关系抽取（分类）总结【转载】

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关系抽取(分类)总结

文章目录

1. 基本介绍
2. Fully Supervised Learning
   1. 相关文献
   2. 总结1
3. Distant Supervised Learning
   1. 相关文献
   2. 总结2
4. 附

2018.04.04更新：z增加对NYT+Freebase数据集的两个版本的说明

对近几年(到2017)一些关系抽取/分类(Relation Extraction)的部分文献的一个简单总结。

基本介绍

基本定义

• 关系抽取: 从一个句子中判断两个entity是否有关系，一般是一个二分类问题，指定某种关系
• 关系分类: 一般是判断一个句子中 两个entity是哪种关系，属于多分类问题。

常用数据集

• ACE 2005: 599 docs. 7 types;
• SemiEval 2010 Task8 Dataset:
  • 19 types
  • train data: 8000
  • test data: 2717
• NYT+FreeBase 通过Distant Supervised method 提取，里面会有噪音数据:
  • 53 types
  • train data: 522611 sentences; 需要注意的是，这里面有近80%的句子的标签为NA
  • test data: 172448 sentences;

下面以学习方法的不同来对这些文章进行分类：

• Fully Supervised Learning
• Distant Supervised Learning
• Joint Learning with entity and relation
• Tree Based Methods

其中Fully Supervised 一般评测使用label完全准确的SemEval 2010 Task 8 数据集。 Distant Supervised 使用NYT+FreeBase数据集。 SemEval 2010 Task 8 训练数据样例:

1 2 3

The microphone converts sound into an electrical signal . Cause-Effect(e1,e2) Comment:

其中第一行为sentence，第二行为两个entity的relation，第三行为备注。 NYT + FreeBase 训练数据集:

1	m .0ccvx m .05gf08 queens belle_harbor /location/location/contains .....officials yesterday to reopen their investigation into the fatal crash of a passenger jet in belle_harbor , queens...... ###END###

一共6列，前两列为两个entity的Freebase mid, 第三四列为两个entity在句子中的string。第五列为relation，最后一列为sentence（有省略），以###END###结尾

这两个数据集相对来说用的最广泛。关于Distant Supervision的NYT+Freebase数据集有两个版本，会在文末说明。 此外关于Joint Learning with entity and relation和Linguistics(NER, POS Tagging, Dependency Tree) Methods 部分暂时还没有关注，仅仅列在这里。

Fully Supervised Learning

相关文献

这一部分基本是在SemEval 2010 Task 8 数据集上做关系分类的工作，是一个完全监督的任务。

1. Simple CNN Model (Liu 2013)

Liu,(2013). Convolution neural network for relation extraction. 8347 LNAI(PART 2), 231–242.

基本介绍 这篇文章应该是第一次使用CNN来做关系分类任务的，使用的CNN结构也十分简单，甚至没有Pooling层，输入层也没有用word embedding, 而是对synonym的embedding表示作为输入。 具体的输入层的结构如下:

具体步骤如下:

• 首先构建synonym list，使用Wordnet数据集，来找那些词属于同义词，相当于利用同义词关系，聚成若干类，当然有可能会有某个词没有同义词，那他自己就是一个类别

• 假设Synonym list 一共有DsDs个类别，每个词都属于其中一类，这样就可以来对词做one-hot表示了, 如上图所示:

• 使用一个Look-Up Table 转换为一个低维vector

输入层之后是卷积网络+一个普通的全连接层以及softmax分类，如下:

实验

数据集： ACE 2005数据集 这里需要说明的是， 这篇文章除了使用前面说的Synonym的特征之外，还用了该数据集提供的entity type/subtype 以及后续做了POS tagger 的特征，都是先使用one-hot表示，然后用LookUP Table 再转换为低维向量，然后所有的feature vector concat成最终的向量，作为CNN层的输入。 在大类Type上的实验结果，相对于几个Basedline 提升还是比较明显的：

总结

优点:

• 引入CNN 结构来做关系抽取，虽然本质上属于文本分类，但是属于一次尝试，效果还可以。
• 使用Synonym Embedding作为词的特征，这一点后续一部分工作也在使用，相当于引入额外的信息。

缺点:

• CNN的结构比较简单, 没有Pooling层，可能受噪音比较明显，因为一个句子里面影响两个词的relation的可能只有几个词，一些可能会产生噪音。
• 仍然使用了一些Linguistic Feature比如POS Tagger, NER 等，并没有完全做到end-to-end的关系抽取
• 使用Synonym Embedding(随机初始化的LookUp Table) 可以引入一部分额外信息，但是却完全忽略了word embedding的语义信息，这一块在后续工作中都会加入pre-train的word embedding.

2. CNN with Max Pooling and word embedding(Zeng 2014)

Zeng, . (2014). Relation Classification via Convolutional Deep Neural Network. Coling, 2335–2344

这篇是中科院刘康老师的一篇文章，这篇文章使用了比较经典的CNN的结构，包含了Pooling层，以及设计了Position Features，后面会具体介绍。 先看整体架构:

• 第一步同样是Embedding Layer, 这篇文章用了Pre-Train的词向量，而不是像上一篇的随机初始化，不过用的并不是word2vec，而是(Turian 2010ACL Word representations: a simple and general method for semi-supervised learning.)提供的word embedding.
• 之后文中设计了两种Features: Lexical Level Feature 就是词法级别，以及sentence-level(CNN) 级别的特征，后面详细介绍。
• 将两种Feature 直接 concat 输入到一个全连接层+Softmax 来对关系做分类

先介绍相对简单的Lexical-Feature，一共有5部分:

• L1: entity1
• L2: entity2
• L3: entity1的左右两个tokens
• L4: entity2的左右两个tokens
• L5: WordNet中两个entity的上位词

举个例子，比如说:

The [haft] of the [axe] is made of yew wood.

• L1: entity1: haft
• L2: entity2: axe
• L3: entity1’s context: the, of
• L4: entity2’s context: the, is
• L5: 在wordNet中找到两个entity的上位词。上位词就是包含关系，比如parrot这个词的上位词就是bird. 这种包含关系其实类似于指明了实体的类型特征。

这5个特征都是lexical-level的，之后在使用它们的word embedding串联起来 作为最后的lexical-feature.

