【NLP】Datawhale-AI夏令营Day4打卡：预训练+微调范式

⭐️ 最近参加了由Datawhale主办、联合科大讯飞、阿里云天池发起的 AI夏令营（第三期），我参与了深度学习实践-NLP（自然语言处理）方向
⭐️ 作为NLP小白，我希望能通过本次夏令营的学习实践，对NLP有初步的了解，学习大模型，动手完成NLP项目内容，同时通过社区交流学习，提升调参优化等能力
⭐️ 今天是打卡的第四天！ ✊✊✊
⭐️ 按照日程安排，8月19日-22日主要学习深度学习方法，完成任务二，同时尝试跑通大模型Topline。
⭐️ 今天我主要学习预训练+微调范式、Transformer 和 Attention，并跑通深度学习方法baseline。

【NLP】Datawhale-AI夏令营Day1打卡：文本特征提取
第一天学习了Python 数据分析相关的库（pandas和sklearn），文本特征提取的方法（基于TF-IDF提取和基于BOW提取，以及停用词的用法），划分数据集的方法，以及机器学习的模型，并尝试跑通了机器学习方法baseline。

【NLP】Datawhale-AI夏令营Day2打卡：数据分析
第二天学习了数据探索、数据清洗、特征工程、模型训练与验证部分。

【NLP】Datawhale-AI夏令营Day3打卡：Bert模型
第三天学习了Bert模型（预训练+微调范式），并尝试跑通了深度学习方法baseline。

1. 学习内容

AI夏令营第三期–基于论文摘要的文本分类与关键词抽取挑战赛教程

✅ Bert - 预训练+微调范式

✏️：BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）的意思是基于双向Transformer的编码器表示，BERT的核心思想是使用双向Transformer来编码文本数据，从而获得文本中每个词的上下文相关的向量表示，然后将这些向量表示作为输入，用于不同的下游任务，如文本分类、文本生成、文本摘要等。
✏️：BERT的 预训练(Pre-training) 过程是指在大规模的通用数据集上进行无监督或自监督的学习，目的是让模型学习到通用的知识和能力，如词汇、语法、语义、逻辑、常识等。
BERT使用了两种预训练任务，分别是：
掩码语言模型（Masked Language Model，MLM）：这个任务是指在输入的文本中随机地遮盖一些词，然后让模型根据上下文来预测被遮盖的词。这个任务可以让模型学习到词汇和语法的知识。
下一个句子预测（Next Sentence Prediction，NSP）：这个任务是指给定两个句子A和B，让模型判断B是否是A的下一个句子。这个任务可以让模型学习到语义和逻辑的知识。
BERT使用了数TB甚至数PB的数据集来进行预训练，如英文维基百科、书籍语料库等。BERT使用了数千甚至数万个GPU或TPU等高性能计算设备来进行并行计算和优化。BERT预训练后得到了一个通用的编码器模型，它可以将任意长度的文本转换为固定长度的向量表示。
✏️：BERT的 微调(Fine-tuning) 过程是指在有标注的数据上进行有监督的学习，目的是让模型适应特定的任务和场景，如文本分类、文本生成、文本摘要等。BERT使用了一种简单而有效的微调方法，即在预训练好的编码器模型上添加一个简单的输出层，然后根据不同的任务和场景来调整输出层的结构和参数。例如，在文本分类任务中，输出层可以是一个全连接层或者一个softmax层；在文本生成任务中，输出层可以是一个解码器或者一个线性层等。
BERT使用了少量标注好的数据来进行微调，如GLUE、SQuAD等公开数据集。BERT使用了相对较少的计算资源来进行微调，一般只需要几个小时或几天就可以完成。BERT微调后得到了一个针对特定任务和场景的模型，它可以根据输入的文本来产生相应的输出或行为。
✏️：以上就是BERT处理文本分类任务的预训练和微调过程。从这个过程中可以看出，BERT利用了“大规模预训练+微调”的范式，在预训练阶段学习到通用的知识和能力，在微调阶段适应特定的任务和场景，在各种领域和场景中都能够展现出惊人的效果。事实上，BERT不仅在文本分类任务上表现优异，还在文本生成、文本摘要、机器翻译、问答系统等任务上刷新了多项记录，成为了自然语言处理领域的一个里程碑技术。
什么是AI大模型：大规模预训练+微调

