一種針對該文本檢索任務(wù)的BERT算法方案DR-BERT

基于微軟大規(guī)模真實(shí)場景數(shù)據(jù)的閱讀理解數(shù)據(jù)集MS MARCO，美團(tuán)搜索與NLP中心提出了一種針對該文本檢索任務(wù)的BERT算法方案DR-BERT，該方案是第一個在官方評測指標(biāo)MRR@10上突破0.4的模型。

本文系DR-BERT算法在文本檢索任務(wù)中的實(shí)踐分享，希望對從事檢索、排序相關(guān)研究的同學(xué)能夠有所啟發(fā)和幫助。

背景提高機(jī)器閱讀理解（MRC）能力以及開放領(lǐng)域問答（QA）能力是自然語言處理（NLP）領(lǐng)域的一大重要目標(biāo)。在人工智能領(lǐng)域，很多突破性的進(jìn)展都基于一些大型公開的數(shù)據(jù)集。比如在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，基于對ImageNet數(shù)據(jù)集研發(fā)的物體分類模型已經(jīng)超越了人類的表現(xiàn)。類似的，在語音識別領(lǐng)域，一些大型的語音數(shù)據(jù)庫，同樣使得了深度學(xué)習(xí)模型大幅提高了語音識別的能力。 近年來，為了提高模型的自然語言理解能力，越來越多的MRC和QA數(shù)據(jù)集開始涌現(xiàn)。但是，這些數(shù)據(jù)集或多或少存在一些缺陷，比如數(shù)據(jù)量不夠、依賴人工構(gòu)造Query等。針對這些問題，微軟提出了一個基于大規(guī)模真實(shí)場景數(shù)據(jù)的閱讀理解數(shù)據(jù)集MS MARCO （Microsoft Machine Reading Comprehension）[1]。該數(shù)據(jù)集基于Bing搜索引擎和Cortana智能助手中的真實(shí)搜索查詢產(chǎn)生，包含100萬查詢，800萬文檔和18萬人工編輯的答案。 基于MS MARCO數(shù)據(jù)集，微軟提出了兩種不同的任務(wù)：一種是給定問題，檢索所有數(shù)據(jù)集中的文檔并進(jìn)行排序，屬于文檔檢索和排序任務(wù)；另一種是根據(jù)問題和給定的相關(guān)文檔生成答案，屬于QA任務(wù)。在美團(tuán)業(yè)務(wù)中，文檔檢索和排序算法在搜索、廣告、推薦等場景中都有著廣泛的應(yīng)用。此外，直接在所有候選文檔上進(jìn)行QA任務(wù)的時間消耗是無法接受的，QA任務(wù)必須依靠排序任務(wù)篩選出排名靠前的文檔，而排序算法的性能直接影響到QA任務(wù)的表現(xiàn)。基于上述原因，我們主要將精力放在基于MS MARCO的文檔檢索和排序任務(wù)上。 自2018年10月MACRO文檔排序任務(wù)發(fā)布后，迄今吸引了包括阿里巴巴達(dá)摩院、Facebook、微軟、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、清華等多家企業(yè)和高校的參與。在美團(tuán)的預(yù)訓(xùn)練MT-BERT平臺[14]上，我們提出了一種針對該文本檢索任務(wù)的BERT算法方案，稱之為DR-BERT（Enhancing BERT-based Document Ranking Model with Task-adaptive Training and OOV Matching Method）。DR-BERT是第一個在官方評測指標(biāo)MRR@10上突破0.4的模型，且在2020年5月21日（模型提交日）-8月12日期間位居榜首，主辦方也單獨(dú)發(fā)表推文表示了祝賀，如下圖1所示。DR-BERT模型的核心創(chuàng)新主要包括領(lǐng)域自適應(yīng)的預(yù)訓(xùn)練、兩階段模型精調(diào)及兩種OOV（Out of Vocabulary）匹配方法。

圖1 官方祝賀推文及MARCO 排行榜相關(guān)介紹Learning to Rank在信息檢索領(lǐng)域，早期就已經(jīng)存在很多機(jī)器學(xué)習(xí)排序模型（Learning to Rank）用來解決文檔排序問題，包括LambdaRank[2]、AdaRank[3]等，這些模型依賴很多手工構(gòu)造的特征。而隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的流行，研究人員提出了很多神經(jīng)排序模型，比如DSSM[4]、KNRM[5]等。這些模型將問題和文檔的表示映射到連續(xù)的向量空間中，然后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來計(jì)算它們的相似度，從而避免了繁瑣的手工特征構(gòu)建。