下面介绍使用CNN的sentence-level feature, 跟其他文章中使用CNN对句子建模的结构很类似, 先直接放框架图:

在输入层每个word 有两种特征:

• WF(word feature): 很简单就是词向量 word embedding
• PF(position feature): 位置特征， 每个word与两个entity的相对距离，举个例子如下 这个单词距离entity1 为2，距离entity2 为-4:这样每个word 就有了两个位置特征[d1,d2]，这两个特征也需要再额外使用Lookup-Table 做Embedding，投影成低维向量，也就是每个相对距离，都对应到一个低维实数向量。 这个Position Feature 的引入其实是突出了两个entity的作用，实验证明PF对效果的提升很明显。

这样每个word的feature维度为: dw+dp∗2dw+dp∗2，其中dwdw 为word embedding的维度，dpdp为 position embedding的维度。

介绍完输入之后，接下来就是卷积操作，这里不多介绍。与上一篇不一样的地方是，这里在卷积之后使用了Max Pooling操作，这样可以提取每一个卷积核的最有用的特征，在之后又接了一个全连接层最终得到了sentence-level feature。有一点需要说明的是，MAXPooling直接对卷积操作之后的向量进行的，并没有经过激活函数。

最终将上面的lexical-feature 与 sentence-level feature 直接串起来，作为整个句子的特征去做分类，如结构图中所示，加一个全连接层和softmax 即可。

模型需要学习参数有: - word embedding - position embedding - 卷积核权重矩阵 - sentence-level 最后的全连接层参数矩阵 - 用于softmax的全连接层参数矩阵

实验

数据集: 使用SemEval 2010 Task 8 Dataset，考虑方向共19种关系。 整体的实验结果如下:

从结果看，没有使用linguistic的一些特征，基本end-to-end, 取得了state-of-art的效果。 再看看单独特征的影响:

可以看出来，L5(word net)和PF两个特征比较关键。

总结

优点:

• 使用Pooling 操作，提取了每一个卷积核对应的最优特征
• 引入Position Feature: 相当于在一定程度上引入了位置信息，因为CNN更多是局部N-Gram特征; PF突出了entity的影响，包括后续的PieceWise Max Pooling，同样也是对entity与其他词分开考虑。

缺点:

• 虽然使用了多个卷积核，但是仅仅使用同一个window-size, 提取特征比较单一。
• 结构还是相对简单，更多的是类似于CNN 文本分类的结构。 而且还是加入了人为构造的Lexical Feature。

有一点疑问的是 Lexical中的两个entity 的embedding 其实也属于对entity的强调，作用跟Position Feature 感觉有点类似，都是为了突出是对句子中的那两个词做关系分类，或者说都是为了强调距离target entity 越近，影响越大。但是PF的效果要比L1-L4好。

3. CNN with multi-sized window kernels(Nguyen 2015)

Nguyen, (2015). Relation Extraction: Perspective from Convolutional Neural Networks.

这一篇文章，在去年zeng的基础上加入了多尺寸卷积核，这样可以提取更多的N-Gram特征；同时完全不再使用zeng的lexical-level feature，完全使用sentence的特征，完整的结构如下:

从结构可以看出来，基本与上一篇zeng的sentence-level 部分的CNN很类似，不同的地方有： - 卷积阶段使用多个尺寸的卷积核 - 卷积之后使用了激活函数

实验

数据集：文中使用了ACE 2005 和 SemEval2010 Task 8 两个数据集。 对ACE 2005数据集，做了窗口尺寸不同以及word embedding是否固定的实验分析，结果如下:

从实验结果F1-Score值可以看出来，多窗口尺寸的确有效果提升，而且最好的效果则是在word embedding 不固定，需要参与训练的情况下，卷积核窗口为2,3,4,5。

在SemEval2010 数据集的结果达到了state-of-art，比zeng的效果好0.1% 但是是不加任何的lexical-feature的情况下:

总结

这篇文章改进相对较少， 不过完全不再使用lexical-feature，起到了不错的效果。 优点:

• 使用多个卷积核，提取文本中更多的卷积特征
• 完全不再使用词法特征，包括wordnet, 词的上下文等。

缺点:

• 仅仅使用CNN的传统结构，因此效果提升不是特别明显

4. CNN with Rank Loss(Santos 2015)

Santos(2015). Classifying Relations by Ranking with Convolutional Neural Networks. ACL

这篇文章同样是在Zeng 2014的CNN基础上做的改进，最大的变化是损失函数，不再使用softmax+cross-entropy的方式，而是margin based的ranking-loss。下面介绍一下细节。 先看整体架构，跟之前的区别很小:

• 输入层: 利用word embedding + position embedding,同zeng 2014
• 卷积层: 固定尺寸的卷积核(window-size=3)
• Pooling层: 直接Max Pooling得到 rxrx
• 全连接层: 得到每个类别的score，其中WclassesWclasses的每一列可以看成 label 的embedding。因此某个label为c的score即为: sθ(x)c=rTx[W]csθ(x)c=rxT[W]c

图中pooling之后得到的rxrx 即作为sentence representation。这一部分跟之前的工作都一样，下面开始引入了margin-based ranking loss, 先看loss function:

在训练过程中的输入有三部分: 当前的句子 x , 该sen的正确标签y+y+, 以及采样得到的错误的标签c−c−。m+,m−m+,m− 对应两个大于0的margin, γγ起到了一个缩放的作用。 这样最小化LL就要求正样本对应的label得分sθ(x)y+sθ(x)y+越大越好，负样本对应的得分sθ(x)c−sθ(x)c−越小越好。同时margin的存在使得模型尽可能让正样本的得分大于m+m+ ， 以及负样本的得分小于−m−−m−。这样可以讲正负样本分的更加清楚。

几个Tips:

• 负样本的选择上， 并不是随机选择一个负标签，而是选择score最大的那个负标签，这样可以更好地将比较类似的两种label分开。
• 关于NA label的特殊处理，NA表示两个entity没有任何关系，属于噪音数据，因此如果将这个噪音类别与其他有意义的类别同等看待的话，会影响模型的性能. 因此文中对NA类做了特殊处理。在train的时候，不再考虑NA这一类别， 对于NA的训练数据，直接让(1)式的第一部分为0即可。 在predict的部分， 如果其他类别的score都是负数，那么就分类为NA。实验证明这个效果对整体的performance有提升。

实验

数据集: SemEval2010 Task 8 首先看主要实验结果, 再不使用任何lexical-feature的情况下，达到了start-of-art的效果, F1-Score: 84.1%:

再看三组对比实验: - 损失函数: Ranking Loss 以及 Softmax-Entropy.上面的CNN+Softmax 是文中复现的Zeng 2014的代码，比原文中要好，可能原因是本文使用了300维的word embedding， 而Zeng使用50维. 从前两行可以看出来，使用Ranking的损失函数，Precision, Recall, F1 都有提升。 - 对NA关系的特殊处理的效果:

从结果中可以看出来，训练过程中不考虑NA的话，整体的performance有提升。 但是对于NA这一个单独的类的Precision有所下降，也就是说有更多的其他的类分到了NA，导致P降低，不过反过来看其他类的P,R,F1的值都提高了，说明增加的这部分分到NA类的那些case即使在考虑NA的情况下，也是Bad Case.

