系统学习NLP（二十九）--BERT
补充一份细节的理解：https://zhuanlan.zhihu.com/p/74090249
输入嵌入：https://www.cnblogs.com/d0main/p/10447853.html
1. 前言
在本文之前我们已经介绍了ELMo和GPT的两个成功的模型，今天给大家介绍google新发布的BERT模型。BERT来头可不小，其性能超越许多使用任务特定架构的系统，刷新了11项NLP任务的当前最优性能记录。
2. BERT原理
BERT模型的全称是Bidirectional Encoder Representations from Transformers，它是一种新型的语言模型。之所以说是一种新型的语言模型，是因为它通过联合调节所有层中的双向Transformer来训练预训练深度双向表示。
想深入了解BERT模型，首先应该理解语言模型。预训练的语言模型对于众多自然语言处理问题起到了重要作用，比如SQuAD问答任务、命名实体识别以及情感识别。目前将预训练的语言模型应用到NLP任务主要有两种策略，一种是基于特征的语言模型，如ELMo模型；另一种是基于微调的语言模型，如OpenAI GPT。这两类语言模型各有其优缺点，而BERT的出现，似乎融合了它们所有的优点，因此才可以在诸多后续特定任务上取得最优的效果。
其实，这里没有讲出核心区别，ELMo是双向LSTM架构，序列中的多个词预测下一个词方式训练，OpenAI GPT是单向多层transformer解码器架构，序列中的多个词预测下一个词方式训练。BERT是双向多层transformer编码器架构，序列中的多个词预测mask词方式训练。
2.1 BERT模型总体结构
BERT是一种基于微调的多层双向Transformer编码器，其中的Transformer与原始的Transformer是相同的，并且实现了两个版本的BERT模型，在两个版本中前馈大小都设置为4层：
lBERTBASE：L=12，H=768，A=12，Total Parameters=110M
lBERTLARGE：L=24，H=1024，A=16，Total Parameters=340M
其中层数（即Transformer blocks块）表示为L，隐藏大小表示为H，自注意力的数量为A。
其实，图中的左侧部分是一个Transformer Block，对应到下图中的一个“Trm”。
2.2 BERT模型输入
BERT输入的编码向量（长度是512）是3个嵌入特征的单位和，如图4，这三个词嵌入特征是：
- WordPiece 嵌入[6]：WordPiece是指将单词划分成一组有限的公共子词单元，能在单词的有效性和字符的灵活性之间取得一个折中的平衡。例如图4的示例中‘playing’被拆分成了‘play’和‘ing’；
- 位置嵌入（Position Embedding）：位置嵌入是指将单词的位置信息编码成特征向量，位置嵌入是向模型中引入单词位置关系的至关重要的一环；
- 分割嵌入（Segment Embedding）：用于区分两个句子，例如B是否是A的下文（对话场景，问答场景等）。对于句子对，第一个句子的特征值是0，第二个句子的特征值是1。
最后，说明一下图中的两个特殊符号[CLS]和[SEP]，其中[CLS]表示该特征用于分类模型，对非分类模型，该符合可以省去。[SEP]表示分句符号，用于断开输入语料中的两个句子。
2.3 BERT模型预训练任务
BERT是一个多任务模型，它的任务是由两个自监督任务组成，即Masked LM和Next Sentence Prediction：
2.3.1 Masked LM
为了训练深度双向Transformer表示，采用了一种简单的方法：随机掩盖部分输入词，然后对那些被掩盖的词进行预测，此方法被称为“Masked LM”(MLM)。Masked Language Model（MLM）的核心思想取自Wilson Taylor在1953年发表的一篇论文[7]。预训练的目标是构建语言模型，BERT模型采用的是bidirectional Transformer。那么为什么采用“bidirectional”的方式呢？因为在预训练语言模型来处理下游任务时，我们需要的不仅仅是某个词左侧的语言信息，还需要右侧的语言信息。
在训练的过程中，随机地掩盖每个序列中15％的token，并不是像word2vec中的cbow那样去对每一个词都进行预测。MLM从输入中随机地掩盖一些词，其目标是基于其上下文来预测被掩盖单词的原始词汇。与从左到右的语言模型预训练不同，MLM目标允许表示融合左右两侧的上下文，这使得可以预训练深度双向Transformer。Transformer编码器不知道它将被要求预测哪些单词，或者哪些已经被随机单词替换，因此它必须对每个输入词保持分布式的上下文表示。此外，由于随机替换在所有词中只发生1.5%，所以并不会影响模型对于语言的理解。
