如何使用预训练模型优雅的生成sentence embedding

前言

预训练语言模型在目前的大部分nlp任务中做个微调都能取得不错的一个结果，但是很多场景下，我们可能没办法微调，例如文本聚类，我们更需要的是文本的向量表示；又亦如文本匹配，特别是实时搜索场景，当候选集数量较多时，直接使用ptm做匹配速度较慢。那么如何优雅的使用预训练模型生成文本embedding呢？本文将会从不同的预训练模型与不同的优化方法去介绍文本embedding的生成方式，如有理解错误，欢迎大家指正。

本文所有的测试结果基于哈工大开源的LCQMC数据集，共20+w条数据，测试方法是计算两个句子的Spearman Rank Correlation与Pearsonr Rank Correlation，从测量的相关关系上区分，Pearson主要是用来测试线性关系，而Spearman主要是用来测试单调关系，因此建议大家以Spearman的结果为主要参考

word2vec与elmo

baseline还是需要的，word2vec使用了Tencent AI Lab提供的word2vec取了前50w个词(一共16G加载太慢，感觉也没必要全部加载)，维度是200维，句向量采用结巴分词后取均值。elmo使用的是哈工大的ELMoForManyLangs，句向量采用的是embedding层的输出值，两层BiLSTM的输出值取均值作为句向量，对比结果如下。

model	pool	pearson	spearman
word2vec	avg	0.5221449680785076	0.608919562764869
elmo	all layers avg	0.509483629327993	0.5385281534683071

bert类模型的基操

bert类模型输出句向量的方式主要有两种方式，取cls表示句向量或者对所有的token值做一个pool操作。pool又有很多种，有取均值，最大值，用哪一层的结果又有很多讲究，有取最后一层的，取后两层的，甚至取第一层与最后一层。这里采用了均值的方式，对比了bert与roberta。

model	pool	pearson	spearman
bert	pool cls	0.27871322472395693	0.3310821317298972
bert	last layer avg	0.5772801258273837	0.6064618026402799
bert	last two layers avg	0.5800012472780051	0.6059884888103338
bert	first and last layer avg	0.6127307061481112	0.649701785152543
roberta	pool cls	0.6014500036464623	0.6750408040822591
roberta	last layer avg	0.6248498038899556	0.6769580860060049
roberta	last two layers avg	0.6278031589954911	0.6770390647187172
roberta	first and last layer avg	0.6398432770277978	0.691869016734878

可以看到bert的cls可以说是完全用不了的，甚至被word2vec无情碾压。但是反观roberta的cls表现还不错。个人认为应该是因为roberta取消了nsp任务没有segment embedding，cls更能代表句向量。反观bert因为有nsp的任务，两个句子可能对cls的结果有一定的影响。当然也不排除是因为roberta本身效果就优于bert。效果最理想的方案是取第一层与最后一层的输出值做平均池化操作，个人想法，最后一层的值会有些“过拟合”，而第一层的值又较为“欠拟合”，中和一下选个折中的方案。

虽然roberta的效果有所提升，但是依旧有进步空间，我们还是需要考虑下为啥bert类模型生成的句向量效果不够理想，我这里有两种解释，先看第一种

上述表格第一行表示词频，数值越大表示词频越小。第二行表示的是bert生成的每个词的embedding到原点的$l_2$距离，可以发现，词频高的词距离原点距离更近。第三到五行表示的是词embedding的k个邻居词的$l_2$距离，可知词频越高的词，周围的词越多，词频越高周围的词也约稀疏。

从表格中得出的结论，可以发现在bert的embedding空间内，只要词频低的词，其附近会有很多“空洞”，即无意义的空间，而我们在计算sentence embedding时通常都是取均值，取了均值后就有一定的概率落在“空洞”的位置，或者说是语义不平滑的，这就对最终的的相似度计算造成了一定的影响。其次，高低频词的分布特性，导致在计算相似度时会出现相似度过高或者过低的情况，当句子都是由高频词组成，相似度就会很高，相反当句子中低频次很多，相似度就会很低。

