用飞桨做自然语言处理：神经网络语言模型应用实例
允中 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
编者按：
语言模型的身影遍布在NLP研究中的各个角落，想要了解NLP领域，就不能不知道语言模型。
想要让模型能落地奔跑，就需借助深度学习框架之力，Tensorflow、PyTorch自然是主流，但在Dropout都成独家专利之后，不储备“B计划”，多少让人有些担惊受怕
这里有一份飞桨（PaddlePaddle）语言模型应用实例，从基础概念到代码实现，娓娓道来，一一说明。现在，量子位分享转载如下，宜学习，宜收藏。
刚入门深度学习与自然语言处理（NLP）时，在学习了 Goldberg 特别棒的入门书 NN4NLP，斯坦福 cs224n 等等后，也无限次起念头，写个系列吧，但都不了了之了。
近来，NLP 领域因为超大预训练模型，很多研究需要耗费大量计算资源（比如百度新发布持续学习语义理解框架 ERNIE 2.0，该模型在共计 16 个中英文任务上超越了 BERT 和 XLNet，取得了 SOTA 效果），这样的项目基本上就是在烧钱，小家小户玩不起，于是就傻傻地等着大佬们发出论文，放出代码，刷新榜单。不过这也意味着一个总结的好机会，加上额外的推动，便重新起了念头。
这个系列会介绍我认为现代 NLP 最重要的几个主题，同时包括它们的实现与讲解。
这里会使用的百度的开源深度学习平台飞桨（PaddlePaddle），关于这点，有如下几个原因。
首先，不久前和一个科技媒体朋友聊天，因为当时封锁华为事件的原因，聊到了美国企业是否可能对我们封锁深度学习框架，比如说主流的 Tensorflow 和 Pytorch，我当时答是说不定可能呢，毕竟谷歌连 Dropout 都能去申请专利。只要之后改一下许可，不让使用这些框架的更新，估计我们也没办法，于是就想着可以了解一下国内百度的框架飞桨。
去飞桨的 PaddleNLP 看了一下，内容很丰富，感觉飞桨对 NLP 这块支持非常好，值得关注。
项目地址：
https://github.com/PaddlePaddle/models/tree/develop/PaddleNLP
语言模型
现代 NLP 领域的一个核心便是语言模型 （Language Model），可以说它无处不在，一方面它给 NLP 发展带来巨大推动，是多个领域的关键部分，但另一方面，成也萧何败也萧何，语言模型其实也限制了 NLP 发展，比如说在创新性生成式任务上，还有如何用语言模型获得双向信息。
那到底什么是语言模型？
什么是语言模型
就是语言的模型（认真脸），开个玩笑，语言模型通俗点讲其实就是判断一句话是不是人话，正式点讲就是计算一句话的概率，这个概率值表示这个本文有多大概率是一段正常的文本。
对于一句话，比如说用脸滚出来的一句话：“哦他发看和了犯点就看见发”，很明显就不像人话，所以语言模型判断它是人话的概率就小。而一句很常用的话：“好的，谢谢”，语言模型就会给它比较高的概率评分。
用数学的方式来表示，语言模型需要获得这样的概率：
其中 X 表示句子，x1,x2… 代表句子中的词。怎么计算这样一个概率呢，一个比较粗暴的方法就是有个非常非常大的语料库，里面有各种各样的句子，然后我们一个个数，来计算不同句子的概率，但稍微想想就知道这个方法不太可能，因为句子组合无穷无尽。
为更好计算，利用条件概率公式和链式法则，按照从左到右的句序，可以将公式转换成：
题变成了如何求解：
怎么根据前面所有的词预测下一个词，当然这个问题对于现在还有点复杂，之后可以用 RNN 模型来计算，但现在让我们先假设对于一个词离它近的词重要性更大，于是基于马尔可夫性假设，一个词只依赖它前面 n-1 个词，这种情况下的语言模型就被称为 N-gram 语言模型。
比如说基于前面2个词来预测下一个词就是 3-gram (tri-gram) 语言模型：
细心些的话，会发现，当 n-gram 中的 n 增大，就会越接近原始语言模型概率方程。
当然n并不是越大越好，因为一旦n过大，计算序列就会变长，在计算时 n-gram 时词表就会太大，也就会引发所谓的 The Curse of Dimension （维度灾难） 。因此一般大家都将n的大小取在3，4，5附近。
早期实现：数一数就知道了
最早了解类似语言模型计算概率，是在研究生阶段当时号称全校最难的信息论课上，老师强烈安利香农的经典论文 A Mathematical Theory of Communication，论文中有一小节中，他就给利用类似计算上述语言模型概率的方法，生成了一些文本。
其中一个就是用 2-gram (bi-gram) 的频率表来生成的，这已经相当于一个 bi-gram 语言模型了。
同样，要构建这样一个 n-gram 语言模型，最主要工作就是，基于大量文本来统计 n-gram 频率。
当时有个课程作业，就是先准备一些英文文本，然后一个一个数 n-gram，之后除以总数算出语言模型中需要的概率估计值，这种方法叫 Count-based Language Model。
传统 NLP 中搭建语言模型便是这样，当然还有更多技巧，比如平滑算法，具体可以参考 Jurafsky 教授的书和课。
但这种方法会有一个很大的问题，那就是前面提到的维度灾难，而这里要实现的神经网络语言模型（Neural Network Language Model），便是用神经网络构建语言模型，通过学习分布式词表示（即词向量）的方式解决了这个问题。
语言模型能干什么
不过在谈神经网络语言模型前，我们先来看看语言模型的用途。
那它有什么用呢，如之前提到，语言模型可以说是现代 NLP 核心之一，无处不在。比如说词向量，最早算是语言模型的副产品；同时经典的序列到序列（seq2seq） 模型，其中解码器还可以被称为，Conditional Language Model（条件语言模型）；而现在大火的预训练模型，主要任务也都是语言模型。
在实际 NLP 应用中，我认为能总结成以下三条：
第一，给句子打分，排序。先在大量文本上训练，之后就能用获得的语言模型来评估某句话的好坏。这在对一些生成结果进行重排序时非常有用，能很大程度地提高指标，机器翻译中有一个技巧便是结合语言模型 Loss 来重排序生成的候选结果。