在BERT的实验中，15%的WordPiece Token会被随机Mask掉。在训练模型时，一个句子会被多次喂到模型中用于参数学习，但是Google并没有在每次都mask掉这些单词，而是在确定要Mask掉的单词之后，80%的时候会直接替换为[Mask]，10%的时候将其替换为其它任意单词，10%的时候会保留原始Token。
- 80%：
my dog is hairy -> my dog is [mask] - 10%：
my dog is hairy -> my dog is apple - 10%：
my dog is hairy -> my dog is hairy
这么做的原因是如果句子中的某个Token100%都会被mask掉，那么在fine-tuning的时候模型就会有一些没有见过的单词。加入随机Token的原因是因为Transformer要保持对每个输入token的分布式表征，否则模型就会记住这个[mask]是token ’hairy‘。至于单词带来的负面影响，因为一个单词被随机替换掉的概率只有15%*10% =1.5%，这个负面影响其实是可以忽略不计的。
另外文章指出每次只预测15%的单词，因此模型收敛的比较慢。
2.3.2 Next Sentence Prediction
很多句子级别的任务如自动问答（QA）和自然语言推理（NLI）都需要理解两个句子之间的关系，譬如上述Masked LM任务中，经过第一步的处理，15%的词汇被遮盖。那么在这一任务中我们需要随机将数据划分为等大小的两部分，一部分数据中的两个语句对是上下文连续的，另一部分数据中的两个语句对是上下文不连续的。然后让Transformer模型来识别这些语句对中，哪些语句对是连续的，哪些对子不连续。
Next Sentence Prediction（NSP）的任务是判断句子B是否是句子A的下文。如果是的话输出’IsNext‘，否则输出’NotNext‘。训练数据的生成方式是从平行语料中随机抽取的连续两句话，其中50%保留抽取的两句话，它们符合IsNext关系，另外50%的第二句话是随机从预料中提取的，它们的关系是NotNext的。这个关系保存在图4中的[CLS]符号中。
2.4 模型比较
ELMo、GPT、BERT都是近几年提出的模型，在各自提出的时候都取得了不错的成绩。并且相互之间也是相辅相成的关系。
3个模型比较如下：
往前看，在NLP中有着举足轻重地位的模型和思想还有Word2vec、LSTM等。
Word2vec作为里程碑式的进步，对NLP的发展产生了巨大的影响，但Word2vec本身是一种浅层结构，而且其训练的词向量所“学习”到的语义信息受制于窗口大小，因此后续有学者提出利用可以获取长距离依赖的LSTM语言模型预训练词向量，而此种语言模型也有自身的缺陷，因为此种模型是根据句子的上文信息来预测下文的，或者根据下文来预测上文，直观上来说，我们理解语言都要考虑到左右两侧的上下文信息，但传统的LSTM模型只学习到了单向的信息。
3.微调
在海量单预料上训练完BERT之后，便可以将其应用到NLP的各个任务中了。对于NSP任务来说，基于softmax分类。
对于其它任务来说，我们也可以根据BERT的输出信息作出对应的预测。图5展示了BERT在11个不同任务中的模型，它们只需要在BERT的基础上再添加一个输出层便可以完成对特定任务的微调。这些任务类似于我们做过的文科试卷，其中有选择题，简答题等等。
微调的任务包括（a）基于句子对的分类任务：
- MNLI：给定一个前提 (Premise) ，根据这个前提去推断假设 (Hypothesis) 与前提的关系。该任务的关系分为三种，蕴含关系 (Entailment)、矛盾关系 (Contradiction) 以及中立关系 (Neutral)。所以这个问题本质上是一个分类问题，我们需要做的是去发掘前提和假设这两个句子对之间的交互信息。
- QQP：基于Quora，判断 Quora 上的两个问题句是否表示的是一样的意思。
- QNLI：用于判断文本是否包含问题的答案，类似于我们做阅读理解定位问题所在的段落。
- STS-B：预测两个句子的相似性，包括5个级别。
- MRPC：也是判断两个句子是否是等价的。
- RTE：类似于MNLI，但是只是对蕴含关系的二分类判断，而且数据集更小。
- SWAG：从四个句子中选择为可能为前句下文的那个。
（b）基于单个句子的分类任务
- SST-2：电影评价的情感分析。
- CoLA：句子语义判断，是否是可接受的（Acceptable）。
对于GLUE数据集的分类任务（MNLI，QQP，QNLI，SST-B，MRPC，RTE，SST-2，CoLA），BERT的微调方法是根据[CLS]标志生成一组特征向量C，并通过一层全连接进行微调。损失函数根据任务类型自行设计，例如多分类的softmax或者二分类的sigmoid。
SWAG的微调方法与GLUE数据集类似，只不过其输出是四个可能选项的softmax.