再看第二种解释，一般用于计算文本相似度的方法是cosine similarity，其优点在于值域在[0,1]区间内，便于选择阈值，bert的输出是一个高维空间的向量，假设这个向量已经能充分的表示文本的语义，但cosine similarity计算较为简单，可能没办法把这么复杂的值用这么简单的方法计算出其相似度。其次，cosine similarity的计算公式是两个向量的內积除以各自的模长。

但是上式要成立需要保证我们的向量的基底是标准正交基，基底如果不同，那么內积的计算公式就不一样，cosine similarity的计算自然也就不一样了，bert生成的embedding的坐标系是否是标准正交基我们不得而知了，但是既然效果不理想我们完全可以猜测大概率不是。

知道了为啥效果不好，那么我们就来针对其缺点进行改进，下文会为大家介绍监督学习与非监督学习的两种改进方法。

基于监督学习的bert类模型embedding

既然直接使用bert生成的句向量效果不够理想，那么能不能先做一个微调再来使用bert生成句向量呢？通常我们微调都是最小化cross entropy，我们的目标并不是cosine similarity，既然如此，我们何不直接把目标修改为cosine similarity，让cls的值就是为计算cosine similarity来服务的，这就是sentence bert(下文简称sbert)的思路。

如上图所示，我们需要使用NLI或者STS的数据集对模型进行微调，把单个bert改成孪生网络的结构，这里虽然是两个部分，但是权重是共享的，首先使用NLI的数据训练模型，分别输入两个句子，得到对应的cls的值，及上图的u与v，然后把u，v与|u-v|进行拼接，再进行分类。

然后使用STS的数据再进行训练，结构还是一样的，只不过输出的u与v这个时候需要计算cosine similarity，最后损失函数换成了平方损失函数。

sbert中还提到了一种替换成hinge loss的方法

a是原句，p是正例，n是负例，目标是要让原句与正例的差别要比原句与负例的差别大$ϵ$

最后我们看下sbert的效果，使用的论文作者提供的一个多语言版本的sbert

model	pool	pearson	spearman
sbert-multilingual-v1	pool cls	0.6947266935364882	0.7500983592620584

除了sentence bert我们再看一种方法，来自苏剑林的simbert，其思路是让模型不再简单的判断两个句子是否相似，而是提高了任务难度，让模型选择哪个句子和当前的句子相似度最大，其结构如下

模型使用的是微软提出的unilm，即半编码半回归模型，输入是两个句子，与nsp任务类似，然后把两个句子的顺序颠倒再输入一次，这样的输入我们称为一组数据，每个batch需要n组这样的数据，n取决于你的显存大小。然后把整个batch内的cls向量都拿出来，得到一个句向量矩阵$V\in R^{b\times d}$（$b$是batch_size，$d$是hidden_size），然后对$d$维度做$l_2$归一化，得到$\tilde{V}$，然后两两做内积，得到$b\times b$的相似度矩阵$\tilde{V}{\tilde{V}}^T$，接着乘以一个scale simbert中取了30，并mask掉对角线部分，最后每一行进行softmax，作为一个分类任务训练，每个样本的目标标签是它的相似句（至于自身已经被mask掉）。说白了，就是把batch内所有的非相似样本都当作负样本，借助softmax来增加相似样本的相似度，降低其余样本的相似度。simbert因为使用的是unilm的结构，除了可以计算相似度，还可以用于生成同义句。当然也可以把unilm替换成bert，如果使用bert就只输入一个句子即可。

最后来看结果吧

model	pool	pearson	spearman
simbert	pool cls	0.7057674570559229	0.7611765158950129

sbert效果略逊于simbert，simbert算是目前我尝试过的模型中的SOTA，但也不排除如果有充足的中文语料，sbert也可能超越simbert。

基于非监督学习的bert类模型embedding

这部分我们来介绍下非监督学习的方法来改善embedding的方法

上文提到想要计算余弦相似度，首先需要向量所属的坐标系是标准正交基。既然正交则所属向量必不相关，那么其协方差就为0，对应的向量则应该表现出各向同性(各向同性是指协方差矩阵为单位阵乘以一个正的常数)，所以，我们应该想办法把让bert的embedding的值变得或者说趋近于各向同性。