• 使用两个entity之间的word embedding 来代替position feature:

  其中Full sentence 表示 使用完整的句子， Word Position表示使用Zeng 2014提出的Positon Embedding。从第一列和第四列的对比可以看出来，在使用Full Sentence的情况下，Postion 的作用很明显，可以差出10%。不过从第二列，第三列对比可以看出来，如果仅仅使用两个entity之间的words，position的影响就会小很多，因为这种情况下，就可以一定程度上指代两个entity的位置。有一个比较有趣的现象，第三列仅仅使用两个entity之间的word, 就可以达到82.8%的F1，已经可以跟Zeng2014 中，使用各种lexical-feature+position feature达到相同的效果。可能的原因是长文本的噪音比较大。

总结

这篇文章相对Zeng 2014的文章，改进的地方或者一些尝试很值得思考。而且效果很不错，很多地方可以借鉴，尤其ranking loss这一块。

优点:

• 使用Ranking loss，效果提升2%多，而且在没有使用lexical-feature以及单窗口尺寸的情况下。 有提升的原因可能是使用ranking loss可以更容易区分开一些易于分错的类别，而softmax却没有这样的功能，只可以增强正确类别的概率。
• 使用仅仅两个entity之间的words 可以在一定程度来替代position的作用，而且实现更简单。

缺点:

• 同样仍然在简单CNN的基础上做的修改. 后续相关文章加了各种attention.

5. RNN (Zhang 2015)

Zhang (2015). Relation classification via recurrent neural network.

这篇文章不再使用CNN作为基本结构，而是开始尝试RNN，可以达到Zeng 2014 的效果，基本结构如下:

大部分结构相同，有以下几点改进:

• 使用双向RNN来处理，捕获更多的信息。
• 使用更加简单的Position Indicators(简称PI)，而非Zeng 2014的Position Feature. PI很简单，直接使用标签来表示两个entity的位置. 比如在数据中例子: “ people have been mov- ing back into downtown ” 这样就将 , <\e1>, , <\e2> 作为四个Indicators. 在训练的时候，直接将这四个标签作为普通的word即可，无需特殊处理. 通过这样的方式来突出两个entity.

实验

数据集: SemEval 2010 Task 8 首先是一个简单的特征对比实验:

可以看出来PI这个特征也可以取得不错的效果。 下面是模型对比实验:

可以看出来，再不使用任何Lexical-Feature的情况下， RNN + PI 与使用多窗口的Zguyen 2015 以及使用 WordNet信息的Zeng 2014达到类似的效果。此外从这几篇文章实验可以看出来，word embedding的size也可以很明显提高F值。

总结

这篇属于使用RNN的尝试，效果与CNN类似。 文中后续还有一些小实验，来说明对长文本建模的时候，RNN的记忆优势就可以体现出来。SemEval 2010 Task 8数据集的句子长度都比较小，因此使用CNN便可以很好的建模。

6. BiLSTM Attention (Zhou 2016)

Zhou. (2016). Attention-Based Bidirectional Long Short-Term Memory Networks for Relation Classification. ACL

这篇文章同样是基于RNN对句子建模，在上一篇RNN的基础上做了一点改进，使用标准的的Attention + BiLSTM，效果与Ranking Loss 类似 84%，基本结构:

主要介绍一下Attention Layer, 其实就是一个对LSTM的每一个step的输出做一个加权的过程，而非仅仅只取最后一个step. 设 H=[h1,h2,h3,..hT]H=[h1,h2,h3,..hT] 为BiLSTM的所有step的输出矩阵，T为句子长度. 然后经过下面的操作来计算每个step的权重:

这样αα 就是weight vector, rr 就是最终的Attention-BiLSTM的输出，也即sentence的embedding, 之后使用了softmax来分类，损失函数使用对数似然。

实验

数据集: SemEval 2010 Task 8 dataset 结果:

在没有使用词法/语法特征的情况下，达到84%的F1 Score，使用Attention 可以起到作用，能够减弱句子中的噪音词语影响，增强关键词的影响。

总结

Attention + BiLSTM 作为NLP Task的标配，在Relation Classification上也取得了不错的效果。文中不足是仅仅使用标准的Attention+LSTM直接简单用到这个Task， 创新点几乎没有，并没有针对关系分类这个任务的改进。

7. Multi-Level Attention CNN (Wang 2016)

Wang. (2016). Relation Classification via Multi-Level Attention CNNs. ACL

这一篇仍然是基于CNN来做的，按照文中实验效果，这一篇目前是最高的F1：88%。设计了相对复杂的两层Attention机制来尽可能突出句子中哪些部分对relation label有更大的贡献。使用了word similarity来定义句子中word与target entity的相似度，从而根据相似度来引入权重，这是第一层的Attention. 第二层Attention则是对卷积之后Pooling阶段，采用Attention Pooling 而不是Max Pooling. 通过这些操作来减弱噪音，加强相关性强的词的权重。此外也改进了前面Santos提出的Ranking Loss. 下面对文中详细介绍.

