【笔记4-1】近期论文笔记--基于常识的问答数据集CommonsenseQA

COMMONSENSEQA: A Question Answering Challenge Targeting Commonsense Knowledge （Alon Talmor, Jonathan Herzig, Nicholas Lourie, Jonathan Berant）
论文：https://arxiv.org/pdf/1811.00937.pdf
数据集：www.tau-nlp.org/commonsenseqa
Baseline model：github.com/jonathanherzig/commonsenseqa

（一）论文概述

数据集提出的动机：当人们回答问题时，往往会利用自身了解的知识结合特定的背景。但目前的机器阅读理解集中在回答一些文章内容相关的问题，不需要一般知识背景。于是，为了研究基于先验知识的问答，作者提出了COMMONSENSEQA，一个用于常识性问答的新数据集。

为了获取超出关联之外的常识，作者从CONCEPTNET (Speer et al.， 2017)中提取了与单个源概念具有相同语义关系的多个目标概念。群体工作者被要求写单项选择题，其中包含源概念，并依次区分每个目标概念。这鼓励工作人员创建具有复杂语义的问题，这些问题通常需要先验知识。数据生成过程概括如下图，之后会在第三部分对这一过程进行详细介绍。

通过这个过程，共创建了12247个问题，并用大量的baseline model说明了这一任务的难度。最好的baseline是基于BERT-large的模型 (Devlin et al.， 2018)，获得56%的准确率，远低于人类89%的表现。

该论文的贡献如下:

1. 提出一个新的以常识为中心的QA数据集，包含12247个示例。
2. 提出一种从概念网生成大规模常识性问题的新方法。
3. 在COMMONSENSEQA上对最先进的NLU模型进行的实证评估，结果表明人类的表现远远超过当前的模型。

（二）相关研究

机器常识是关于开放世界的知识和推理能力，被认为是自然语言理解的关键组成部分。尽管有过很多相关研究，但是探究机器的常识理解能力依旧较为困难。
相关研究：

• 寻找能用自然语言解释环境的程序(McCarthy, 1959)
• 利用世界模型加深对语言的理解(Winograd, 1972)
• 常识性表征和推理程序(麦卡锡和海斯，1969;Kowalski和Sergot, 1986)
• 大规模常识知识库(Lenat, 1995;Speer等，2017)
• 要求正确解决指代消解实例对, Winograd Schema Challenge (Levesque, 2011)
• COPA(Choice of Plausible Alternatives)500个开发500个测试问题。问两个选项中哪一个最能反映与前提相关的因果关系 (Roemmele et al.， 2011)
• JHU Ordinal Commonsense Inference要求一个1-5的标签，表示一种情况可能导致另一种情况(Zhang et al.， 2017)
• Story Cloze Test(也称为ROC Stories)将故事真实结尾与难以置信的假结尾进行对比(Mostafazadeh et al.， 2016)
• SWAG 选择对初始事件之后发生的事情的正确描述(Zellers et al.， 2018b)。
• 预先训练的LM在目标任务上微调，在Story Cloze Test和SWAG上实现了非常高的性能(Radford等，2018;Devlin等，2018)

（三）数据集生成

该数据集生成的一个重点是开发一种生成问题的方法，这些问题可以在没有上下文的情况下由人类轻松回答，且需要常识。生成选择题的过程概括如下：

1. 从CONCEPTNET中提取子图，每个子图有一个源概念和三个目标概念。
2. 要求众包工作者为每个子图编写三个问题(每个目标概念一个)，为每个问题添加两个额外的干扰因素，并验证问题的质量。
3. 通过查询搜索引擎和检索web片段为每个问题添加上下文。
   

更具体地说，各个步骤的实现如下：

（1）CONCEPTNET提取过程

CONCEPTNET是一个图形知识库 $G\subseteq C\times R\times C$，其中节点C表示自然语言概念，边R表示常识关系。三元组$(c_1,r,c_2)$包含常识，如（gambler, CapableOf, lose money）CONCEPTNET包含3200万个三元组。为了选择三元组的一个子集进行众包，采取以下步骤：