这里依旧是介绍两种方法，第一种方法是bert-flow，bert-flow的思路是把数据转变到标准的高斯分布，标准高斯分布是各向同性的，并且高斯分布是凸的，或者说是没有"空洞"的，因此语义分布也会更加的光滑。

bert-flow采用了基于流的生成模型来做这个数据分布的转变，flow是一个google提出来的用于做图像生成的模型，其思路是将服从高斯分布的随机变量$z$经过$f$函数映射到bert的编码$u$， 其中$f$需要是可逆的，这样$u$即可通过$f^{-1}$映射到高斯分布上。

训练的过程只更新flow模型的参数，优化目标为最大化从高斯分布到bert分布的概率即

bert-flow中的流模型实际使用的是flow的改进版本glow模型，具体细节这里就不展开说明了，感兴趣的童鞋可以参考源码，这里也提供一篇讲解flow的博客

除了bert-flow转变成正态分布的方法，我们再看另一种方法bert-whitening，标准正态分布的均值为0，协方差矩阵为单位阵，那我们能不能想办法把bert的embedding的均值转为0，协方差矩阵变为单位阵，实际上，这就是机器学习中常用的白化操作(whitening是指不同特征间相关性最小，接近0即协方差是0，并且所有特征的方差相等)。

上式就是whitening操作，那我们的目标就很明确了，求解$\mu$与$W$

$\mu$很简单，计算均值即可

关键点在于求解$W$，协方差矩阵的计算如下

根据上面的公式，我们可以得到$\tilde{x}$的协方差矩阵为

whitening需要协方差矩阵是单位阵，所以有

协方差矩阵$\Sigma$是一个正定对称阵，因此做SVD分解得到

这里的$U$是正交阵，$\Lambda$是对角阵且对角线是正数，因此可以得到

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-I3ws0XME-1618487449589)(/Users/joezhao/Library/Application Support/typora-user-images/image-20210401172944204.png)]

有了$\mu$与$W$即可对embedding做whitening了。初次之外，做SVD分解时，$\Lambda$是对应的奇异值，这个是按照从大到小排序的，因此，我们可以只取前k维的数据，毕竟奇异值小的特征，保留着意义也不大，这里其实就是做了个pca的处理。

最后我们来看下flow与whitening的效果，两篇论文在英文数据集上测试提升都较为明显，但在本文的中文测试集上提升并不大。

model	pool	pearson	spearman
bert	first and last layer avg	0.6127307061481112	0.649701785152543
bert-whitening	first and last layer avg	0.6523656336679565	0.6532168453336087
bert-whitening-256	first and last layer avg	0.6424918520578062	0.659421830463197
bert-flow	first and last layer avg	0.6117111735647337	0.6541951509643525

总结

本文介绍了bert类模型的各种文本embedding的生成方式，每种方法各有优缺。如果你有足够多打了标签的同义句，那么采用有监督的方式肯定是最优的选择，没有数据，不妨尝试下两种无监督的方法，毕竟聊胜于无嘛~，除了bert自身的embedding，也可以考虑去融合其它模型生成的embedding，或者静态的词向量。

如果你有其它更有意思的embedding方式，欢迎留言，我会根据你提供的方法进行评测。

References

Sentence-BERT: Sentence Embeddings using Siamese BERT-Networks

Whitening Sentence Representations for Better Semantics and Faster Retrieval

On the Sentence Embeddings from Pre-trained Language Models

Combining BERT with Static Word Embeddings for Categorizing Social Media

LCQMC: A Large-scale Chinese Question Matching Corpus

鱼与熊掌兼得：融合检索和生成的SimBERT模型

生成模型——流模型（Flow）