c）问答任务
- SQuAD v1.1：给定一个句子（通常是一个问题）和一段描述文本，输出这个问题的答案，类似于做阅读理解的简答题。如图(c)表示的，SQuAD的输入是问题和描述文本的句子对。输出是特征向量，通过在描述文本上接一层激活函数为softmax的全连接来获得输出文本的条件概率，全连接的输出节点个数是语料中Token的个数。
d）命名实体识别
- CoNLL-2003 NER：判断一个句子中的单词是不是Person，Organization，Location，Miscellaneous或者other（无命名实体）。微调CoNLL-2003 NER时将整个句子作为输入，在每个时间片输出一个概率，并通过softmax得到这个Token的实体类别。
BERT算法还有很大的优化空间，例如我们在Transformer中讲的如何让模型有捕捉Token序列关系的能力，而不是简单依靠位置嵌入。BERT的训练在目前的计算资源下很难完成，论文中说BERTlarge的训练需要在64块TPU芯片上训练4天完成，而一块TPU的速度约是目前主流GPU的7-8倍。非常幸运的是谷歌开源了各种语言的模型，免去了我们自己训练的工作。
补充：
1.预训练阶段参数
（1）256个句子作为一个batch,每个句子最多512个token。
（2）迭代100万步。
（3）总共训练样本超过33亿。
（4）迭代40个epochs。
（5）用adam学习率， 1 = 0.9, 2 = 0.999。
（6）学习率头一万步保持固定值，之后线性衰减。
（7）L2衰减，衰减参数为0.01。
（8）drop out设置为0.1。
（9）激活函数用GELU代替RELU。
（10）Bert base版本用了16个TPU，Bert large版本用了64个TPU，训练时间4天完成。
2.微调阶段
微调阶段根据不同任务使用不同网络模型。在微调阶段，大部分模型的超参数跟预训练时差不多，除了batchsize，学习率，epochs。
训练参数：
Batch size: 16, 32
Learning rate (Adam): 5e-5, 3e-5, 2e-5
Number of epochs: 3, 4
3、实验效果
3.1.分类数据集上的表现
3.2.问答数据集上的表现
在问答数据集SQuAD v1.1上的表现，TriviaQA是一个问答数据集。EM的基本算法是比较两个字符串的重合率。F1是综合衡量准确率和召回率的一个指标。
3.3.命名实体识别上的表现
3.4.常识推理上的表现
4 模型简化测试
Blation study就是为了研究模型中所提出的一些结构是否有效而设计的实验。对该模型推广和工程化部署有极大作用。
1.预训练效果测试
NO NSP: 用masked语言模型，没用下一个句子预测方法（next sentence prediction）
LTR&NO NSP: 用从左到右（LTR）语言模型，没有masked语言模型，没用下一个句子预测方法
+BiLSTM: 加入双向LSTM模型做预训练。
2.模型结构的复杂度对结果的影响
L代表网络层数，H代表隐藏层数，A代表self attention head的数量。
3.预训练中training step对结果的影响
4.基于特征的方法对结果的影响
Reference
[1] Devlin J, Chang M W, Lee K, et al. BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding[J]. arXiv preprint arXiv:1810.04805, 2018.
[2] Vaswani A, Shazeer N, Parmar N, et al. Attention is all you need [C]//Advances in Neural Information Processing Systems. 2017: 5998-6008.
[3] Wilson L Taylor. 1953. cloze procedure: A new tool for measuring readability. Journalism Bulletin, 30(4):415–433.
[4] Alec Radford, Karthik Narasimhan, Tim Salimans, and Ilya Sutskever. 2018. Improving language understanding with unsupervised learning. Technical report, OpenAI.
[5] Matthew Peters, Waleed Ammar, Chandra Bhagavatula, and Russell Power. 2017. Semi-supervised sequence tagging with bidirectional language models. In ACL.
[6] Yonghui Wu, Mike Schuster, Zhifeng Chen, Quoc V Le, Mohammad Norouzi, Wolfgang Macherey, Maxim Krikun, Yuan Cao, Qin Gao, Klaus Macherey, et al. 2016. Google’s neural machine translation system: Bridging the gap between human and machine translation. arXiv:1609.08144.
[7] Wilson L Taylor. 1953. cloze procedure: A new tool for measuring readability. Journalism Bulletin, 30(4):415–433.