首先是Input Layer, 同Zeng 2014, 特征仍然是 word embedding + position embedding. 当然word embedding使用的word2vec 进行 pre-train的。因此当前每个词表示为:

其中wdiwid为word embedding, 两个wpiwip是Position Embedding。在之后，将trigram信息融合进去，设置一个滑动窗口k，以每个word 为中心，左右k/2个词作为上下文，然后直接串起来，这样每个词的embedding size变为:(dw+2dp)∗k(dw+2dp)∗k，如下:

这里需要额外说一句，其实这个n-gram过程现在完成，然后卷积的时候，卷积核的size设置为1就可以了。或者现在不做，卷积核设置为k，可以达到同样的效果。但是后面有Attention，因此在这篇文章中，先做了n-gram。 输入层到这里为止，与其他文章完全一样。 下面就是加入 Input Attention 过程。 首先引入两个对角矩阵A1,A2A1,A2 对应每个句子的两个entity. 然后使用word embedding的向量内积运算来衡量某个词wiwi 与 entity ej,j=1,2ej,j=1,2的相关性，这样对角矩阵A的元素就是: Aji,i=f(ej,wi)Ai,ij=f(ej,wi)，其中f就内积运算。最后使用softamx归一化，来定义Attention的权重:

额外补充一句，这里的两个对角矩阵完全可以用两个向量来表示。

每个词都有对两个entity的权重:α1,α2α1,α2. 这样把权重融合到已经得到的zizi中。融合的方法文中给了三个:

• average: ri=ziα1i+α2i2ri=ziαi1+αi22，这种方式直接简单，不过从经验感觉，直接求和比平均要好。
• concat: ri=[(ziα1i)T,(zi,α2i)T]Tri=[(ziαi1)T,(zi,αi2)T]T 这种方式理论上保留的信息量最大。
• substract: ri=ziα1i−α2i2ri=ziαi1−αi22 这种方式其实有点类似于TranE，将relation视为两个权重的差。

这样整个句子表示为: R=[r1,r2,...,rn]R=[r1,r2,...,rn], 至此包含第一层的Attention的Input Layer 完成.

之后是卷积层，这里跟其他文章中卷积相同:

其中 WfWf是卷积核，size为dc×k(dw+2dp)dc×k(dw+2dp), 前面已经说过了，由于已经在input处做过了tri-gram操作，这里的dcdc一般为1.

后面是第二层Attention Based Pooling; 大部分文章直接使用Max Pooling来处理，这样可能会有一些过于简单，有时候并不能抽出跟后续的relation labels 更相关的部分，这也是这篇文章提出Attention Based Pooling的动机。 定义一个关联矩阵表示卷积之后的结果R∗R∗的每一个元素与relation labels的相关性，如下:

其中U是Attention中的权重矩阵，WLWL 表示relation labels的embedding，跟word/position embedding一样，需要在训练过程更新。这样的G就是一个相关矩阵，每一个元素Gi,jGi,j就表示R∗R∗的第i个元素与第j个label的相关性。然后在对G做列归一化:

有了Attention Pooling矩阵，在做max pooling：

这样得到的输出直接与relation embedding 最相关，wOwO也是模型最后的输出。完整的结构如下, 看起来很复杂，但是每一部分其实都比较简单:

最后介绍模型改进的损失函数，根据Santos 2015提出的Ranking Loss, 这篇文章同样使用margin based ranking loss function. 一般的margin function都需要定义一个distance/score function, 从而来区分正负样例. 在santos文中，直接使用了网络最后的输出score。这篇文章利用relation embedding WLyWyL, 定义了如下的score distance function:

来衡量模型的输出wOwO与正确label对应的vector WLyWyL的相关度，然后就是margin function:

这里直接设置了1为margin，y−y−是错误标签，最后用SGD等方法去优化。

实验

数据集同样是: SemEval 2010 Task 8 先看主体实验结果, 最好的达到了88%，比BaseLine 提升非常大:

其中仅仅使用Input-Attention可以达到87.5%的效果， 再加上Pooling Attention的效果则达到了88%。从这里可以看出了第一层Attention的作用要更加重要。第二层Pooling复杂度提升很多，performance提升很少。

再看几个对比辅助实验:

• Input Attention的三种融合方式, 结果如下:

• 去掉Pooling Attention, 去掉所有的Attention, 不使用自定义的distance function, 三种结果如下:这个结果也可以看出来，第一层的Input Attention 作用很明显。 其中最后一行去掉Attention, 去掉distance function 基本跟Santos 2015那篇文章相同，因此效果也类似。

总结

优点:

• 两层Attention: 在文章中的两处Attention 均是基于embedding 的内积来运算的。 其中Input Attention 很直观，利用embedding的内积来衡量相关。
• Distance Function：从margin based ranking loss 出发，类似TransE等模型，使用embedding的逼近来作为距离函数。

缺点:

• Input Layer的attention 使用word 与 entity的 embedding similarity 来作为attention的权重，这里有些问题。比如“ caused by ” 这里的 caused 很关键，但是与e1, e2的相似度应该比较小。而且不同的词在不同的relation中的重要程度是不一样的。使用统一的embedding 可能会有噪音影响。在一个可能原因是Out Of Vocab 的词语也会降低performance。
• 结构复杂 复杂度高，收敛困难，尤其是第二个Attention

8. Attention CNNs (Zhu 2017)

Zhu, (2017). Relation Classification via Target-Concentrated Attention CNNs. ICONIP

这篇文章基本上是以上一篇为模板，稍微改动了一些， 动机则是每个词在不同的relation有不同的权重Attention 矩阵。 几点不同:

• Input Layer 引入一个权重矩阵MM，直接计算word 与 relation的相关度， 而不是计算word 与 entity的相关性:

• 去掉了Pool Attention 部分，直接max pooling

• 目标函数: 没有使用上一篇的自定义的距离函数，而是直接使用类似Santos 2015的那种向量内积计算score的方式. 最终仍然使用ranking loss

实验结果, 并没有对比88%的结果:

这篇文章在Input Layer的Attention的改进比较符合直观。 在没有使用二级Attention 以及改进的损失函数的情况下， 可以达到87.5%，相对于上一篇的86.1%还是有提升。不过整体来看，文章的创新点比较少。

总结1

目前从论文结果来看，在SemEval 2010 Task 8 数据集上最高的F1-Score为88%，不过貌似还未有人可以复现。 总结一下已有的模型:

• word embedding + position embedding 成为输入层的标配。
• 损失函数Ranking Loss 比 softmax 效果好。
• Attention的作用明显。
  • Input Layer加入Attention给每个word赋予weight，可以是word 与 relation的相关性，也可以是word 与 entity的相关性.
  • RNN/LSTM的所有step 的输出加一个Attention，本质也属于每个word与relation的相关性。

