BERT句向量(一)：Sentence-BERT

前言

句向量：能够表征整个句子语义的向量，目前效果比较好的方法还是通过bert模型结构来实现，也是本文的主题。

有了句向量，我们可以用来进行聚类，处理大规模的文本相似度比较，或者基于语义搜索的信息检索。

例如搜索系统中的输入query和匹配文档document、Q&A任务的问题和答案等等，都可以转化为计算两个句子的语义相似/相关度，相关度最高的n个作为模型的返回结果。

题外话

这种类似的模型一般称为passage retrieval models，即段落检索，有两个代表：

1. sparse models：BM25、TF-IDF等；
2. dense models（DPR，Dense Passage Retrieval）：将query和doc（question和passage/answer）都转化为稠密向量，然后通过faiss等工具进行相关召回。

原生Bert

原生的BERT模型在诸多句子分类和句子对的回归任务上都取得了state-of-the-art的表现，它使用一种 cross-encoder的结构：将两个句子拼接输入到模型，经过带有self attention的transformer网络得到最终的预测值。

但这种做法不适用于大量句子对的回归任务，例如给定10000个句子，找出每个句子最相似的句子，那么每个句子就得需要与其他所有句子进行两两组合，才能得到与所有句子的相似度，即需要进行n*(n-1)/2= 49995000次的推理计算，这显然是不合理的。

这其实与推荐场景类似，采用这种结构的话，query需要与所有的doc进行分别计算，才能分数相关度最高的doc，这是不现实。所以这种做法一般是放在后面的排序阶段。

而在此之前，一般会先经过召回阶段，则是需要事先将所有doc输入到bert模型，提取出句向量进行存储，实际使用时，实时计算query的句向量，然后通过faiss等ann工具，来从所有doc中召回相关度最高的n个。

因此，sentence-bert此时就派上用场，它使得bert模型能够提取表征句子语义的句向量。

Sentence-BERT

相关论文：《Sentence-BERT: Sentence Embeddings using Siamese BERT-Networks》

pooling strategies

其实原生bert模型本身是具备句向量提取的能力，一般是以下3种方法，sentence-bert也是采用相同的方法：

1. CLS：使用[CLS]字符最后一层的输出向量，作为句向量；
2. MEAN：使用句子的所有字符的最后一层输出向量，计算它们的均值，作为句向量；
3. MAX：使用句子的所有字符的最后一层输出向量，所有字符向量对应位置提取最大值，作为句向量。

但是，如果**直接使用原生bert模型来提取句向量，效果十分不理想，甚至不如GloVe提取的句向量。**

fine-tune

所以，作者提出一种针对句向量，对bert模型进行微调的方法，包括无监督和监督训练。

fine-tune的三种结构：

1. Classification Objective Function

如图1的分类结构，句子A和句子B输入到同个bert模型（参数绑定），然后使用[CLS]向量或者所有字符的向量均值得到A的句向量u、B的句向量v，然后拼接u、v和 element-wise的 |u-v|，最后通过softmax做一个k分类，loss为cross-entropy；

2. Regression Objective Function

如图2的回归结构，同样的方法得到u和v， 再经过cosine函数得到u和v的相似度，使用MSE（ mean-squared-error）作为loss；

3. Triplet Objective Function

最后一种为三元组结构，如下式，句子a和p为负例，a和n为正例，$s_a$为句子a的句向量，方法同上。这个结构是让负例句子的距离要尽量比正例的大

其中|| · ||是距离度量，例如欧式距离，

$\xi$为 margin ，控制负例和正例句子的距离差最小为$\xi$

inference

推理阶段，按照上图2的做法，两个句子u和v输入到Sentence-BERT结构微调后的模型，选择一种pooling策略，得到句子的向量，然后使用cosine函数来计算两个句子的相似/相关度。

无监督训练

作者使用 SNLI(Bowman et al., 2015) 和Multi-Genre NLI(Williams et al., 2018)两个公开的数据集，带有三种标签contradiction、eintailment、neutral的句子对。

使用Classifification Objective Function来对bert模型进行微调，详细参数为：batch_size为16、Adam optimizer、2e-5的学习率、10%的线性学习率warmup，采用MEAN的pooling策略。

然后在STS数据集上进行验证，由于未使用到目标数据集，因此可以认为是无监督训练，具体效果如下：

（ STS12-STS16:SemEval 2012-2016, STSb: STSbenchmark, SICK-R: SICK relatedness dataset，这些数据集带有0-5级的相关程度）

明显看出微调后的sentence-bert比原生bert的句向量效果提升了许多，并且使用RoBERTa可以进一步提升效果。

（作者也是做了实验，才得出原生bert句向量甚至不如GloVe的结论）

监督训练

上面提到，STS数据的标签是0-5级的相关程度，作者使用了regression objective function的结构进行微调SBERT。

实验了两种监督训练方案：

1. 仅使用STSb数据进行监督训练；
2. 先在NLI数据进行训练，然后再使用STSb数据

结果如下：

监督训练比无监督训练效果进一步提升，并且BERT的模型大小影响较大，BERT-large比base提升3-4点；

但使用RoBERTa未没有明显的效果提升。

代码实现

tensorflow1.x：https://github.com/QunBB/DeepLearning/tree/main/NLP/sentence_bert/sbert

pytorch推荐使用：Sentence-Transformers