圖2 Pointwise、Pairwise、Listwise訓(xùn)練的目標(biāo) 根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)的不同，排序模型大體可以分為Pointwise、Pairwise和Listwise。這三種方法的示意圖如上圖2所示。其中，Pointwise方法直接預(yù)測每個文檔和問題的相關(guān)分?jǐn)?shù)，盡管這種方法很容易實(shí)現(xiàn)，然而對于排序來說，更重要的是學(xué)到不同文檔之間的排序關(guān)系?；谶@種思想，Pairwise方法將排序問題轉(zhuǎn)換為對兩兩文檔的比較。具體來講，給定一個問題，每個文檔都會和其他的文檔兩兩比較，判斷該文檔是否優(yōu)于其他文檔。這樣的話，模型就學(xué)習(xí)到了不同文檔之間的相對關(guān)系。 然而，Pairwise的排序任務(wù)存在兩個問題：第一，這種方法優(yōu)化兩兩文檔的比較而非更多文檔的排序，跟文檔排序的目標(biāo)不同；第二，隨機(jī)從文檔中抽取Pair容易造成訓(xùn)練數(shù)據(jù)偏置的問題。為了彌補(bǔ)這些問題，Listwise方法將Pairwsie的思路加以延伸，直接學(xué)習(xí)排序之間的相互關(guān)系。根據(jù)使用的損失函數(shù)形式，研究人員提出了多種不同的Listwise模型。比如，ListNet[6]直接使用每個文檔的top-1概率分布作為排序列表，并使用交叉熵?fù)p失來優(yōu)化。ListMLE[7]使用最大似然來優(yōu)化。SoftRank[8]直接使用NDCG這種排序的度量指標(biāo)來進(jìn)行優(yōu)化。大多數(shù)研究表明，相比于Pointwise和Pairwise方法，Listwise的學(xué)習(xí)方式能夠產(chǎn)生更好的排序結(jié)果。BERT自2018年谷歌的BERT[9]的提出以來，預(yù)訓(xùn)練語言模型在自然語言處理領(lǐng)域取得了很大的成功，在多種NLP任務(wù)上取得了SOTA效果。BERT本質(zhì)上是一個基于Transformer架構(gòu)的編碼器，其取得成功的關(guān)鍵因素是利用多層Transoformer中的自注意力機(jī)制（Self-Attention）提取不同層次的語義特征，具有很強(qiáng)的語義表征能力。如圖3所示，BERT的訓(xùn)練分為兩部分，一部分是基于大規(guī)模語料上的預(yù)訓(xùn)練（Pre-training），一部分是在特定任務(wù)上的微調(diào)（Fine-tuning）。

圖3 BERT的結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練模式 在信息檢索領(lǐng)域，很多研究人員也開始使用BERT來完成排序任務(wù)。比如，[10][11]就使用BERT在MS MARCO上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果大幅超越了當(dāng)時最好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)排序模型。[10]使用了Pointwise學(xué)習(xí)方式，而[11]使用了Pairwise學(xué)習(xí)方式。這些工作雖然取得了不錯的效果，但是未利用到排序本身的比較信息?；诖耍覀兘Y(jié)合BERT本身的語義表征能力和Listwise排序，取得了很大的進(jìn)步。模型介紹任務(wù)描述

基于DeepCT候選初篩由于MS MARCO中的數(shù)據(jù)量很大，直接使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型做Query和所有文檔的相關(guān)性計(jì)算會消耗大量的時間。因此，大部分的排序模型都會使用兩階段的排序方法。第一階段初步篩選出top-k的候選文檔，然后第二階段使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對候選文檔進(jìn)行精排。這里我們使用BM25算法來進(jìn)行第一步的檢索，BM25常用的文檔表示方法包括TF-IDF等。 但是TF-IDF不能考慮每個詞的上下文語義。DeepCT[12]為了改進(jìn)這種問題，首先使用BERT對文檔單獨(dú)進(jìn)行編碼，然后輸出每個單詞的重要性程度分?jǐn)?shù)。通過BERT強(qiáng)大的語義表征能力，可以很好衡量單詞在文檔中的重要性。如下圖4所示，顏色越深的單詞，其重要性越高。其中的“stomach”在第一個文檔中的重要性更高。