1. 使用一般关系(例如，RelatedTo)或NLP中已经很好地研究过的关系(例如，IsA)过滤三元组。共使用22种关系。
2. 过滤其中一个概念超过四个单词或不是英语的三元组。
3. 当$c_1,c_2$之间的距离过低时，去掉该三元组。

最终选出来236208个三元组$(q,r,a)$，称第一个概念为问题概念，第二个为答案概念。目标是生成包含问题概念的问题，其答案就是答案概念。

要创建单选题，需要为问题创建干扰项。如果直接从CONCEPTNET中随机抽取作为干扰项，使用简单的表面线索很容易消除这类干扰。为了解决这个问题，创建问题集：对于每个问题概念q和关系r，选择三个不同的三元组$\{(q,r,a_1),(q,r,a_2),(q,r,a_3)\}$即下图中的蓝色部分。

这将生成三个语义相似且与问题概念q有类似关系的回答概念，促使工作人员制定需要概念背景知识才能回答的问题。这个过程生成了大约130,000个三元组(43,000个问题集)，可以为它们生成潜在的问题。

（2）众包问题

使用Amazon Mechanical Turk (AMT)的员工来生成和验证常识问题。AMT工作人员看到的是：每个问题集对应的问题概念和三个回答概念。

他们被要求制定三个问题，所有的问题都包含问题概念，每个问题都应该有且仅有一个答案。不鼓励员工提供简单的答案线索，他们被告知要避免使用与答案概念有密切联系的词，例如，答案是“door”时不要使用“open”这个词。为这一任务制定问题并非易事。因此只接受至少75%的问题通过了验证过程的注解者。

（3）增加额外的干扰项

为了使任务更加困难，为每个问题添加两个额外的错误答案。从与CONCEPTNET中的问题概念具有相同关系的一组回答概念中选择一个干扰因素（下图红色部分）第二个干扰由工作人员自己制定（下图紫色部分）工作人员被鼓励制定一个似乎合理的或与问题相关的干扰因素，但这一干扰很容易被人类认为是不正确的。因此最终每个问题都有五个备选答案，包括一个正确答案和四个干扰项。

（4）验证问题质量

培训一组与前述工人不重合的工人来验证生成的问题。验证者将一个问题标注为无法回答，或者选择正确的答案。每个问题由2名工作人员验证，并且只使用由至少一名正确回答的工作人员验证的问题。这个过程会过滤掉15%的问题。

（5）添加上下文

检查web文本对于解决常识性问题是否有用，用以下方法将文本信息添加到每个问题：发出一个web搜索每一个问题及其候选回答，比如 ‘What does a parent tell their child to do after they’ve played with a lot of toys? +“clean room”’。为五个候选答案中的每一个取前100个结果片段，每个问题产生一个包含500个片段的上下文。在此背景下，可以研究阅读理解(RC)模型在COMMONSENSEQA上的表现。

最终收集的数据概述如下：

（四）数据集分析

CONCEPTNET中的概念和关系

COMMONSENSEQA建立在CONCEPTNET上，包含dog, house, row boat之类的概念，概念之间由Causes,CapableOf,Antonym等关系连接。Person(3.1%) People(2.0%) Human(0.7%) Water(0.5%) Cat(0.5%)是最常见的5个问题概念。下表给出了主要关系以及由此产生的问题的百分比。

题目的形成

提问者被要求创造具有高度语言变异的题目。122个提问者参与问题构造，而超过85%的问题由10名工人提出。下图分析了命题中第一、二词的分布情况。只有44%的第一个单词是wh类单词。在大约5%的问题中，提问者使用名字来创造一个上下文故事，7%使用“如果”来提出一个假设问题。这表明问题语言的高度可变性。

