UIE:Unified Structure Generation for Universal Information Extraction
论文：https://arxiv.org/pdf/2203.12277.pdf
作者采用生成式text to structure结构统一了信息抽取的四个任务，并且在13个数据集上采用有监督、低资源和少样本设置下均取得了SOTA。
0 摘要
本文提出了一个统一的文本到结构生成框架，即UIE，它可以通用地为不同的IE任务建模，自适应地生成目标结构，并从不同的知识来源协同学习通用的IE能力。
具体来说，UIE通过一种结构化的提取语言对不同的提取结构进行统一编码，通过一种基于模式的prompt机制——结构化模式自适应地生成目标提取，并通过一个大规模的预训练的文本-结构模型来捕获常见的IE能力。
实验表明，UIE在4个IE任务、13个数据集和所有的有监督的、低资源的、少样本的设置上，对于广泛的实体、关系、事件和情感提取任务及其统一，都达到了SOTA的性能。这些结果验证了UIE的有效性、通用性和可移植性。
1 引言
信息提取（IE）旨在从非结构化文本中识别和构建用户指定的信息。 因为不同的任务识别的实体、事件类型等等都不一样，所以针对特定的任务要训练特定的模型，定制化较高，不具有通用性。针对这种问题，本文从生成模型的角度去考虑信息抽取的问题，使得这几种子任务可以通过一个模型去完成。
信息抽取通常包含常见的四个子任务: 实体抽取、关系抽取、事件抽取以及情感分析等。
- 命名实体识别任务一般是采用span及其实体类别表示
- 关系抽取任务一般采用三元组(triplet)结构表示
- 事件抽取任务一般采用记录(record)表示
- 情感分析任务采用三元组(triplet)来表示
IE将文本到结构的转换可以进一步分解为几个原子转换操作:
- 第一步是做定位(Spotting)。在输入的原句中定位到目标信息片段。例如在给定Entity PER的时候，要定位到“Steve”定位，给定sentiment expression要定位到“excited”；
- 第二步是做关联(Associating)。指找出Spotting输出的信息片段之间的关系。例如，把“Steve”和“Apple”分配为关系“work for”的参数1和参数2，也就头实体和尾实体。
通过这种方式，不同的IE任务可以分解为一系列原子文本到结构的转换，所有IE模型共享相同的底层发现和关联能力。
- 为了对异构IE结构进行建模，论文设计了一种结构提取语言（SEL），该语言可以有效地将不同的IE结构编码为统一的表示，从而可以在相同的文本到结构生成框架中对各种IE任务进行通用建模。
- 为了自适应地为不同的IE任务生成目标结构，论文提出了结构模式指导器（SSI），这是一种基于模式的prompt机制，用于控制UIE中要发现的内容、要关联的内容以及要生成的内容。
经过转化，上图a中的各个任务就可以结构化为下图b中的格式。
本文创新点：
- 提出了一个统一的text-to-structure生成架构，可以对不同的信息抽取(IE)任务进行建模，自适应地生成目标结构，并从不同的知识资源学习通用的信息抽取能力。是第一个text-to-structure预训练抽取模型。
- 设计了一个统一的结构生成网络，通过结构抽取语言(structural extraction language)将异构的信息抽取结构编码成统一的表示，并通过结构模式(structural schema instructor)指导机制控制UIE模型的识别、关联和生成。
2 方法
在本节中，将描述如何在统一的文本中共同制定、学习和执行各种IE任务，以构建生成架构UIE。
- 设计结构化提取语言（SEL）：将实体、关系、事件编码为统一表示。
- 结构模式指导器（SSI）：基于模式的prompt机制，用于控制UIE模型，以便为不同的提取设置发现、关联和生成哪个模型。
- 预训练：作者从web源挖掘大规模异构数据集对UIE进行预训练（实际是就是用远程监督生成了一个大规模关系抽取预训练数据集），令模型可以学习通用IE能力，并显著提高了IE在 supervised, low-resource, 以及 few-shot settings这类情况下的性能。
2.1 如何结构化提取的信息
IE将文本到结构的转换可以进一步分解为几个原子转换操作:
- 第一步是做定位(Spotting)。在输入的原句中定位到目标信息片段。
- 第二步是做关联(Associating)。指找出Spotting输出的信息片段之间的关系。
structured extraction language (SEL)将异构IE结构编码为统一的表示，每个SEL表达式包含三种类型的语义单元，示例如下图：
- Spot Name: 指目标信息片段的类别，在实体抽取中指实体类别，在事件抽取中可以指事件类型和论元类别。
- Info Span: Spotting操作(原句中定位到目标信息片段)的输出，即原句子中的目标信息片段。
- Asso Name: 指两个信息片段之间的关系类型，也就是Associating操作(Spotting输出的信息片段之间的关系)的输出。
对于句子：Steve became CEO of Apple in 1997.
