FLAT: Chinese NER Using Flat-Lattice Transformer

FLAT

https://arxiv.org/pdf/2004.11795.pdf
https://github.com/LeeSureman/FlatLattice-Transformer

字符-词的lattice结构被证实有助于中文NER任务。但是lattice结构复杂，且是动态变化，因此无法进行GPU并行计算，推理速度较低。本文提出FLAT模型，将lattice结构扁平化，由一系列spans组成，每个span对应一个字符或者词组以及其对应的位置。受益于transformer的self-attention和位置编码，FLAT在4个实验数据上的表现优于其他lexicon-based模型。

背景

在NER任务中，结合字符和词组的方式，有助于提升模型效果。

如何融合词汇和字符信息呢？
Lattice结构，如下图a。
通过词典匹配句子中的潜在词汇，得到lattice结构。一个句子的Lattice是一个有向无环图，每个节点是一个字符或者词汇，这些节点是无序的，通过词的首尾字符确定它的位置。
Lattice中的有些词汇对NER任务非常重要，如图示，‘人和医药’有助于区分‘重庆’和‘重庆人’。

Lattice

如何利用Lattice结构？

1. Lattice LSTM (2018)或LR-CNN (2019)，将lattice中的每一个字or词视为序列节点，进行编码。
   如上图b，对lattice LSTM，词节点和字节点一样，被编码成向量，用注意力机制融合每个位置上的字or词节点。LR-CNN通过不同的window-size对词节点进行编码。
   问题：
   1.1 RNN和CNN无法建立长距离依赖关系，因此无法和词汇进行充分的全局交互；
   1.2 Lattice结构是动态变化的，Lattice LSTM和LR-CNN无法在GPU上并行训练；。
2. 基于图的编码，例如Lexicon-based Graph Network (2019)和Collaborative
   Graph Network (2019)，将lattice结构转换成图网络上的节点，将NER任务转换成节点分类任务，用图神经网络模型进行编码。
   问题：
   图网络模型的节点仍需要LSTM的编码进行归纳偏置，模型复杂度比较高。

Transformer的输入包含了token语义及其对应位置信息，通过self-attention实现信息的全局交互。
因此，本文提出基于transformer-encoder的FLAT模型，如上图c。对每个token(字符/词)，增加2个位置编码，分别表示这个token的起始(head)和终止(tail)位置。将Lattice结构扁平化，由self-attention实现字和词之间信息交互。

模型

FLAT 模型结构

1. 用span表示字符或者词组，用head[i]和tail[i]表示span的头尾位置坐标。对字符来说，起始和终止位置是相同的。

2. span距离计算：
   Flat-lattice的span长度不一，如何对变长span编码交互？
   Span之间有3种关系：交叉，包含和相离。从以下4个角度计算和的距离：
   
   
   
   
   得到4个相对距离矩阵：。其中，表示和的起始位置的距离。

3. 使用Attention is all you need中的正弦/余弦函数进行位置编码：
   
   

4. 经过非线性变换，得到和的相对位置向量：
   

5. 借鉴Transformer-XL的基于相对位置编码的self-attention：
   Vanilla Transformer使用的是绝对位置编码，考虑到向量内乘积会损失自注意力的方向性，因此本文使用的是相对位置编码。
   
   其中：
   
   

6. 从输出层中提取字向量，进入CRF得到NER标签序列。
   每个attention head可表示为：
   
   
   
   其中：
   ：token embedding lookup table/ last transformer layer

实验

实验数据

实验数据

分别在以上4个数据集，进行单层Transformer的FLAT模型。

Self-attention机制 Vs. lattice LSTM相比：

1. 包含关系中的所有字符和字能充分交互；
2. 长距离信息依然能够捕捉得到。

基于这样的前提，进行以下mask操作：

1. msm：mask具有包含关系的span
2. mld：mask距离过长(>10)的span

模型结果

实验结果F1

1. 和TENER和CGN比较，F1平均提升了1.51和0.73；
2. msm的操作，FLAT模型效果下降很多，mld对FLAT的影响略低，反映出词内字符交互的重要性。

推理速度分析

推理速度比较

FLAT效果提升的探索

TENER和FLAT模型相似，前者是基于transformer的相对位置编码，FLAT使用了词典信息，并使用了新的位置编码方式。
Span F：NER模型的F值考虑了span和实体标签的正确性，span F只考虑span的正确性；
Type Acc：span-correct的正确率。
FLAThead：位置向量只使用。

FLAT VS. TENER

结果显示，FLAT性能优于TENER。这也意味着，新的位置编码能更准确的找到实体位置，提升模型实体分类效果。

FLAT VS. BERT

BERT+FLAT：使用BERT的embedding。
结果显示，FLAT在大数据集上效果提升明显，但在Resume和Weibo这两个小数据集上，和BERT差异不大。