✅ Transformer

BERT 乃至目前正火的 LLM 的成功，都离不开 Attention 机制与基于 Attention 机制搭建的 Transformer架构。

在 Attention 机制提出之前，深度学习主要有两种基础架构：卷积神经网络（CNN）与循环神经网络（RNN）。其中，CNN 在CV 领域表现突出，而 RNN 及其变体 LSTM 在 NLP 方向上一枝独秀。然而，RNN 架构存在两个天然缺陷：①序列依序计算的模式限制了计算机并行计算的能力，导致 RNN 为基础架构的模型虽然参数量不算特别大，但计算时间成本却很高。 ② RNN难以捕捉长序列的相关关系。在 RNN 架构中，距离越远的输入之间的关系就越难被捕捉，同时RNN需要将整个序列读入内存依次计算，也限制了序列的长度。

针对上述两个问题，​ 2017年 Vaswani 等人发表了论文《Attention Is All You Need》，创造性提出了 Attention 机制并完全抛弃了 RNN 架构。Attention机制最先源于计算机视觉领域，其核心思想为当我们关注一张图片，我们往往无需看清楚全部内容而仅将注意力集中在重点部分即可。而在自然语言处理领域，我们往往也可以通过将重点注意力集中在一个或几个token，从而取得更高效高质的计算效果。

Attention 机制的特点是通过计算 Query(查询值) 与 Key(键值) 的相关性为真值加权求和，从而拟合序列中每个词同其他词的相关关系。其大致计算过程如图：

具体而言，可以简单理解为一个输入序列通过不同的参数矩阵映射为 Q、K、V 三个矩阵，其中，Q 是计算注意力的另一个句子（或词组），V 为待计算句子，K 为待计算句子中每个词的对应键。通过对 Q 和 K 做点积，可以得到待计算句子（V）的注意力分布（即哪些部分更重要，哪些部分没有这么重要），基于注意力分布对 V 做加权求和即可得到输入序列经过注意力计算后的输出，其中与 Q （即计算注意力的另一方）越重要的部分得到的权重就越高。

✅ Attention

Transformer 基于 Attention 机制搭建了 Encoder-Decoder（编码器-解码器） 结构，主要适用于 Seq2Seq（序列到序列） 任务，即输入是一个自然语言序列，输出也是一个自然语言序列。其整体架构如下：

Transformer 由一个 Encoder，一个 Decoder 外加一个 Softmax 分类器与两层编码层构成。上图中左侧方框为 Encoder，右侧方框为 Decoder。

由于是一个 Seq2Seq 任务，在训练时，Transformer 的训练语料为若干个句对，具体子任务可以是机器翻译、阅读理解、机器对话等。

下图是一个英语与德语的机器翻译任务。在训练时，句对会被划分为输入语料和输出语料，输入语料将从左侧通过编码层进入 Encoder，输出语料将从右侧通过编码层进入 Decoder。Encoder 的主要任务是对输入语料进行编码再输出给 Decoder，Decoder 再根据输出语料的历史信息与 Encoder 的输出进行计算，输出结果再经过一个线性层和 Softmax 分类器即可输出预测的结果概率，整体逻辑如下图：

✅ 预训练任务

BERT 的模型架构直接使用了 Transformer 的 Encoder 作为整体架构，其最核心的思想在于提出了两个新的预训练任务—— MLM（Masked Language Model，掩码模型） 和 NSP（Next Sentence Prediction，下个句子预测），而不是沿用传统的 LM（语言模型）。

MLM 任务，是 BERT 能够深层拟合双向语义特征的基础。简单来讲，MLM 任务即以一定比例对输入语料的部分 token 进行遮蔽，替换为 （MASK）标签，再让模型基于其上下文预测还原被遮蔽的单词，即做一个完形填空任务。由于在该任务中，模型需要针对 (MASK) 标签左右的上下文信息来预测标签本身，从而会充分拟合双向语义信息。

例如，原始输入为 I like you。以30%的比例进行遮蔽，那么遮蔽之后的输入可能为：I (MASK) you。而模型的任务即为基于该输入，预测出 (MASK) 标签对应的单词为 like。

NSP 任务，是 BERT 用于解决句级自然语言处理任务的预训练任务。BERT 完全采用了预训练+微调的范式，因此着重通过预训练生成的模型可以解决各种多样化的下游任务。MLM 对 token 级自然语言处理任务（如命名实体识别、关系抽取等）效果极佳，但对于句级自然语言处理任务（如句对分类、阅读理解等），由于预训练与下游任务的模式差距较大，因此无法取得非常好的效果。NSP 任务，是将输入语料都整合成句对类型，句对中有一半是连贯的上下句，标记为 IsNext，一半则是随机抽取的句对，标记为 NotNext。模型则需要根据输入的句对预测是否是连贯上下句，即预测句对的标签。