可能改进的方向: 单纯从神经网络的结构出发，改进的余地很小了，因为这个数据集很封闭， 可以利用的信息仅仅是这些sentence 以及 标注的word entity。 在上述的基础上可能可以考虑的方向，从两个target word与relation的关系上加约束。

Distant Supervised Learning

上一章的全监督方法都是在完全正确的标注数据集上来做的，因此数据量很小，SemEval 2010 一共是10000左右条文本。因此开始考虑研究如何在大数据集上做关系抽取。2010年提出Distant Supervision可以自动标注训练样本，原理很简单。利用知识图谱中的两个entity以及对应的某个relation，在corpus中进行回标，如果某个句子中同时包含了两个entity，那么就假定这个句子包含了上述的relation. 这样就可以获得大量的标注数据。当然缺陷就是假设太强，会引入了很多噪音数据， 因为包含两个entity的句子不一定可以刻画对应的relation，如下, 对于NYT 语料中的第一个句子的确描述了 Founder的关系，但是第二句就不是这个关系，因此属于噪音:

在2011年提出了Multi Instance Learning的方法来改进原始的Distance supervision的方法，有一个At-Least-One 的前提: 包含两个entity的所有句子中，至少有一个句子可以体现relation，即至少有一个标注正确的句子。通过结合FreeBase 对NYT语料做Entity Linking，Relation Aligning等操作进行标注， 最终得到一个被广泛使用的关系抽取数据集, 在开始已经描述过详情。正如前面声明，这里面会有噪音数据。 因此在这一系列的文章中，都会针对该噪音问题做一些工作，其中大部分基于Multi Instance来做。简单引用介绍Multi Instance Learning:

多示例学习可以被描述为：假设训练数据集中的每个数据是一个包(Bag)，每个包都是一个示例(instance)的集合,每个包都有一个训练标记，而包中的示例是没有标记的；如果包中至少存在一个正标记的示例，则包被赋予正标记；而对于一个有负标记的包，其中所有的示例均为负标记。（这里说包中的示例没有标记，而后面又说包中至少存在一个正标记的示例时包为正标记包，是相对训练而言的，也就是说训练的时候是没有给示例标记的，只是给了包的标记，但是示例的标记是确实存在的，存在正负示例来判断正负类别）。通过定义可以看出，与监督学习相比，多示例学习数据集中的样本示例的标记是未知的，而监督学习的训练样本集中，每个示例都有一个一已知的标记；与非监督学习相比，多示例学习仅仅只有包的标记是已知的，而非监督学习样本所有示例均没有标记。但是多示例学习有个特点就是它广泛存在真实的世界中，潜在的应用前景非常大。 from http://blog.csdn.net/tkingreturn/article/details/39959931

从这个介绍中可以看出来在Multi Instance Learning很适合用在NYT+FreeBase数据集上。

相关文献

1.Piecewise Convolutional Neural Networks

Zeng (2015). Distant Supervision for Relation Extraction via Piecewise Convolutional Neural Networks. EMNLP

这一篇工作是在Zeng 2014基础上的扩展，从Fully Supervised 到Distant Supervised. 动机

• Distant supervised 会产生有大量噪音或者被错误标注的数据，直接使用supervised的方法进行关系分类，效果很差。
• 原始方法大都是基于词法、句法特征来处理， 无法自动提取特征。而且句法树等特征在句子长度边长的话，正确率很显著下降。

因此文中使用Multi Instance Learning的at least one假设来解决第一个问题； 在Zeng 2014 的CNN基础上修改了Pooling的方式，解决第二个问题。 先介绍改进的CNN: Piece Wise CNN(PCNN). 总体结构如下, 与Zeng 2014 很类似:

输入仍然是一个sentence，Input Layer依然是word embedding + position embedding, 后面接卷积操作。 之后的Pooling层并没有直接使用全局的Max Pooling, 而是局部的max pooling. 文中把一个句子分为三部分，以两个entity为边界把句子分为三段，然后卷积之后对每一段取max pooling, 这样可以得到三个值，相比传统的max-pooling 每个卷积核只能得到一个值，这样可以更加充分有效的得到句子特征信息。 假设一共有个N个卷积核，最终pooling之后得到的sentence embedding的size为: 3N3N, 后面再加softmax进行分类，最终得到输出向量oo, 上面的示意图很清晰了，其中的c1,c2,c3是不同卷积核的结果，然后都分为3段进行Pooling。 下面可以减弱错误label问题的Multi-Instance Learning。这里面有一个概念， 数据中包含两个entity的所有句子称为一个Bag。先做几个定义:

• M=M1,M2,...,MTM=M1,M2,...,MT 表示训练数据中的T个bags，每个bags都有一个relation标签.
• Mi=m1i,m2i,...,mqiiMi=mi1,mi2,...,miqi 表示第i个bag内有qiqi个instance，也就是句子。
• oo 表示给定mimi的网络模型的输出(未经过softmax)，其中oror 表示第rr个relation的score

这样经过softmax 就可以计算每一个类别的概率了

这里需要说明的是，我们的目的得到每个bag的标签，并不关注bag里面instances的。因为每个bag上的label就是两个entity的relation。 而上面的概率是计算的bag里面某一个instance的，所以需要定义基于Bag的损失函数，文中采取的措施是根据At-Least-One的假设，每个Bag都有至少有一个标注正确的句子，这样就可以从每个bag中找一个得分最高的句子来表示整个bag,于是定义如下的目标函数: 假设训练数据为T个bags: <Mi,yi>:

这样到此为止，模型部分完毕，完整的算法如下:

实验

数据集: NYT+FreeBase，过滤掉了样本少的关系，最后使用了26类关系，数据描述如下:

评测: - Held-Out Evaluation: 直接在Test Dataset上进行评估，使用多分类的Precision-Recall Curve（基于不同的分类阈值）来衡量, PR曲线越靠近右上，证明分类效果越好:可以看出来，PCNN + MIL 表现最好，Precision和recall都要优于baseline。 - Manual Evaluation: 考虑到FreeBase 还不够完备，对于分类为False Negatives的数据，有可能是两个entity有关系，但是在FreeBase中并没有收录。 从上图的PR-Curve中也可以看出来，recall相对很小，一部分原因是FN过大，尤其是将NA分为其他的relation。 因此文中对那些将NA分为其他类别，按照概率高低，排序，手工检查Top-K 里面的entity pair是否的确有关系，结果如下:结果显示PCNN取得了最好的效果。 - 辅助对比实验：原始的CNNs， CNNs + Multi Instance, PCNNs, 以及 PCNNs+Multi Instance的结果:可以看出来， 文中提出的两种改进的确都有效果。

