BERT（Transformer Encoder）详解和TensorFlow实现（附源码）

一、BERT简介

1. 模型

  BERT的全称为Bidirectional Encoder Representation from Transformers，从名字中可以看出，BERT来源于Transformer的Encoder，见如下Transformer网络结构图，其中红框部分即BERT：

  图中Encoder（BERT）和Decoder（GPT）结构相似，核心的区别在于其Attention Model的不同。BERT采用了双向注意力模型，而GPT采用的是单向注意力模型（即某个token只与该句子中位于其前方的token计算Attention），如下图：

  单向语言模型会限制模型的表征能力，使其只能获取单方向的上下文信息，而BERT利用双向注意力来构建整个神经网络，因此最终生成能融合左右上下文信息的深层双向语言表征，即真正意义上的Bi-Directional Context信息。这使得该模型在“完型填空”、“问答”、“情感分析”、“目标式搜索”、和“辅助性导航”等需要完整理解左右上下文信息的场景上，有着非常优秀的表现。

2. 训练

  BERT使用两种预训练方法：Masked Language Model和Next Sentence Prediction，分别捕捉词语和句子级别的特征。

2.1 Masked Language Model

  Masked Language Model称作遮蔽语言模型（简称 MLM）。MLM可以理解为完形填空，我们会随机屏蔽（mask）每一个句子中15%的词，用其上下文来预测原本的词语。
  例如：my dog is hairy → my dog is [MASK]，此处将hairy进行了mask处理，然后预测mask位置的词是什么。
  训练过程中，我们要做如下处理：
  80%的情况下采用[MASK]，my dog is hairy → my dog is [MASK]
  10%的情况下随机取一个词来代替[MASK]的词，my dog is hairy -> my dog is apple
  10%的情况下保持不变，my dog is hairy -> my dog is hairy
  这么做的主要原因是：在后续微调任务中语句中并不会出现[MASK]标记，且预测一个词汇时，模型并不知道输入对应位置的词汇是否为正确的词汇（10%概率），这就迫使模型更多地依赖于上下文信息去预测词汇，并且赋予了模型一定的纠错能力，训练过程如下图：

2.2 Next Sentence Prediction

  Next Sentence Prediction称作下一句预测（简称 NSP），即给定一篇文章中的两句话，判断第二句话在文本中是否紧跟在第一句话之后，如下图所示：

  在实际的训练中，通常另训练集中的50%符合IsNext关系，另外50%的第二句话随机从语料中提取，它们的关系是NotNext，并将这个关系保存在[CLS]中。

2.3 BERT的输出

  众所周知，BERT（以及GPT、Transformer）的模型特点是有多少个输入就有多少个对应的输出，如下图：

  故，理解其输出具有重要的意义。图中“C”为分类token “[CLS]”对应的输出，而“T_i”
则代表其他token “Tok_i”对应的输出。
  对于一些token级别的任务（如完型填空或问答任务），就把“T_i” 输入到额外的输出层中进行预测；对于一些句子级别的任务（如情感分类任务），就把“C”输入到额外的输出层中。
  注：图中的“[CLS]”代表了输入句子的分类；“[SEP]”代表输入的分隔符，其前后代表两个不同的句子。

3. 微调

  在海量语料训练完BERT之后，便可以将其应用到NLP的各个任务中。
  对应于NSP任务来说，其条件概率表示为：

  其中C是BERT输出中的[CLS]符号，W是可学习的权值矩阵。
  对于其他任务来说，我们也可以根据BERT的输出信息做出相应的预测。
  下图展示了BERT在11种各不同任务中的模型，它们只需要在BERT的基础上再添加一个输出层便可以完成对特定任务的微调。

  记录一篇很好的文章：https://blog.csdn.net/KK_1657654189/article/details/122204640

二、源码

  下面以语义分析为例，展示BERT的模型构建、预训练参数的加载、和微调的过程。

1. 加载BERT模型

  注：BERT的模型有很多个版本，其中Small BERT的参数量较小，微调耗时较小，适合新手学习使用；如果想要更高的准确率，且模型规模较小，可以选择ALBERT；如果要更高的准确率，而不关心模型规模，则可以选择classic BERT等版本。
  此处以Small BERT为例：

bert_model_name = 'small_bert/bert_en_uncased_L-4_H-512_A-8' 

map_name_to_handle = {
    'small_bert/bert_en_uncased_L-4_H-512_A-8':
        'https://tfhub.dev/tensorflow/small_bert/bert_en_uncased_L-4_H-512_A-8/1',
}

map_model_to_preprocess = {
    'small_bert/bert_en_uncased_L-4_H-512_A-8':
        'https://tfhub.dev/tensorflow/bert_en_uncased_preprocess/3',
}

tfhub_handle_encoder = map_name_to_handle[bert_model_name]
tfhub_handle_preprocess = map_model_to_preprocess[bert_model_name]

2. 加载预处理模型

  用于对输入的句子进行预处理，转换成BERT能识别的格式。

bert_preprocess_model = hub.KerasLayer(tfhub_handle_preprocess) # 加载为Keras Model

text_test = ['this is such an amazing movie!']
text_preprocessed = bert_preprocess_model(text_test)

3. 加载BERT

bert_model = hub.KerasLayer(tfhub_handle_encoder)

4. 构建BERT微调模型

  由于本例是做语义分析，如前边内容所述，需要将BERT输出内容中的[CLS]输入到Dense层中做分类处理，如下：

def build_classifier_model():
  text_input = tf.keras.layers.Input(shape=(), dtype=tf.string, name='text')
  preprocessing_layer = hub.KerasLayer(tfhub_handle_preprocess, name='preprocessing')
  encoder_inputs = preprocessing_layer(text_input)
  encoder = hub.KerasLayer(tfhub_handle_encoder, trainable=True, name='BERT_encoder')
  outputs = encoder(encoder_inputs)
  net = outputs['pooled_output']
  net = tf.keras.layers.Dropout(0.1)(net)
  net = tf.keras.layers.Dense(1, activation=None, name='classifier')(net) # 此处unit个数是1，因此是二分类
  return tf.keras.Model(text_input, net)

# 构建微调模型
classifier_model = build_classifier_model()
bert_raw_result = classifier_model(tf.constant(text_test))
print(tf.sigmoid(bert_raw_result))

  构建后的微调模型如下：

5. 训练

# 定义损失函数和度量函数
loss = tf.keras.losses.BinaryCrossentropy(from_logits=True)
metrics = tf.metrics.BinaryAccuracy()

# 定义optimizer
epochs = 5
steps_per_epoch = tf.data.experimental.cardinality(train_ds).numpy()
num_train_steps = steps_per_epoch * epochs
num_warmup_steps = int(0.1*num_train_steps)

init_lr = 3e-5
optimizer = optimization.create_optimizer(init_lr=init_lr,
                                          num_train_steps=num_train_steps,
                                          num_warmup_steps=num_warmup_steps,
                                          optimizer_type='adamw')

# 训练
classifier_model.compile(optimizer=optimizer,
                         loss=loss,
                         metrics=metrics)
print(f'Training model with {tfhub_handle_encoder}')
history = classifier_model.fit(x=train_ds,
                               validation_data=val_ds,
                               epochs=epochs)

6. 推理

loss, accuracy = classifier_model.evaluate(test_ds)

  至此BERT训练微调的主要过程已完成。