例如，原始输入句对可能是 (I like you ; Because you are so good) 以及 (I like you; Today is a nice day)。而模型的任务即为对前一个句对预测 IsNext 标签，对后一个句对预测 NotNext 标签。

基于上述两个预训练任务，BERT 可以在预训练阶段利用大量无标注文本数据实现深层语义拟合，从而取得良好的预测效果。同时，BERT 追求预训练与微调的深层同步，由于 Transformer 的架构可以很好地支持各类型的自然语言处理任务，从而在 BERT 中，微调仅需要在预训练模型的最顶层增加一个 SoftMax 分类层即可。同样值得一提的是，由于在实际下游任务中并不存在 MLM 任务的遮蔽，因此在策略上进行了一点调整，即对于选定的遮蔽词，仅 80% 的遮蔽被直接遮蔽，其余将有 10% 被随机替换，10% 被还原为原单词。

2. 实践项目

同之前博客介绍的，仍然是任务一，文本分类任务。

【NLP】Datawhale-AI夏令营Day3打卡：Bert模型

3. 实践代码

深度学习方法（Bert模型）：

由于本地环境出了一些问题，今天重新安装了 Anaconda + Pytorch，稍微调了一下batch_size和epochs，再次跑了一下baseline代码。

代码包括以下几个部分：

1️⃣ 导入模块
导入我们本次Baseline代码所需的模块
2️⃣ 设置全局配置
3️⃣ 数据收集与准备
在赛题主页下载数据，读取数据集，数据预处理（考虑数据扩增）
4️⃣ 构建训练所需的dataloader与dataset
定义dataset： Pytorch 中自定义dataset需要继承 torch.utils.data.Dataset，继承Dataset这个类时，它要求你必须重写 getitem(self, index)、len(self) 两个方法，前者通过提供索引返回数据，也就是提供 DataLoader获取数据的方式；后者返回数据集的长度，DataLoader依据 len 确定自身索引采样器的长度。
而本次教程中，我们在初始化类方法 init 中引入我们的训练数据，重写 getitem(self, index)方法，保证能够取出index对应行的text 与label 值，也就是我们训练需要的数据以及训练希望得到的结果，在 len 方法中，我们需要返回数据集的总长度，这里直接利用Dataframe数据的len()方法就能完成。
构造Dataloader： 在Dataloader中，我们需要利用Dataloader来加载训练数据与训练目标，需要注意的是，加载完成后的数据需要为tensor（张量）形式，因此在下文中我们定义了collate_fn来帮助完成batch组装以及将文本内容向量化，而文本内容向量化这部分内容，我们利用bert模型来完成，而label值的向量化我们直接使用torch.LongTensor()方法完成。
5️⃣ 定义模型
pytorch中定义模型需要继承nn.Module类，其中需要至少定义两个方法，一个是初始化模型结构的方法__init__，另一个方法forward来完成推理流程。
6️⃣ 模型训练、评估
7️⃣ 结果输出

#import 相关库
#导入前置依赖
import os
import pandas as pd
import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
# 用于加载bert模型的分词器
from transformers import AutoTokenizer
# 用于加载bert模型
from transformers import BertModel
from pathlib import Path

batch_size = 8
# 文本的最大长度
text_max_length = 128
# 总训练的epochs数
epochs = 10
# 学习率
lr = 3e-5
# 取多少训练集的数据作为验证集
validation_ratio = 0.1
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

# 每多少步，打印一次loss
log_per_step = 50

# 数据集所在位置
dataset_dir = Path("./Dataset")
os.makedirs(dataset_dir) if not os.path.exists(dataset_dir) else ''

# 模型存储路径
model_dir = Path("./model/bert_checkpoints")
# 如果模型目录不存在，则创建一个
os.makedirs(model_dir) if not os.path.exists(model_dir) else ''

print("Device:", device)