总结

这篇文章在NYT + FreeBase 数据集上比较好的效果， 也是第一篇使用CNN+Multi Instance来处理Distant Supervision 的关系抽取。相比与Zeng 2014，将Piecewise Pooling 加入到CNN中，以及将Multi Instance来处理Distance Supervised，从而减弱噪音的影响。当然在MIL中直接取了置信度最高的instance作为bag的，肯定会损失一部分信息，因此后续一些文章在上面做了工作。

2.Selective Attention over Instances (Lin 2016)

Lin (2016). Neural Relation Extraction with Selective Attention over Instances.ACL

这一篇文章在上一篇Zeng 2015的基础上引入了Attention机制。

动机

在Zeng 2015中的MIL部分，每一个bag仅仅取了置信度最高的instance，这样会丢失很多的信息，因此一个bag内可能有很多个positive instance。应用Attention机制可以减弱噪音，加强正样本，因此可以更充分的利用信息。

模型 总体结构:

其中mimi是某一个bag的instance，图中的CNN模块与Zeng 2015 (PCNNs)的结果相同(Embedding Layer->Convolution Layer -> Piecewise Max Pooling Layer) 最终得到每个句子的表示riri。为了能够充分的利用bag内的信息，我们可以对所有instance取加权: s=∑iαixis=∑iαixi 其中αα是权重比例，文中给出了两种定义权重的方法:

• Average: 直接取平均: s=∑1nxis=∑1nxi ，这种将所有instance同等对待的方式还是有缺陷，放大了噪音影响。
• Attention: 目标是增加positive instance的权重，减小noise instance的权重。但是并不知道每个instance的groud truth，但是知道每个bag的label，因此就可以用instance 与 该relation label的相关度大小引入Attention: 如下:其中A为Attention对角矩阵，rr可以认为是该数据的relation标签的embedding向量。 这样eiei就可以一定程度表示句子与标签的相关性。

之后得到了加权的ss就是bag-level的embedding。最后的输出需要注意，并不是直接用一个全连接层+softmax.而是根据向量的相似度计算bag的emebdding 与 每个relation的相似度作为relation的score，比如relation r的score计算方式:or=vrs+bor=vrs+b 这里的b是一个bias，每个relation的score计算完之后，利用softmax来归一化成概率：

在Test阶段不太一样， 前面说了在计算Attention的时候，使用的是训练数据对应的label 的embedding，但是在test的时候，并没有标签。文中的处理方式是: 对每一个relation r 执行下面的操作:

• 计算一个bag里面所有的句子x与r的Attention权重，这一步与训练相同，然后加权求得这个bag的表示ss
• 计算式子10: o=Ms+do=Ms+d, 这里的M就是所有relation的embedding 矩阵。 这样得到了 o 是一个NrNr 维度的向量，NrNr是relation的number。
• 取出o里面的relation rr 对应的值， 作为这个r的预测概率

源码注释如下:

遍历完所有的relation之后， 得到每个relation的概率，取max即可。 这个过程其实相当于一个遍历的过程，复杂度有点高，而且解释性比较差，是一个可以改进的一个地方。

实验

文中首先做了在CNN/PCNN的基础上，如何使用bag内的信息的对比试验，结果如下，其中CNN/PCNN表示没有引入MIL，+ONE表示ZENG2015的取置信度最高的一个，+AVE与+ATT则是文中提出的两个:

可以看出来，Attention的效果最好, 而且+ONE比+AVE要稍微好一些，也很容易理解，+AVE对噪音数据放大了影响。 第二个对比实验则是与传统方法的对比:

最后一组实验则是更进一步验证Attention的作用。 因为在测试数据中，有超过3/4的bags 只有一个句子。 因此文中把拥有多个句子的entity pair 提取出来验证效果，在该子集上使用一下三种设置:

• One: 表示在每个bag里面随机选择一个句子来进行预测
• Two: 表示在每个bag里面随机选择两个句子来进行预测
• All: 使用bag里面所有的句子来进行测试

评价指标使用P@N，结果如下:

从结果可以看出来，ATT的确表现最好。

总结

与上一章全监督一样，Attention的作用很明显，而且用在这里很直观， 对bag内的句子赋予不同的权重，一方面可以过滤噪音，又可以充分利用信息。

不足的地方:

• 正如在future work上所述，还是基于Zeng2014/5的基本框架上做改进，这个数据集句子长度要比SemEval 2010要长很多， 可以考虑用RNNs来测试结果如何。一般情况CNN在短文本效果比较好，RNN在长文本略有优势。
• 上面说的，train过程和test过程不一样，test要更加复杂，复杂度要高很多。

3.Multi-instance Multi-label CNNs (Jiang et al., 2016)

Jiang (2016). Relation Extraction with Multi-instance Multi-label Convolutional Neural Networks. Coling

这篇文章从另一个角度来解决Zeng 2015的问题，并且考虑了实体对的多关系的问题。

动机

• Zeng 2015里面仅仅取置信度最高的instance，丢失信息。
• 在数据集中，有约18.3%的entity pair有多种relation, 其他方法均未考虑。

模型

针对以上的两个问题提出了两个解决方法:

• 对bag内部的所有sentence embeding做instance-max-pooling的操作，具体细节后面介绍
• 对于多标签，使用多个二分类函数来做多标签分类，即： 使用sigmod计算每一个类别的概率, 然后判断该bag是否可能有这种关系。

模型的结构如图:

输入也是一个bag，然后利用CNN/PCNN来计算每个sentence的embedding，之后的融合方式很直接，直接对embedding的每一维度取所有sentence的对应维度的最大值。

其中k表示embedding的某一维度，jj表示bag中的第j个句子。 这样就可以融合所有sentence的信息了。后面加一个全连接层计算每一个类别的score:

之后不再是加softmax多分类了，而是使用sigmod函数计算每个relation的概率，然后超过某个阈值，就认为该relation是准确的:

其中ll就是类别的总数。 文中设计了两种损失函数来做对比, Sigmod Loss Vs Squared Loss：

实验 直接看P-R Curve结果，相比PCNN提升比较明显:

再看取max的设计的作用，与直接取平均对比, 这里有点需要说明，在这个实验中，取平均要比PCNN效果好，而在上一篇平均效果差， 这说明的是multi label有提升的作用:

最后一个是两种损失函数的对比:

可以看出，二者在不同的区域各自有优势。

总结

仅仅对bags内的sentence的每一维度取了最大值，就可以得到一个很不错的效果， 可以考虑其他稍微复杂一些的融合方式，从而得到更多的信息，Attention仅仅取权重，其实还是属于线性融合。此外这篇文章仍然也是在该CNN/PCNN基础上进行扩展，从这一点来说创新性有些少。 不过文中提出的Multi Label 则是一个新的方向.