常识技能

为了分析COMMONSENSEQA所需的常识类型，从开发集中抽取100个例子进行分析。每个问题都标注了用于回答问题的常识技能的类型。允许每个问题有多个常识性技能，平均每个问题有1.75个技能。下图提供了三个示例，每个注释包含一个回答概念节点，以及出现在问题或潜在概念中的节点。关系边上的标签表示连接两个节点的常识技能。

基于LoBue和Yates(2011)的分析，定义常识技能，并对数据中的现象进行轻微修改。下表给出了技能类别、定义以及在分析示例中的出现频率。

（五）Baseline model

作者的目标是收集一个常识性问题的数据集，问题对于人类来说很容易，但对于当前的NLU模型来说却很难。为了评估这一点，使用多个基线进行了实验。下表总结了各种基线类型，并根据以下标准分类：(a)是否基于COMMONSENSEQA完成了训练或模型进行了充分的预训练，(b)是否使用了上下文。

• VECSIM：选择与问题余弦相似度最高的答案，其中问题和答案由预先训练的词嵌入的平均值表示。
• LM1B：采用Jozefowicz等人(2016)的大型语言模型(LM)。使用模型的两种变体，在(LM1B-CONCAT)中，将每个答案连接起来。在(LM1B-REP)中，先根据问题的前两个单词对问题聚类。然后识别出覆盖开发集35%的五个高频前缀(如“what is”)。将符合其中一个前缀的问题重新措辞为包含答案的陈述句。如把问题“What is usually next to a door?”和应试者的回答“wall”改写成“Wall is usually next to a door”。不以上述前缀开头的问题按LM1B-CONCAT将答案连接起来。两种情况都以LM概率最大的方式返回答案。
• QABilinear ：使用双线性模型 $qW{a}_i^T$ 对答案 $a_i$ 进行评分，其中q和$a_i$为平均预训练词嵌入量，W为学习参数矩阵。利用候选答案上的softmax层训练具有交叉熵损失的模型。
• QACompare：问题q与候选答案 $a_i$ 之间的交互为 $h=relu([q;a_i;q⨀a_i;q-a_i]W_1+b_1)$。然后，使用前馈层 $h{W}_2+b_2$ 预测答案得分。采用平均预训练词嵌入和softmax对模型进行训练。
• ESIM：一个强大的NLI模型(Chen et al.， 2016)。将输出层的大小改为候选答案的数量，并应用softmax进行交叉熵损失训练。
• BIDAF++：使用检索到的谷歌web作为上下文。在原模型基础上使用自注意力和ELMo。选择概率最高的答案。
• GPT：预训练LM用于执行广泛的任务。将该模型应用到COMMONSENSEQA，将每个问题及其候选答案编码为一系列分隔符分隔的序列。如问题If you needed a lamp to do your work, where would you put it?，应试者的回答bedroom，变为[start] If … ? [sep] bedroom [end]。每个[end]上的隐藏表示通过线性变换转换为logits，通过softmax生成最终答案概率。使用预训练LM和超参数进行微调，batch size=10。
• Bert：使用一个mask语言建模目标，目标是预测未标记文本中mask的单词。将每个问题-答案对线性化为分隔符分隔的序列 “[CLS] If … ? [SEP] bedroom [SEP]” 然后微调预训练bert-large的权重。每个[CLS]的隐藏表示通过softmax层创建预测。

（六）实验结果

各个baseline model的实验结果：

Bert-large的结果分析：

（七）总结

该文章介绍了一个新的QA数据集COMMONSENSEQA，包含12247个示例，旨在测试常识知识。文章描述了使用CONCEPTNET大规模生成困难问题的过程，对数据集进行了详细的分析，说明了数据集的独特性，并在一组强大的baseline model上进行了广泛的评估。最好的模型是针对任务进行调优的预训练LM，精度为55.9%，比人工精度低几十个点。这个数据集有望帮助常识性知识在NLU系统中的集成。