# 读取数据集，进行数据处理
pd_train_data = pd.read_csv('./Dataset/train.csv')
pd_train_data['title'] = pd_train_data['title'].fillna('')
pd_train_data['abstract'] = pd_train_data['abstract'].fillna('')

test_data = pd.read_csv('./Dataset/testB.csv')
test_data['title'] = test_data['title'].fillna('')
test_data['abstract'] = test_data['abstract'].fillna('')
pd_train_data['text'] = pd_train_data['title'].fillna('') + ' ' +  pd_train_data['author'].fillna('') + ' ' + pd_train_data['abstract'].fillna('')+ ' ' + pd_train_data['Keywords'].fillna('')
test_data['text'] = test_data['title'].fillna('') + ' ' +  test_data['author'].fillna('') + ' ' + test_data['abstract'].fillna('')+ ' ' + pd_train_data['Keywords'].fillna('')

# 从训练集中随机采样测试集
validation_data = pd_train_data.sample(frac=validation_ratio)
train_data = pd_train_data[~pd_train_data.index.isin(validation_data.index)]

# 构建Dataset
class MyDataset(Dataset):

    def __init__(self, mode='train'):
        super(MyDataset, self).__init__()
        self.mode = mode
        # 拿到对应的数据
        if mode == 'train':
            self.dataset = train_data
        elif mode == 'validation':
            self.dataset = validation_data
        elif mode == 'test':
            # 如果是测试模式，则返回内容和uuid。拿uuid做target主要是方便后面写入结果。
            self.dataset = test_data
        else:
            raise Exception("Unknown mode {}".format(mode))

    def __getitem__(self, index):
        # 取第index条
        data = self.dataset.iloc[index]
        # 取其内容
        text = data['text']
        # 根据状态返回内容
        if self.mode == 'test':
            # 如果是test，将uuid做为target
            label = data['uuid']
        else:
            label = data['label']
        # 返回内容和label
        return text, label

    def __len__(self):
        return len(self.dataset)
        
train_dataset = MyDataset('train')
validation_dataset = MyDataset('validation')

train_dataset.__getitem__(0)

#获取Bert预训练模型
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")

#接着构造我们的Dataloader。
#我们需要定义一下collate_fn，在其中完成对句子进行编码、填充、组装batch等动作：
def collate_fn(batch):
    """
    将一个batch的文本句子转成tensor，并组成batch。
    :param batch: 一个batch的句子，例如: [('推文', target), ('推文', target), ...]
    :return: 处理后的结果，例如：
             src: {'input_ids': tensor([[ 101, ..., 102, 0, 0, ...], ...]), 'attention_mask': tensor([[1, ..., 1, 0, ...], ...])}
             target：[1, 1, 0, ...]
    """
    text, label = zip(*batch)
    text, label = list(text), list(label)

    # src是要送给bert的，所以不需要特殊处理，直接用tokenizer的结果即可
    # padding='max_length' 不够长度的进行填充
    # truncation=True 长度过长的进行裁剪
    src = tokenizer(text, padding='max_length', max_length=text_max_length, return_tensors='pt', truncation=True)

    return src, torch.LongTensor(label)

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True, collate_fn=collate_fn)
validation_loader = DataLoader(validation_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False, collate_fn=collate_fn)

inputs, targets = next(iter(train_loader))
print("inputs:", inputs)
print("targets:", targets)

#定义预测模型，该模型由bert模型加上最后的预测层组成
class MyModel(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(MyModel, self).__init__()

        # 加载bert模型
        self.bert = BertModel.from_pretrained('bert-base-uncased', mirror='tuna')

        # 最后的预测层
        self.predictor = nn.Sequential(
            nn.Linear(768, 256),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(256, 1),
            nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, src):
        """
        :param src: 分词后的推文数据
        """

        # 将src直接序列解包传入bert，因为bert和tokenizer是一套的，所以可以这么做。
        # 得到encoder的输出，用最前面[CLS]的输出作为最终线性层的输入
        outputs = self.bert(**src).last_hidden_state[:, 0, :]

        # 使用线性层来做最终的预测
        return self.predictor(outputs)

model = MyModel()
model = model.to(device)

#定义出损失函数和优化器。这里使用Binary Cross Entropy：
criteria = nn.BCELoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)

# 由于inputs是字典类型的，定义一个辅助函数帮助to(device)
def to_device(dict_tensors):
    result_tensors = {}
    for key, value in dict_tensors.items():
        result_tensors[key] = value.to(device)
    return result_tensors