第二，用于文本生成。首先其训练方式是根据前面词，生成之后词。于是只要不断重复此过程（自回归）就能生成长文本了。比较有名的例子就包括最近的 GPT2，其标题就叫 “ Better Language Models and Their Implications.” 它生成的句子效果真的非常棒，可以自己体验一番 https://talktotransformer.com/.
第三，作为预训练模型的预训练任务。最近很火的预训练模型，几乎都和语言模型脱不开关系。
比如说 ELMo 就是先训练双向 LSTM 语言模型，之后双向不同层向量拼接获得最后的 ELMo词向量，还有 BERT 里最主要的方法就是 Masked Language Model （遮掩语言模型）。
而最近的 XLNet 中最主要训练任务也叫做 Permutation language Model (排列语言模型)，可见语言模型在其中的重要性重要性。
神经网络语言模型架构
接下来简单介绍一下这里要实现的网络结构，借鉴自 Bengio 的经典论文 A Neural Probabilistic Language Model 中的模型。
这里我们训练 Tri-gram 语言模型，即用前面两个词预测当前词。
于是输入就是两个单词，然后查表取出对应词向量，之后将两个词向量拼接起来，过一个线性层，加入 tanh 激活函数，最后再过线性层输出分数，通过 softmax 将分数转换成对各个词预测的概率，一般取最大概率位置为预测词。
用公式表达整个过程就是:
整个结构非常简单，接下来就来看看如何用 飞桨来实现这个结构吧，同时介绍以下 飞桨的基本思想，和一般训练流程。
项目地址：
https://github.com/PaddlePaddle/models/tree/develop/PaddleNLP/language_model
PaddlePaddle代码基本实现
这里拿一个小例子来解说，假设我们在一个叫做 PaddlePaddle 的世界，这个世界的人们只会说三句话，每句话三个词，我们需要建立一个 Tri-gram 语言模型，来通过一句话前两个词预测下一个词。
关于整个流程，主要分成准备，数据预处理，模型构建，训练，保存，预测几个阶段，这也是一般一个 NLP 任务的基础流程。
准备
首先，先导入需要的库。
import numpy as np import paddle import paddle.fluid as fluidas np
import paddle
import paddle.fluid as fluid
之后准备训练数据与词表，统计所有不同词，建立词表，然后按照顺序建立一个单词到 id 的映射表和配套的 id 到单词映射表。因为模型无法直接读这些词，所以需要单词与 id 之间的转换。
# 假设在这个叫做Paddle的世界里，人们只会说这三句话 sentences = ["我 喜欢 Paddle", "Paddle 等于 飞桨", "我 会 Paddle"] vocab = set(' '.join(sentences).split(' ')) # 统计词表 word2idx = {w: i for i, w in enumerate(word_list)} # 建立单词到id映射表 idx2word = word_list # id到单词的映射表 n_vocab = len(word2idx) # 词表大小
sentences = ["我 喜欢 Paddle", "Paddle 等于 飞桨", "我 会 Paddle"]
vocab = set(' '.join(sentences).split(' ')) # 统计词表
word2idx = {w: i for i, w in enumerate(word_list)} # 建立单词到id映射表
idx2word = word_list # id到单词的映射表
n_vocab = len(word2idx) # 词表大小准备好数据后，设置模型参数和训练相关参数，因为任务很简单，所以参数都设很小。
# 参数设置 # 语言模型参数 n_step = 2 # 输入前面多少个词，tri-gram 所以取 3-1=2 个 n_hidden = 2 # 隐层的单元个数 # 训练参数 n_epochs = 5000 # 训练 epoch 数 word_dim = 2 # 词向量大小 lr = 0.001 # 学习率 use_cuda = False #用不用GPU
# 语言模型参数
n_step = 2 # 输入前面多少个词，tri-gram 所以取 3-1=2 个
n_hidden = 2 # 隐层的单元个数
# 训练参数
n_epochs = 5000 # 训练 epoch 数
word_dim = 2 # 词向量大小
lr = 0.001 # 学习率
use_cuda = False #用不用GPU数据预处理
根据 PaddlePaddle 数据输入要求，需要准备数据读取器 (reader)，之后通过它来读取数据，对输入数据进行一些前处理，最后作为 batch 输出。
def sent_reader(): def reader(): batch = [] for sent in sentences: words = sent.split(' ') input_ids = [word2idx[word] for word in words[:-1]] # 将输入转为id target_id = word2idx[words[-1]] # 目标转为id input = np.eye(n_vocab)[input_ids] # 将输入id转换成one_hot表示 target = np.array([target_id]) batch.append((input, target)) yield batch return reader
def reader():
batch = []
for sent in sentences:
words = sent.split(' ')