圖4 DeepCT估單詞的重要性，同一個詞在不同文檔中的重要性不同

DeepCT的訓(xùn)練目標(biāo)如下所示：

其中QTR(t,d)表示文檔d中單詞t的重要性分?jǐn)?shù)，Qd表示和文檔d相關(guān)的問題，Q{d,t}表示文檔d對應(yīng)的問題中包含單詞t的子集。輸出的分?jǐn)?shù)可以當(dāng)做詞頻（TF）使用，相當(dāng)于對文檔的詞的重要性進(jìn)行了重新估計(jì)，因此可以直接使用BM25算法進(jìn)行檢索。我們使用DeepCT作為第一階段的檢索模型，得到top-k個文檔作為文檔候選集合D={D1,D2,...,Dk}。領(lǐng)域自適應(yīng)預(yù)訓(xùn)練由于我們的模型是基于BERT的，而BERT本身的預(yù)訓(xùn)練使用的語料和當(dāng)前的任務(wù)使用的語料并不是同一個領(lǐng)域。我們得出這個結(jié)論是基于對兩部分語料中top-10000高頻詞的分析，我們發(fā)現(xiàn)MARCO的top-10000高頻詞和BERT基線使用的語料有超過40%的差異。因此，我們有必要使用當(dāng)前領(lǐng)域的語料對BERT進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。由于MS MARCO屬于大規(guī)模語料，我們可以直接使用該數(shù)據(jù)集中的文檔內(nèi)容對BERT進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。我們在第一階段使用MLM和NSP預(yù)訓(xùn)練目標(biāo)函數(shù)在MS MARCO上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。兩階段精調(diào)

圖5 模型結(jié)構(gòu) 下面介紹我們提出的精調(diào)模型，上圖5展示了我們提出的模型的結(jié)構(gòu)。精調(diào)分為兩個階段：Pointwise精調(diào)和Listwise精調(diào)。Pointwise問題類型感知的精調(diào)

第一階段的精調(diào)，我們的目標(biāo)是通過Pointwise的訓(xùn)練方式建立問題和文檔的關(guān)系。我們將Query-Document作為輸入，使用BERT對其編碼，匹配問題和文檔?？紤]到問題和文檔的匹配模式和問題的類型有很大的關(guān)系，我們認(rèn)為在該階段還需要考慮問題的類型。因此，我們使用問題，問題類型和文檔一起通過BERT進(jìn)行編碼，得到一個深層交互的語義表示。具體的，我們將問題類型T、問題Q和第i個文檔Di拼接成一個序列輸入，如下式所示：

其中表示分隔符，的位置對應(yīng)的編碼表示Query-Document的關(guān)系。

經(jīng)過BERT編碼后，我們?nèi)∽詈笠粚又?CLS>位置的表示hi為Query-Document的關(guān)系表示。然后通過Softmax計(jì)算他們的得分，得到：

該分?jǐn)?shù)Ti通過交叉熵?fù)p失函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過以上的預(yù)訓(xùn)練，模型對不同的問題學(xué)到了不同的匹配模式。該階段的預(yù)訓(xùn)練可以稱為類型自適應(yīng)（Type-Adaptive）模型精調(diào)。Listwise 精調(diào)為了使得模型直接學(xué)習(xí)不同排序的比較關(guān)系，我們通過Listwise的方式對模型進(jìn)行精調(diào)。具體的，在訓(xùn)練過程中，對于每個問題，我們采樣n+個正例以及n-個負(fù)例作為輸入，這些文檔是從候選文檔集合D中隨機(jī)產(chǎn)生。注意，由于硬件的限制，我們不能將所有的候選文檔都輸入到當(dāng)前模型中。因此我們選擇了隨機(jī)采樣的方式來進(jìn)行訓(xùn)練。

和預(yù)訓(xùn)練中使用BERT的方式類似，我們得到正例和負(fù)例中每個文檔的表示，hi+和hi-。然后通過一個單層感知機(jī)將上面得到的表示降維并轉(zhuǎn)換成一個分?jǐn)?shù)，即：