#定义一个验证方法，获取到验证集的精准率和loss
def validate():
    model.eval()
    total_loss = 0.
    total_correct = 0
    for inputs, targets in validation_loader:
        inputs, targets = to_device(inputs), targets.to(device)
        outputs = model(inputs)
        loss = criteria(outputs.view(-1), targets.float())
        total_loss += float(loss)

        correct_num = (((outputs >= 0.5).float() * 1).flatten() == targets).sum()
        total_correct += correct_num

    return total_correct / len(validation_dataset), total_loss / len(validation_dataset)


if hasattr(torch.cuda, 'empty_cache'):
	torch.cuda.empty_cache()

# 首先将模型调成训练模式
model.train()

# 清空一下cuda缓存
if torch.cuda.is_available():
    torch.cuda.empty_cache()

# 定义几个变量，帮助打印loss
total_loss = 0.
# 记录步数
step = 0

# 记录在验证集上最好的准确率
best_accuracy = 0

# 开始训练
for epoch in range(epochs):
    model.train()
    for i, (inputs, targets) in enumerate(train_loader):
        # 从batch中拿到训练数据
        inputs, targets = to_device(inputs), targets.to(device)
        # 传入模型进行前向传递
        outputs = model(inputs)
        # 计算损失
        loss = criteria(outputs.view(-1), targets.float())
        loss.backward()
        optimizer.step()
        optimizer.zero_grad()

        total_loss += float(loss)
        step += 1

        if step % log_per_step == 0:
            print("Epoch {}/{}, Step: {}/{}, total loss:{:.4f}".format(epoch+1, epochs, i, len(train_loader), total_loss))
            total_loss = 0

        del inputs, targets

    # 一个epoch后，使用过验证集进行验证
    accuracy, validation_loss = validate()
    print("Epoch {}, accuracy: {:.4f}, validation loss: {:.4f}".format(epoch+1, accuracy, validation_loss))
    torch.save(model, model_dir / f"model_{epoch}.pt")

    # 保存最好的模型
    if accuracy > best_accuracy:
        torch.save(model, model_dir / f"model_best.pt")
        best_accuracy = accuracy

#加载最好的模型，然后进行测试集的预测
model = torch.load(model_dir / f"model_best.pt")
model = model.eval()

test_dataset = MyDataset('test')
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False, collate_fn=collate_fn)

results = []
for inputs, ids in test_loader:
    outputs = model(inputs.to(device))
    outputs = (outputs >= 0.5).int().flatten().tolist()
    ids = ids.tolist()
    results = results + [(id, result) for result, id in zip(outputs, ids)]

test_label = [pair[1] for pair in results]
test_data['label'] = test_label
test_data['Keywords'] = test_data['title'].fillna('')
test_data[['uuid', 'Keywords', 'label']].to_csv('submit_task_bert.csv', index=None)

4. 遇到的问题和解决方法

都是小问题

问题1：
显存不足

解决1：
改小 batch_size
关掉正在运行的其他进程

问题2：
ModuleNotFoundError: No module named ‘sklearn’

解决2：
conda install scikit-learn

5. 实践成绩

8.19凌晨 bert模型返回分数：0.89562（batch_size=1, epochs = 10）
8.19 bert模型返回分数：0.99452 （batch_size=8, epochs = 10）

相比之前的机器学习方法，效果显著提升，但运行时间也变长了

8.14 submit_task1.csv 得分：0.67116
第一次测试是基于逻辑回归模型的，没有考虑停用词；

8.16 submit_task_LR.csv 得分：0.67435
第二次测试也是基于逻辑回归模型的，但考虑了停用词；

8.16 submit_task_SVM.csv 得分：0.6778
第三次测试是基于SVM模型的，考虑了停用词；

8.16 submit_task_AdaBoost.csv 得分：0.76263
第四次测试是基于AdaBoost模型的，考虑了停用词；

8.17 尝试了XGBoost模型、GBDT模型，并且稍微调整了一下AdaBoost参数，但效果不行，得分比baseline低了将近0.01，这里就不展示了。

最后推荐一下 Datawhale
Datawhale 是一个专注于AI领域的开源学习社区，汇集了众多领域院校和知名企业的优秀学习者，聚合了一群有开源精神和探索精神的团队成员。
Datawhale 以「for the learner， 和学习者一起成长」为使命，鼓励真实地展现自我、开放包容、互信互助、敢于试错和勇于担当。
同时 Datawhale 用开源的理念去探索开源内容、开源学习和开源方案，赋能人才培养，助力人才成长，建立起人与人、人与知识、人与企业和人与未来的联结。