input_ids = [word2idx[word] for word in words[:-1]] # 将输入转为id
target_id = word2idx[words[-1]] # 目标转为id
input = np.eye(n_vocab)[input_ids] # 将输入id转换成one_hot表示
target = np.array([target_id])
batch.append((input, target))
yield batch
return reader构建模型
这里从飞桨中较底层 API 来进行构建，理解更透彻。先创建所需参数矩阵，之后按照前面的公式来一步步运算。
def nnlm(one_hots): # 创建所需参数 # 词向量表 L = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_vocab, word_dim], dtype='float32') # 运算所需参数 W1 = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_step*word_dim, n_hidden], dtype='float32') b1 = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_hidden], dtype='float32', is_bias=True) W2 = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_hidden, n_vocab], dtype='float32') b2 = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_vocab], dtype='float32', is_bias=True) # 取出词向量 word_emb = fluid.layers.matmul(one_hots, L) # 两个词向量拼接 input = fluid.layers.reshape(x=word_emb, shape=[-1, n_step*word_dim], inplace=True) # 前向运算 input2hid = fluid.layers.tanh(fluid.layers.matmul(input, W1) + b1) # 输入到隐层 hid2out = fluid.layers.softmax(fluid.layers.matmul(input2hid, W2) + b2) # 隐层到输出 return hid2out
# 创建所需参数
# 词向量表
L = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_vocab, word_dim], dtype='float32')
# 运算所需参数
W1 = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_step*word_dim, n_hidden], dtype='float32')
b1 = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_hidden], dtype='float32', is_bias=True)
W2 = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_hidden, n_vocab], dtype='float32')
b2 = fluid.layers.create_parameter(shape=[n_vocab], dtype='float32', is_bias=True)
# 取出词向量
word_emb = fluid.layers.matmul(one_hots, L)
# 两个词向量拼接
input = fluid.layers.reshape(x=word_emb, shape=[-1, n_step*word_dim], inplace=True)
# 前向运算
input2hid = fluid.layers.tanh(fluid.layers.matmul(input, W1) + b1) # 输入到隐层
hid2out = fluid.layers.softmax(fluid.layers.matmul(input2hid, W2) + b2) # 隐层到输出
return hid2out先根据输入的独热(one-hot)向量，取出对应的词向量，因为每个例子输入前两个词，因此每个例子可获得两个词向量，之后按照步骤，将它们拼接起来，然后与 W1 和 b1 进行运算，过 tanh 非线性，最后再拿结果与 W2 和 b2 进行运算，softmax 输出结果。
接下来构建损失函数，我们用常用的交叉熵(cross-entropy)损失函数，直接调 API。
def ce_loss(softmax, target): cost = fluid.layers.cross_entropy(input=softmax, label=target) # 计算每个batch的损失 avg_cost = fluid.layers.mean(cost) # 平均 return avg_cost
cost = fluid.layers.cross_entropy(input=softmax, label=target) # 计算每个batch的损失
avg_cost = fluid.layers.mean(cost) # 平均
return avg_cost
开始训练
终于进入了训练环节，不过为了更好理解，先稍稍介绍一点 飞桨的设计思想。
飞桨同时为用户提供动态图和静态图两种计算图。动态图组网更加灵活、调试网络便捷，实现AI 想法更快速；静态图部署方便、运行速度快，应用落地更高效。
如果想了解飞桨动态图更多内容，可以参考GitHub项目地址：https://github.com/PaddlePaddle/models/tree/v1.5.1/dygraph
