摘要：自然语言理解是人工智能的核心难题之一，也是目前智能语音交互和人机对话的核心难题。之前写过一篇文章自然语言理解，介绍了当时NLU的系统方案，感兴趣的可以再翻一番，里面介绍过的一些内容不再赘述。本文详细讨论了自然语言理解的难点，并进一步针对自然语言理解的两个核心问题，详细介绍了规则方法和深度学习的应用。
- 引言
自然语言理解是人工智能的核心难题之一，也是目前智能语音交互和人机对话的核心难题。维基百科有如下描述[1]：
Natural language understanding (NLU) is a subtopic of natural language
processing in artificial intelligence that deals with machine reading
comprehension. NLU is considered an AI-hard problem.
对于AI-hard的解释如下：
In the field of artificial intelligence, the most difficult problems
are informally known as AI-complete or AI-hard, implying that the
difficulty of these computational problems is equivalent to that of
solving the central artificial intelligence problem—making computers
as intelligent as people, or strong AI.
简言之，什么时候自然语言能被机器很好的理解了，strong AI也就实现了~~
之前写过一篇文章自然语言理解，介绍了当时NLU的系统实现方案，感兴趣的可以再翻一番，里面介绍过的一些内容不再赘述。那篇文章写于2015年底，过去一年多，技术进展非常快，我们的算法也进行了大量升级，核心模块全部升级到深度学习方案。本文主要结合NUI平台中自然语言理解的具体实现，详细的、系统的介绍意图分类和属性抽取两个核心算法。如下图所示，第一个框中是意图分类，第二个框中是属性抽取。
对于整个NUI平台的介绍可以参考孙健/千诀写的从“连接”到“交互”—阿里巴巴智能对话交互实践及思考。
- 自然语言理解的难点
为什么自然语言理解很难？本质原因是语言本身的复杂性。自然语言尤其是智能语音交互中的自然语言，有如下的5个难点：
一. 语言的多样性
一方面，自然语言不完全是有规律的，有一定规律，也有很多例外；另一方面，自然语言是可以组合的，字到词，词到短语，短语到从句、句子，句子到篇章，这种组合性使得语言可以表达复杂的意思。以上两方面共同导致了语言的多样性，即同一个意思可以有多种不同的表达方式，比如：
- 我要听大王叫我来巡山
- 给我播大王叫我来巡山
- 我想听歌大王叫我来巡山
- 放首大王叫我来巡山
- 给唱一首大王叫我来巡山
- 放音乐大王叫我来巡山
- 放首歌大王叫我来巡山
- 给大爷来首大王叫我来巡山
二. 语言的歧义性
在缺少语境约束的情况下，语言有很大的歧义性，比如：
- 我要去拉萨
（1）火车票？
（2）飞机票？
（3）音乐？
（4）还是查找景点？
三. 语言的鲁棒性
语言在输入的过程中，尤其是通过语音识别转录过来的文本，会存在多字、少字、错字、噪音等等问题，比如：
- 错字
（1）大王叫我来新山
- 多字
（2）大王叫让我来巡山
- 少字
（3）大王叫我巡山
- 别称
（4）熊大熊二（指熊出没）
- 不连贯
（5）我要看那个恩花千骨
- 噪音
（6）全家只有大王叫我去巡山咯
四. 语言的知识依赖
语言是对世界的符号化描述，语言天然连接着世界知识，比如：
- 大鸭梨
（1）除了表示水果，还可以表示餐厅名
- 七天
（2）除了表示时间，还可以表示酒店名
- 总参
（3）除了表示总参谋部，还可以表示餐厅名
- 天气预报
（4）还是一首歌名
- 晚安
（5）这也是一首歌名
五. 语言的上下文
上下文的概念包括很多内容，比如：
- 对话上下文
- 设备上下文
- 应用上下文
- 用户画像
- ...
U：买张火车票
A：请问你要去哪里？
U：宁夏
这里的宁夏是指地理上的宁夏自治区
U：来首歌听
A：请问你想听什么歌？
U：宁夏
这里的宁夏是指歌曲宁夏
- 意图分类的实现方法
意图分类是一种文本分类。主要的方法有：
- 基于规则（rule-based）
（1）CFG
（2）JSGF
（3）……
- 传统机器学习方法
（1）SVM
（2）ME
（3）……
- 深度学习方法
（1）CNN
（2）RNN/LSTM
（3）……
3.1 基于规则的方法
这里重点介绍基于CFG的方法[2]，该方法最早出现于CMU Phoenix System中，以下是一个飞机票领域的示例：
按照上面的文法，对于“从北京去杭州的飞机票”，可以展成如下的树：
3.2 基于传统统计的方法
我们在第一版的系统中，采用的基于SVM的方法，在特征工程上做了很多工作。第二版中切换到深度学习模型后，效果有很大提升，此处略过，直接介绍深度学习方法。
3.3 基于深度学习的方法
深度学习有两种典型的网络结构：
- CNN（卷积神经网络）
- RNN（循环神经网络）
基于这两种基本的网络结构，又可以衍生出多种变形。我们实验了以下几种典型的网络结构：
- CNN [3]
- LSTM [4]
- RCNN [5]
- C-LSTM [6]
从实验结果来看，简单的CNN的效果最好，其网络结构如下：
单纯的CNN分类效果无法超越复杂特征工程的SVM分类器，尤其是在像音乐、视频等大量依赖世界知识的领域中。比如怎么把如下的世界知识融入到网络中去：
这背后更大的背景是，深度学习在取得巨大成功后，慢慢开始显露出瓶颈，比如如何表示知识、存储知识，如何推理等。其中一个探索方向就是试图把联结主义和符号主义进行融合。纯粹的基于联结主义的神经网络的输入是distributed representation，把基于符号主义的symbolic representation融合到网络中，可以大大提高效果，比如：
- 属性抽取的实现方法
属性抽取问题可以抽象为一个序列标注问题，如下例：
- 基于规则（rule-based）
（1）Lexicon-based
（2）CFG
（3）JSGF
（4）……
- 传统机器学习方法
（1）HMM
（2）CRF
（3）……
- 深度学习方法
（1）RNN/LSTM
（2）……
4.1 基于规则的方法
这里主要介绍基于JSGF（JSpeech Grammar Format）的方法：
JSGF is a BNF-style, platform-independent, and vendor-independent textual representation of grammars for use in speech recognition.
其基本的符号及其含义如下：
比如对于如下的示例：
可以展开成图：
对于“帮我打开空调”，其在图中的匹配路径如下：
匹配到这条路径后，可以根据标签，把“空调”抽取到device这个属性槽上。
4.2 基于传统统计的方法
经典算法为CRF，略过。
4.3 基于深度学习的方.
用于序列标注的深度学习模型主要有[7]：
- RNN
- LSTM
- Bi-LSTM
- Bi-LSTM-Viterbi
- Bi-LSTM-CRF
也有一些多任务联合训练的模型，比如[8]、[9]。
在我们的系统中，采用的是Bi-LSTM-CRF模型：
同样的，在input上，将distributed representation和symbolic representation做了融合。
- 小结
在实际的系统中，基于规则的方法和基于深度学习的方法并存。基于规则的方法主要用来快速解决问题，比如一些需要快速干预的BUG；基于深度学习的方法是系统的核心。