù)，也預示著要想沿著這條路線繼續(xù)往后走，在預訓練階段，對機器資源的消耗非常之大，這種金錢游戲，不是你我這種NLP屆的窮人們玩的起的。

這就像什么呢？打個比方，漫威電影里的超級英雄們，各個身手非凡，但是如果追究下他們超能力的來源問題，就上升到階級問題了，所謂“富人靠科技，窮人靠變異”，這句力透屏幕的扎心總結，透著濃濃的馬克思主義的氣息。換成Bert時代，那就是 “富人靠機器，窮人靠運氣”。各位還請檢查下銀行卡余額，對號入座。

不過話說回來，有些事，接受事實就好，不要想太多，想太多，除了苦惱，什么也得不到。雖說世事本多無奈，但我們要永保赤子之心，畢竟無奈著無奈著……..慢慢你也就習慣了……..

路在何方：Bert時代的可能NLP創(chuàng)新路徑

上面既然談到了可能的困境與希望，不妨再進一步深入思考一下：對于有創(chuàng)新要求的局中人，在Bert時代，未來可以選擇怎樣的創(chuàng)新路徑呢？這個問題其實還是很重要的。

以我的私見，將來能走的路有幾條，各自難度不同，我來列一列，你可以衡量看看你打算怎么走。再次強調，純屬個人意見，謹慎參考。

第一條路是條康莊大道。就是說，在完全不依賴Bert的基礎上，提出一個與Bert效果相當或者更好的新模型或新方法。這絕對是條金光閃閃的正路，但是，走通的概率有多大你自己自我評估一下。當然，私心里，我本人是特別贊成沒有各種短期壓力，無論是創(chuàng)新成果壓力還是經濟壓力，的同志走這條路的。也對能選擇走上這條路的同志表示敬意，能選這條路是非常不容易的，而且我相信，一定會有人會堅定不移地選擇這條路。

這條路拼的是對領域的認識深刻程度，速度不關鍵。

第二條路，不考慮模型創(chuàng)新，可以利用Bert預訓練模型，直接去做各種應用，以實證Bert在各種領域是有效果的。當然，在應用Bert的時候，也可能適應領域應用特點，做出些模型的改動，但是無疑這種改進不會大。這是一條相對好走的路，好走的路走的人自然就會多，所以這條路拼的是誰的速度快。目前大量Bert的后續(xù)工作屬于這一種，這很正常。后面應用篇文章總結的也是這一類的工作。

第三條路，通過各種偏實驗性的研究，以更深入地了解Bert的特性，其實我們目前并沒有對Bert及Transformer有很深刻的了解，而我們目前也非常急迫地需要做到這一點。如果我們能夠對它們加深了解，這也是非常有價值的，因為對Bert進一步做較大的改進，改起來會更有針對性。而且只有了解了Bert的本質特性，才有可能拋開Bert，提出更好的全新的模型。這條路其實也不算難走，但是做的人感覺不太多。我倒是建議有心的同學多想想這條路。

第四條路，直接改進Bert模型。針對Bert目前還做得不太好的地方，改進優(yōu)化它，或者改造使得它能夠適用更廣的應用范圍。這條路是比較務實且有可能作出比較重要創(chuàng)新的一條路。目前很多Bert后續(xù)工作也集中在這里。這里的創(chuàng)新難度要求方差較大，有些會比較常規(guī)，有些問題則需要巧思。目前這塊的工作也相對多，后面“Bert改進篇”文章主要集中在這塊。

第五條路，想出那些在Bert基礎之上，又看上去與Bert無關的改進，期待新技術疊加到Bert上去之后，新方法仍然有效。就是說它的技術紅利點和Bert的技術紅利點不重合，那么可以產生累計疊加紅利，這也是一條較好的路，應該也能走得通，當然肯定也不太好走。

第六條路，找Bert做不好的任務或應用領域，就是說Bert的優(yōu)點在這個領域里發(fā)揮不出來，既然Bert沒法侵入該領域，所以對于常規(guī)的技術創(chuàng)新并沒有什么阻礙或影響。如果選擇這條路，你的首要任務是找出這些領域。而且，在這些領域里面，參考Bert的基本思想，是很有可能引入大的改進模型的。

還有其它可能走的路嗎？貌似不多了吧。好了，上面的路有好走的，也有荊棘密布的，您可以在上面的可能options中選一條，然后堅定地走下去。祝好運。