实际应用中，静态图更为常见，下面我们以静态图为例介绍一个完整的实现：
首先，需要先定义 Program，整个 Program 中包括了各种网络定义，操作等等，定义完之后，再创建一个 Executor 来运行 Program，用过类似框架的同学应该并不陌生。
因此先来看看这两行代码，fluid 中最重要的两个 Program，将它们取出来。
startup_program = fluid.default_startup_program() # 默认启动程序 main_program = fluid.default_main_program() # 默认主程序
main_program = fluid.default_main_program() # 默认主程序
default_startup_program 主要定义了输入输出，创建模型参数，还有可学习参数的初始化；而 default_main_program 则是定义了神经网络模型，前向反向，还有优化算法的更新。
之后将之前定义好的一些模块放入训练代码中。
train_reader = sent_reader() # 获取数据 reader # 定义输入和目标数据 input = fluid.layers.data(name='input', shape=[-1, n_step, n_vocab], dtype='float32') target = fluid.layers.data(name='target', shape=[-1, 1], dtype='int64') # 输入到模型，获得 loss softmax = nnlm(input) loss = ce_loss(softmax, target)之后还需要定义优化器（Optimizer），还有数据 Feeder 用于喂入数据。# 配置优化器 optimizer = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=0.001) # 万金油的 Adam optimizer.minimize(loss) # 用于之后预测 prediction = fluid.layers.argmax(softmax, axis=-1) # 定义 Executor place = fluid.CUDAPlace(0) if use_cuda else fluid.CPUPlace() # 指定运行位置 exe = fluid.Executor(place) #定义数据 Feeder feeder = fluid.DataFeeder(feed_list=[input, target], place=place) # 每次喂入input和target至此就完成了第一步的定义环节，然后就可以用定义的 Executor 来执行程序了。# 参数初始化 exe.run(startup_program) # 训练 for epoch in range(n_epochs): for data in train_reader(): metrics = exe.run( main_program, # 主程序 feed=feeder.feed(data), # 数据喂入 fetch_list=[loss]) # 要取出的数据 if epoch % 500 == 0: print("Epoch {}, Cost {:.5f}".format(epoch, step, float(metrics[0][0])))
# 定义输入和目标数据
input = fluid.layers.data(name='input', shape=[-1, n_step, n_vocab], dtype='float32')
target = fluid.layers.data(name='target', shape=[-1, 1], dtype='int64')
# 输入到模型，获得 loss
softmax = nnlm(input)
loss = ce_loss(softmax, target)
之后还需要定义优化器（Optimizer），还有数据 Feeder 用于喂入数据。
# 配置优化器
optimizer = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=0.001) # 万金油的 Adam
optimizer.minimize(loss)
# 用于之后预测
prediction = fluid.layers.argmax(softmax, axis=-1)
# 定义 Executor
place = fluid.CUDAPlace(0) if use_cuda else fluid.CPUPlace() # 指定运行位置
exe = fluid.Executor(place)
#定义数据 Feeder
feeder = fluid.DataFeeder(feed_list=[input, target], place=place) # 每次喂入input和target
至此就完成了第一步的定义环节，然后就可以用定义的 Executor 来执行程序了。
# 参数初始化
exe.run(startup_program)
# 训练
for epoch in range(n_epochs):
for data in train_reader():
metrics = exe.run(
main_program, # 主程序
feed=feeder.feed(data), # 数据喂入
fetch_list=[loss]) # 要取出的数据
if epoch % 500 == 0:
print("Epoch {}, Cost {:.5f}".format(epoch, step, float(metrics[0][0])))
简单解释一下代码，训练时需要exe.run来执行每一步的训练，对于run需要传入主程序，还有输入 Feeder，和需要拿出来(fetch)的输出。
之后运行就能看到训练 log 了。
能明显看到 loss 在不断下降，等训练完成，我们就获得一个训练好的模型。
保存模型