4.Memory Network based (Feng 2017)

Feng,(2017). Effective deep memory networks for distant supervised relation extraction. IJCAI

这篇文章使用2014年提出的Memory Network的思想来做关系抽取。

动机

• 不同的word在不同relation下以及对不同的entity pair 重要程度不同，这一点类似于Fully Supervised 中的Multi-Level Attention
• relation之间并不是独立的，会有overlap, 也就是上一篇提出的多标签。本质上是因为标签之间有相互依赖关系，如(A, capital, B) 成立的话， (A, contains, B)也会成立。

对于第一个问题，借鉴了Multi-Level Attention的input layer attention的思路，即根据word 与 entity pair的相似度，来分配权重，但是这里不使用传统的Attention, 而是基于Memory Network的思想，关于Memory Network的细节，这里不介绍，不了解也不影响对文章的理解。 对于第二个问题，文中使用relation-level的attention 来引入relation之间相关度，下面详细介绍

模型

跟前面的文章类似， 本文也是分为两个大模块，sentence representation 以及 relation classification。 首先从input layer 开始，每个word仍然由word embedding + position embedding两部分组成。 在本文中sentence embedding由两部分组成，其中一部分是传统的CNN/PCNN(Zeng 2015) 中得到的输出，这一块不再赘述，与上面文章相同。 另一部分则是考虑了句子中entity的上下文与entity的相关性得到的一个表示，细节如下:

设每个句子表示为S={e1,e2,..,el}S={e1,e2,..,el}，其中ei∈Rd×1,d=dw+2dpei∈Rd×1,d=dw+2dp, ll表示句子长度。 两个entity为eh,eteh,et，这样剩下的部分，也就是上下文，表示成一个矩阵:m={e1,..,eh−1,eh+1,...,et−1,et+1..}∈Rd×(l−2)m={e1,..,eh−1,eh+1,...,et−1,et+1..}∈Rd×(l−2)，文中成为 external memory 矩阵 然后计算mm 的每一行也就是每一个上下文与entity pair的相关度，这里并没有使用向量内积来运算，而是一层神经网络来计算score:

gi=tanh(Wword−ep[mi,eh,et]+bword−ep)gi=tanh(Wword−ep[mi,eh,et]+bword−ep)

其中 [x1,x2][x1,x2]表示向量串联， Wword−ep∈R1×3d,bword−ep∈R1×1Wword−ep∈R1×3d,bword−ep∈R1×1， 再使用softmax来得到权重:

αi=exp(gi)∑exp(gj)αi=exp⁡(gi)∑exp⁡(gj)

最后可以得到一个加权之后的输出向量:x=∑l−2i=1αimix=∑i=1l−2αimi. 在x的基础上，还可以继续上述的过程，只是把entity pair的两个向量，换成xx. 可以重复多次，最终得到一个输出作为sentence的另一部分表示。 将该部分与CNN的输出直接串联作为最终句子的表示。

对于一个bag来说，使用上面的模型可以得到每个句子的表示，之后文中使用两阶段的Attention: - Selective Attention over Instances 与Lin 2016 相同， 对每个bag内的instances取加权平均，计算方法也一样，首先利用Attention矩阵计算instance与每个relation的相关性: zi=xiAvrjzi=xiAvrj, 之后进行softmax计算权重: βi=exp(zi)∑exp(zp)βi=exp⁡(zi)∑exp⁡(zp) ， 最终得到加权的bag表示: Rj=∑βixiRj=∑βixi，其中RjRj是relation-specific的 - Selective Attention over Relations 这一层的Attention是用在relations之间的，用来挖掘relation之间的依赖关系，前一层的Attention得到了k个向量:R={R1,...,Rk}R={R1,...,Rk}，其中k为relation 数量。 计算关系 i 与 j 的相关性如下: hi=RiBRjhi=RiBRj, 之后softmax 计算权重: γi=exp(hi)∑exp(hq)γi=exp⁡(hi)∑exp⁡(hq)， 然后就可以得到融合多relation依赖关系的输出: R∗j=∑ki=1=γiRiRj∗=∑i=1k=γiRi

之后得到R=R∗1,...,R∗kR=R1∗,...,Rk∗，对每一个relation 做一个binary classifier， 逻辑回归的sigmod即可

p(i|M,θ)=11+exp(−oi)p(i|M,θ)=11+exp⁡(−oi)

其中 oi=WiR∗i+bioi=WiRi∗+bi , 最后使用多标签的损失函数，与上一篇相同:

到此模型介绍完毕。

实验

同样用held-out以及P@N 结果如下:

从结果看， 本文的方法比Lin 2016 要好， 毕竟考虑了关系的依赖性，不过提升不是很明显，可能原因是数据问题，relation的overlapping比较少。 再看一组对比实验: 分别是去掉word-attention 以及去掉 relation-attention:

可以看出来，去掉relation之后，下降相对来说比去掉word-level更加明显。

总结 这篇文章虽然以Memory Network 为题，不过可以本质还是用Attention引入相关性。 word-level的动机来自Multi-Level 的那篇文章，计算word与target entity的相关性，并且可以多层，从而挖掘更深层次的关系。relation-level的动机则是考虑到数据中的关系依赖性，使用attention来考虑关系之间的相关性。

这篇文章创新的地方在于引入relation之间的依赖关系。 可能改进的地方有，完全从embedding的角度考虑相关性，抛弃Attention,计算量会少一些。包括word-entity embedding； relation-relation embedding;

5.Multi-Instance With extra Entity Descriptin (Ji 2017)

Ji (2017). Distant Supervision for Relation Extraction with Sentence-Level Attention and Entity Descriptions. AAAI

这篇文章引入了额外的Knowledge Graph 信息: 实体描述(entity Description). 比如NYT 数据集是通过Freebase做entity linking等工具来进行连接出句子中的实体，而其实每个实体在FB都有一段文字描述， 文中认为现在的工作都集中在NYT + Freebase数据本身上，却忽略了该数据集中背后的KG信息，其中就有实体的描述信息。因此本文在之前的工作基础上引入了实体描述信息，加强对实体embedding的学习。此外，在处理Multi Instance Learning方面， 本文同样使用了Sentence-Level Attention的机制，类似Lin 2016.