进行关系抽取、事件抽取、命名实体识别就可以统一的生成如下结构：
SEL的优点：
- 统一编码不同的IE结构，因此不同的IE任务可以建模为相同的text-to-structure生成过程；
- 高效地表示同一结构中句子的所有提取结果，可以自然地进行联合提取；
- 生成的输出结构非常紧凑，大大降低了解码的复杂度。
2.2 如何自适应地得到想要生成的信息
使用SEL, UIE(本文提出的模型)可以均匀地生成不同的IE结构。然而，由于不同的IE任务有不同的模式，在提取过程中，如何自适应地控制我们想要生成的信息？
本文提出了结构模式指导器（SSI），这是一种基于模式(schema)的提示（prompt）机制，用于控制不同的生成需求：在Text前拼接上相应的Schema Prompt，输出相应的SEL结构语言。
如下图：
不同任务的的形式是：
- 实体抽取：[spot] 实体类别 [text]
- 关系抽取：[spot] 实体类别 [asso] 关系类别 [text]
- 事件抽取：[spot] 事件类别 [asso] 论元类别 [text]
- 观点抽取：[spot] 评价维度 [asso] 观点类别 [text]
UIE的整体框架为：
形式上，UIE将给定的结构模式指导器SSI(s)和文本序列(x)作为输入，并生成采用SEL语法描述的结构化数据(y)，其中包含基于模式s从x中提取的信息：
2.2.1 结构模式指导器（SSI,Structural Schema Instructor ）
为了描述任务的提取目标，Structural Schema Instructor(SSI)构建了一个基于模式的提示(schema-based prompt)，并在生成过程中将其用作前缀。包含三种类型的token：
- SPOTNAME：信息提取任务中的目标定位名称。如NER任务中的“person”
- ASSONAME：目标关联名称。如关系提取任务中的“work for”；
- Special Symbols([spot], [asso],[text])：分别添加在每个spot name、association name和文本序列前面添加。
SSI中的所有标记都被连接起来，并放在原始文本序列之前。![s\bigoplus x=[{\color{Red} s_{1},s_{2},...,s_{|s|}},x_{1},x_{2},...,x_{x}] =[{\color{Red} [spot],..[spot]...,[asso],...,[asso]...,[text]},x_{1},x_{2},...,x_{x}]](http://img.e-com-net.com/image/info8/0bb6f80ef0284314b1bf564929bafd29.gif)
2.2.2 使用UIE生成结构
so,模型到底是什么呢？其实就是一个标准的Transformer,包含了Encoder和Decoder。首先将SSI信息和句子拼接(其中 
是SSI信息， 
是句子)，输入至Encoder，得到每一个token的隐层表示：
接下来使用隐层表示在Decoder端生成目标结构化信息，表示如式 (4) 所示：
(在解码的步骤 i中 ，UIE生成SEL序列中的第 i 个token 
和解码器状态
）
3 预训练和微调
在本节中，论文将描述：
- 1）Pre-train：如何预训练一个大规模的UIE模型，来捕获不同IE任务间的通用IE能力？
- 2）Finetune：如何通过快速的Finetune使UIE适应不同设置下的不同 IE 任务。
3.1 预训练
生成任务是不可控，如果生成的信息结构不符合前面定义的结构，那怎样抽取信息呢？作者通过了定义不同的损失避免的这种情况。
UIE预训练语料主要来自Wikipedia、Wikidata和ConceptNet，构建了3种预训练数据，并分别构造3种预训练任务，将大规模异构数据整合到一起进行预训练：
D_pair: 通过Wikipedia对齐Wikidata，构建text-to-struct的平行语料,数据表示为(s,x,y)
Text-to-Structure Pre-training:每个实例都是一个并行对(token序列x，结构化记录y),用于预训练UIE的文本到结构映射能力。预训练时随机取样一些负例(spots、association)作为噪声训练(引入negative schema)。
首先，定义 。具体x输入为:[spot] person [asso] work for [text]Steve became CEO of Apple in 1997.,y则为:((person: Steve(work for: Apple)))。可以发现在生成的过程中，person和work for在输出时是肯定要出现的。这两个东西就是我们此前定义的spotting、associating。