在预测前可以尝试先保存一个模型，可以便于之后使用，比如 load 出来做预测。
fluid.io.save_inference_model('./model', ['input'], [prediction], exe)'input'], [prediction], exe)
很简单，只需要传入保存的路径’./model’，预测需要 feed 的数据’input’，之后需要 fetch 出的预测结果 prediction，最后加上执行器 exe，就 OK 了。
非常快。
预测阶段
预测阶段其实和训练阶段类似，但因为主程序都保存下来了，所以只用先建立执行器 Executor，同时建立一个用于预测的作用域。
infer_exe = fluid.Executor(place) # 预测 Executor inference_scope = fluid.core.Scope() # 预测作用域
inference_scope = fluid.core.Scope() # 预测作用域然后在预测作用域中 load 出模型，进行预测运算，大部分操作都和训练很类似了。唯一不同就是 load 模型这块，其实就是把之前保存下来的参数给 load 出来了，然后用于预测。
with fluid.scope_guard(inference_scope): [inference_program, feed_target_names, fetch_targets] = fluid.io.load_inference_model('./model', infer_exe) # 载入预训练模型 infer_reader = sent_reader() # 定义预测数据 reader infer_data = next(infer_reader()) # 读出数据 infer_feat = np.array([data[0] for data in infer_data]).astype("float32") assert feed_target_names[0] == 'input' results = infer_exe.run(inference_program, feed={feed_target_names[0]: infer_feat}, fetch_list=fetch_targets) # 进行预测
[inference_program, feed_target_names,
fetch_targets] = fluid.io.load_inference_model('./model', infer_exe) # 载入预训练模型
infer_reader = sent_reader() # 定义预测数据 reader
infer_data = next(infer_reader()) # 读出数据
infer_feat = np.array([data[0] for data in infer_data]).astype("float32")
assert feed_target_names[0] == 'input'
results = infer_exe.run(inference_program,
feed={feed_target_names[0]: infer_feat},
fetch_list=fetch_targets) # 进行预测结果如何？
for sent, idx in zip(sentences, results[0]): print("{} -> {}".format(' '.join(sent.split()[:2]), idx2word[idx]))我 喜欢 -> PaddlePaddle 等于 -> 飞桨我 会 -> Paddlein zip(sentences, results[0]):
print("{} -> {}".format(' '.join(sent.split()[:2]), idx2word[idx]))
我 喜欢 -> Paddle
Paddle 等于 -> 飞桨
我 会 -> Paddle
模型完美地学习到了 PaddlePaddle 世界中仅有的几个 trigram 规则，当然因为该任务非常简单，所以模型一下就能学会。
更多尝试
在了解完以上这个小例子之后，就能在它基础上做很多修改了，感兴趣的同学不妨拿下面的几个思路作为练习。
比如说用一个大数据集，加上更大模型，来进行训练，可以尝试复现 Bengio 论文中的模型规模，大致结构差不多，只是修改一下参数大小。
还比如说，在这里搭建网络结构时，用的是较底层API，直接创建矩阵权重，相乘相加，而 飞桨中有很多好用的API，能否调用这些API来重新构建这个模型呢，比如说词向量部分，可以用fluid.layers.embedding直接传入词 id 来实现，还有全连接层，可以直接用 fluid.layers.fc 来实现，激活函数可以直接通过里面参数设置，非常方便。
其实还可以在这里尝试些小技巧，比如共享词向量表为 softmax 前全连接层的权重 W2，以及加入 Bengio 论文中提到的类似残差连接直接将 embedding 连到输出的部分。
这次在这里介绍神经网络语言模型，并通过 飞桨来实现了一个简单的小例子，主要想做的是：
第一，语言模型任务在 NLP 领域很重要，想首先介绍一下；
第二，Bengio 这篇神经网络语言模型的论文非常经典，比如说提出了用神经网络实现语言模型，同时还最早提出词表示来解决“维数灾难”问题，通过复现，也好引出之后词向量，还有seq2seq 等话题；
第三，通过用 飞桨来实现这样一个简单例子，可以抛开各种模型与数据复杂度，更直观了解一个飞桨程序是如何构建的，也为之后讲解飞桨更复杂程序打下基础。
想详细了解更多飞桨相关内容，请点击文末阅读原文或参阅以下链接：
https://github.com/PaddlePaddle/models/tree/develop/PaddleNLP
想与更多的深度学习开发者交流，请加入飞桨官方QQ群：432676488
— 完 —
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