模型

模型分为三部分: 输入模块，Attention 模块， Entity 描述模块。 输入层，每个句子的每个词由word embedding + position embedding 连接表示，这里与其他模型完全一样，不再赘述。 接着是卷积层与Piecewise Max-Pooling层，到这里与PCNN(Zeng 2014)完全一致，最终得到每个句子的embedding。 下面则是用来解决Multi instance Learning的Attention 模块。 计算bag内的每个Instance 与 relation的相关性，确定权重。具体步骤如下:

• 计算相关性: ωi=WTa(tanh([bi;vrelation]))+baωi=WaT(tanh([bi;vrelation]))+ba 其中[x1,x2][x1,x2]表示concat操作, bibi表示上一个步骤得到每个句子的表示，与Lin 2016 使用随机初始化作为vrelationvrelation的参数不同的是，这里的vrelationvrelation借鉴KG Embedding的Trans模型，即: vrelation=e1−e2vrelation=e1−e2。此外这里使用神经网络计算Attention。
• 归一化: αi=exp(ωi)∑exp(ωj)αi=exp⁡(ωi)∑exp⁡(ωj)
• 加权句子表示，得到bag的表示: b=∑αibib=∑αibi

后面同样加一个softmax层用来做多分类: o=Wsb+bso=Wsb+bs, 归一化: p(ri)=exp(oi)∑exp(oj)p(ri)=exp⁡(oi)∑exp⁡(oj) 到这里为止其实与前面的工作相似度非常高， 仅仅是Attention的一点差异。下面介绍文中引入的Entity Description部分。 其实很简单，步骤如下:

• 使用普通的一层CNN+MaxPooling 对 description 建模得到 描述的 embedding向量，假设didi为第i个实体的description embedding
• 文中提出的一个约束是：尽可能使得前面得到的entity的word embedding 与 这里得到的 entity 的 description embedding 接近，这样的动机很简单，就是将entity的描述信息融入到模型中，这部分的LOSS直接使用二范距离: Le=∑||ei−di||22Le=∑||ei−di||22

最终的目标函数，就是将两个损失函数联合训练:

minL=LA+λLeminL=LA+λLe

其中 LA=∑logP(ri),λLA=∑logP(ri),λ为调节系数。

实验

数据集说明:

• NYT + FreeBase
• 从Freebase 以及 Wikidata中提取出的实体描述

首先看Held-Out 实验结果:

其中实验有: PCNN+MIL 为Zeng 2015的模型， APCNNs为本文提出的不包含实体描述的模型， PCNNs+MIL+D为在zeng 2015的基础上加上实体描述的Loss，APCNNs+D为本文包含描述的模型。 可以看出来加上实体描述的确对效果有提升。此外APCNNs 比 PCNN+MIL要好一些，说明Attention要比取置信度最高的instance要好。

再看manual实验，就是找出那些标签为NA但是预测非NA的数据， 人工检查，检查是否两个entity的确有预测的relation，使用准确率Accuracy来衡量，结果如下,这里的top是指按照预测为某relation的概率大小排序:

总结

这篇文章的贡献主要在从KG中引入额外的实体描述信息，加强embedding的学习。 不过两部分的融合有点简单暴力，本质上相当于在原来的基础上加了一个范式约束而已，或者说一个先验的惩罚项, 这种方式提供了一个比较好的思路, 扩展性很强.

总结2

general的总结:

• 输入层: 基本word embedding + position emebdding
• Sentence Embedding: 基本使用CNN/PCNN
• Multi Instance Learning: 基本使用Attention 来处理(Attention的选择有待改进)
• Evaluate:
  • Held-out: P-R 曲线
  • Manual: 选择Negative False的标签为NA的数据， 手工检测是否的确为NA

其他Tips:

• Word-Entity的相关度，同一个word在不同的entity pair内有不同的重要性。(Deep Memory Network, Multi-Level Att )
• Word-Relation的相关度，同一个word在不同的relation下有不同的重要性。()
• 多标签分类(MIMLCNN, Memory Network)
• relation之间的依赖性(Memory Network)

附

关系抽取这个方向相对来说比较成熟了, 包括数据集,评测等. 改进的出发点很多; 相对比较容易做的就是从distant supervision下手, 如何减轻噪音数据带来的影响. 此外用一些时髦的东西套过来也可以,比如强化学习(AAAI2018有2篇)

此外正在用Pytorch来复现相关模型, 然而一些经典模型仍然无法复现出结果, 还在调试.

大概原因找到了， 数据集的问题。 在NYT数据集上，常用的有两个版本的数据集(刘康老师组他们在AAAI2018的文章 Large Scaled Relation Extraction with Reinforcement Learning Task 也提到了):

• 27类关系，Zeng2015,Ji2017等用到的经过过滤之后的数据集，相对较小，以SMALL表示。
• 53类关系，Lin2016 发布的数据集，相对较大，训练数据大概是小数据的4倍，以LARGE表示。

根据个人及同学的使用Pytorch复现的实验结果，有下面经验结论（可能有误差):

• PCNN+ATT(Lin 2016) 在SMALL数据集上很难达到在LARGE数据集上的效果，甚至达不到PCNN+ONE(Zeng 2015)的效果, 原因正在探索
• 在LARGE数据集上，复现的模型中， PCNN+ATT可以达到Lin 2016文中的效果，PCNN+ONE在该版本数据集上的表现也比SMALL数据集要好。

鉴于上述的发现，正好也有个很有趣的现象与之对应，使用SMALL数据集的文章貌似没有与PCNN+ATT这一经典模型做对比实验的。另外在刘康老师组的AAAI2018的文中，也是在两个数据集上分开比较的，仅仅在LARGE数据集上与PCNN+ATT模型做了对比。