作者发现如果在生成的token中，加个损失，用来判断当前token是不是spotting或者是不是associating效果会变好。
这里的正样本就是spotting或者assocating，负样本则是随机抽取的token。损失如下：
D_record: 结构数据集，其中每个实例都是结构化记录 y（None，None，y）
Structure Generation Pre-training：为了具备SEL语言的结构化能力，这部分输入只有结构化数据record，输入前面的部分，使其生成剩余部分，并且只训练UIE的decoder部分，使其学会SEL语法。
这个损失就是生成任务中，自回归的一个损失。用于预训练UIE的结构解码能力，损失如下所示：
D_text: 无结构化的原始文本数据集。论文使用英文维基百科中的所有纯文本，构造无结构的原始文本数据：（None，x'(破坏过的源文本），x''(破坏的目标spans)）
Retrofitting Semantic Representation：为了具备基础的语义编码能力，对D_text数据进行 span corruption训练。这部分做的是无监督的masked language model任务，和T5中的预训练任务一样，在原始句子中MASK掉15%的tokens，然后生成MASK的部分，输入中已经呈现的部分输出MASK
为了提高UIE的语义表示，作者还加了MLM(Masked Language Model)任务。用于预训练UIE的语义编码能力，可以有效地缓解token语义的灾难性遗忘，尤其是在SPOTNAME和ASSONAME token上。。损失如下:
这里的MASK是针对目标文本的。跟bert有点区别。
作者采用的模型是T5-v1.1-base和T5-v1.1-large作为UIE-base和UIE-large，模型的参数初始化直接使用了T5-v1.1的参数，也就是说直接基于其进行了二次预训练。
最后将这三种损失相加，进行大规模的预训练:
值得注意的是，作者并不是分开做这三个预训练任务的，而是将其统一化，全部表示为三元组 (s,x,y)，其中 s 是加在输入句子前面的prompt，x 是输入的原始句子，y 是需要生成的目标句子，在每一个batch中随机抽取每一个任务的数据去训练。Dpair 数据表示为 (s,x,y)，Drecord 数据表示为 (None,None,y)，Dtext 数据表示为 (None,x′,x″)，这样无论是哪种任务都是输入一个三元组，即可统一训练。
3.2 微调
微调部分和预训练任务的 Dpair 类似，数据形式是 (s,x,y)，微调的Loss计算方式如式 (9) 所示。
如下表所示，微调部分依然加入了负样本，下部分第二行加入了负样本，随机插入一些原标签中没有的信息，输入句子中并没有facility的实体，而标签中插入了 (facility: [NULL])。
拒绝机制（RM）的一个示例，此处“（facility：[NULL]）是学习阶段注入的拒绝噪声，推理阶段将忽略[NULL]值范围。
4 实验
本文在13个IE基准上进行了实验，涉及4个很有代表性的IE任务(包括实体提取、关系提取、事件提取、结构化情感提取)及其组合(例如，联合实体-关系提取)。结果如下:
最右边的SEL列是指基于T5-v1.1-large进行微调得到的结果(没有预训练的UIE模型)，UIE是指基于UIE-large进行微调的结果，可以看到几乎在全部数据集上都取得了SOTA的结果，但是通过对比SEL和UIE发现预训练部分对结果的提升并不大，通过这个可以看出作者设计的SEL语法和SSI还是很强大的，另一方面也说明T5本身的生成能力就很强大。
另外，作者也给除了few-shot的效果，如下:
UIE真正强大的地方是小样本情况下，泛化能力非常强，远超基于T5的微调结果，在全监督设置下预训练部分的能力没有体现出来，但在低资源下针对性的预训练可以非常好的提升泛化能力。
参考：
UIE: 信息抽取的大一统模型 - mdnice 墨滴
开箱即用：UIE-通用信息抽取（2022） - 知乎
通用信息提取的统一结构生成-信息检索研究室
信息抽取大一统：百度中科院发布通用抽取模型UIE，刷新13个IE数据集SOTA！ - 知乎
信息抽取新SOTA！首个结构化生成式信息抽取预训练模型，一统信息抽取四大任务 - 知乎
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