其中W和b是模型中可學(xué)習(xí)的參數(shù)。接下來對于每個文檔的分?jǐn)?shù)，我們通過一個文檔級別的比較和歸一化得到：

這一步，我們將文檔中的正例的分?jǐn)?shù)和負(fù)例的分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，得到Listwise的排名分?jǐn)?shù)。我通過這一步，我們得到了一個文檔排序列表，我們可以將文檔排序的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為最大化正例的分?jǐn)?shù)。因此，模型可以通過負(fù)對數(shù)似然損失優(yōu)化，如下式所示：

至于為什么使用兩個階段的精調(diào)模型，主要出于如下兩點(diǎn)考慮：

1. 我們發(fā)現(xiàn)首先學(xué)習(xí)問題和文檔的相關(guān)性特征然后學(xué)習(xí)排序的特征相比，直接學(xué)習(xí)排序特征效果好。

2. MARCO是標(biāo)注不充分的數(shù)據(jù)集合。換句話說，許多和問題相關(guān)的文檔未被標(biāo)注為1，這些噪聲容易造成模型過擬合。第一階段的模型可以用來過濾訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的噪聲，從而可以有更好的數(shù)據(jù)監(jiān)督第二階段的精調(diào)模型。解決OOV的錯誤匹配問題在BERT中，為了減少詞表的規(guī)模以及解決Out-of-vocabulary（OOV）的問題，使用了WordPiece方法來分詞。WordPiece會把不在詞表里的詞，即OOV詞拆分成片段，如圖6所示，原始的問題中包含詞“bogue”，而文檔中包含詞“bogus”。在WordPiece方法下，將“bogue”切分成”bog”和“##ue”，并且將“bogus”切分成”bog”和“##us”。我們發(fā)現(xiàn)，“bogus”和“bogue”是不相關(guān)的兩個詞，但是由于WordPiece切分出了匹配的片段“bog”，導(dǎo)致兩者的相關(guān)性計(jì)算分?jǐn)?shù)比較高。

圖6 BERT WordPiece處理前/后的文本 為了解決這個問題，我們提出了一種是對原始詞（WordPiece切詞之前）做精準(zhǔn)匹配的特征。所謂“精確匹配”，指的是某個詞在文檔和問題中同時出現(xiàn)。精準(zhǔn)匹配是信息檢索和機(jī)器閱讀理解中非常重要的一個技術(shù)。根據(jù)以往的研究，很多閱讀理解模型加入該特征之后都可以有一定的效果提升。具體的，在Fine-tuning階段，我們對于每個詞構(gòu)造了一個精準(zhǔn)匹配特征，該特征表示該單詞是否出現(xiàn)在問題以及文檔中。在編碼階段之前，我們就將這個特征映射到一個向量，和原本的Embedding進(jìn)行組合：

圖7 詞還原機(jī)制的工作原理 除此之外，我們還提出了一種詞還原機(jī)制如圖7所示，詞還原機(jī)制能夠?qū)ordPiece切分的Subtoken的表示合并，從而能更好地解決OOV錯誤匹配的問題。具體來說，我們使用Average Pooling對Subtoken的表示合并作為隱層的輸入。除此之外，如上圖7所示，我們使用了MASK處理Subtoken對應(yīng)的非首位的隱層位置。值得注意的是，詞還原機(jī)制也能很好地避免模型的過擬合問題。這是因?yàn)镸ARCO的集合標(biāo)注是比較稀疏的，換句話說，有很多正例未被標(biāo)注為1，因此容易導(dǎo)致模型過擬合這些負(fù)樣本。詞還原機(jī)制一定程度上起到了Dropout的作用。總結(jié)與展望以上內(nèi)容就對我們提出的DR-BERT模型進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。我們提出的DR-BERT模型主要采用了任務(wù)自適應(yīng)預(yù)訓(xùn)練以及兩階段模型精調(diào)訓(xùn)練。除此之外，還提出了詞還原機(jī)制和精確匹配特征提高OOV詞的匹配效果。通過在大規(guī)模數(shù)據(jù)集MS MARCO的實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了該模型的優(yōu)越性，希望這些能對大家有所幫助或者啟發(fā)。