六、ERNIE

6.1 ERNIE 1.0

1. BERT 的 MLM 任务在执行 mask 的时候，未能考虑先验知识。如：假设要预测 __ is a series of fantasy novels written by J. K. Rowling。

   如果有 Harry Potter 和 J. K. Rowling 关系的先验知识，则无需借助很长的上下文就可以很容易的预测出缺失的单词为 Harry Potter。

2. ERNIE: Enhanced Representation through Knowledge Integration 改变了 BERT 的 mask 策略，通过引入 entity-level mask 和 phrase-level mask 来引入先验知识。

   但是 ERNIE 并没有直接添加先验知识，而是隐式的学习实体间的关系、实体的属性等知识。

   

6.1.1 Entity-level Mask & Phrase-level Mask

1. 与直接嵌入先验知识不同，ERNIE 将短语级 phrase-level 和实体级 entity-level 知识通过多阶段学习集成到语言表示中。

   • ERNIE 将一个短语 phrase 或者一个实体 entity 作为一个单元，每个单元通常由几个 token 组成。在训练期间，同一个单元中的所有 token 都会被屏蔽，而不是只有一个 token 被屏蔽。

     通过这种方式，ERNIE 在训练过程中隐式的学习短语或实体的先验知识。

     • 对于英语，论文使用单词分析和分块工具来获取短语的边界；对于中文，论文使用分词工具来获取词的边界。
     • 命名实体 entity 包括人名、地名、组织名、产品名等。

   • ERNIE 通过三阶段学习来学得短语或实体的先验知识：

     • 第一阶段 Basic-level masking：使用基本的掩码策略，做法与 BERT 完全相同。

       这个阶段是在基本语言单元的随机 mask 上训练，因此很难对高级语义知识建模。

       对于英文，基本语言单元是词word；对于中文，基本语言单元是汉字 char 。

     • 第二阶段 Phrase-level masking：使用基本语言单元作为训练输入，但是使用 phrase-level 的掩码策略。

       这个阶段模型屏蔽和预测同一个短语的所有基本语言单元 。

     • 第三阶段 Entity-level masking：使用基本语言单元作为训练输入，但是使用 entity-level 的掩码策略。

       这个阶段模型屏蔽和预测同一个命名实体的所有基本语言单元 。

   

2. ERNIE 编码器和 BERT 相同，但是对于中文语料，ERNIE 把 CJK 编码范围内的字符都添加空格来分隔，然后使用 WordPiece 来对中文语句词干化。

6.1.2 预处理

1. ERNIE 使用异构语料库进行预训练，其中包括：

   • 中文维基百科（2100万句子）
   • 百度百科（5100万句子），包含书面语编写的百科文章
   • 百度新闻（4700万句子），包含电影名、演员名，足球队名等等的最新信息
   • 百度贴吧（5400万句子），每个帖子都被视为一个对话 thread

   另外，ERNIE 执行汉字繁体到简体的转换、英文字符大写到小写的转换。最终模型的词汇表 17964 个 unicode 字符。

6.1.3 对话语言模型

1. 对话数据对于语义表示很重要，因为相同回答对应的问题通常是相似的。因此 ERNIE 采用对话语言模型 Dialogue Language Model:DLM 任务对query - response 对话进行建模，通过引入 dialogue embedding 来识别对话中的角色。

   • Q 表示 query 的 embedding， R 表示 response 的 embedding 。
   • ERNIE 不仅可以表示单轮对话 QR，还可以表示多轮对话，如 QRQ,QRR,QQR 等等。

   

2. 和 MLM 任务类似，DLM 任务随机 mask 掉 query 或者 response 中的 token，然后根据query 和 response 来预测缺失的单词。

   通过这种方式，DLM 帮助 ERNIE 去学习对话中的隐含关系，从而增强了模型学习语义表达的能力。

   • 也可以将 query 或者 response 用一个随机挑选的句子替代，然后预测该对话是真的还是假的。
   • DLM 任务的结构和 MLM 任务的结构是兼容的，因此可以直接替代 MLM 任务。

6.1.4 实验

1. 为了与 BERT-base 比较，ERNIE 选择了同样的模型尺寸：Transformer-Layer 共 12 层，网络中隐向量均为 768 维， 网络的 multi-head 为 12 头。

2. ERNIE 在 5 项中文 NLP 任务中的表现如下图所示。这5项任务包含：自然语言推理 natural language inference:NLI，语义相似度 semantic similarity，命名实体识别 named entity recognition:NER，情感分析 sentiment analysis:SA，问答 question answering:QA 。其中：

   • 自然语言推理数据集采用 Cross-lingual Natural Language Inference :XNLI 数据集：包含一个众包的 MultiNLI 数据集，每一对被人工标记了蕴含关系，并被翻译成包括汉语在内的 14 种语言。

     标签包含：矛盾 contradicition、中立 neutral、蕴含 entailment 。

   • 语义相似度数据集采用Large-scale Chinese Question Matching Corpus:LCQMC 数据集：每一对句子被人工标记一个二元标签，表示语义是否相似。

   • 命名实体识别数据采用MSRA-NER 数据集：由微软亚研院发布，包含几类实体：人名、地名、组织名称等。

   • 情感分析采用ChnSentiCorp 数据集：包含了酒店、书籍、电脑等多个领域的评论及其人工标注的二元情感分类。

   • QA采用NLPCC-DBQA 数据集：包含了一些问题及对应的人工筛选出来的答案。

   

3. ERNIE 对各种 level 的 mask 的实验结果如下图所示，其中 10% of all 表示使用 1/10 的语料库进行训练。

   结果表明：

   • 引入 phrase-level mask 能提高模型性能，引入 entity-level mask 可以进一步提高模型性能。
   • 使用更大的预训练集，效果会更好。

   

4. ERNIE 引入 DLM 任务的实验结果如下图所示，其中：

   • 10% of all 表示使用 1/10 的语料库来训练，但是这 10% 采用了不同的挑选策略：

     • Baike(100%) ：这 10% 全部由百度百科语料组成。
     • Baike(84%) / news(16%) ：这 10% 由 84% 的百度百科语料、16% 的百度新闻语料组成。
     • Baike(71.2%)/news(13%)/forum Dialogure(15.7%) ：这 10% 由 71.2% 的百度百科、13% 的百度新闻、15.7% 的百度贴吧对话语料组成。
   • 所有结果是在 XNLI 任务上执行5次随机重启的 fine-tuning 的均值。

   

5. 完形填空实验：将命名实体从段落中移除，然后模型需要预测被移除的实体。ERNIE 在完形填空实验的结果如下图所示。

   • 例 1 中，BERT 试图复制上下文中出现的名称，而 ERNIE 记得文章中提到的关于实体关系的知识。

   • 例 2 和 5 中，BERT 能根据上下文成功地学习模式，从而可以正确预测命名实体类型，但是预测了错误的实体。

   • 例 3、4、6中，BERT 用几个与句子相关的字符填充 mask，完全未能学习到缺失的实体对应的概念。

   • 除了例 4 之外， ERNIE 都预测到了正确的实体。

     对于例 4，虽然 ERNIE 预测错了实体，但是它给出的结果具有相同的语义类型。

   这些案例表明：ERNIE 在基于上下文的知识推理中表现得更好。

   

6.2 ERNIE 2.0

1. ERNIE 2.0 提出了一个持续学习框架 framework，它通过持续的多任务学习来学习预训练模型。

   • 与其它预训练模型相同，它也是采取预训练阶段和微调阶段的两阶段模式。
   • 与其它预训练模型不同，其预训练阶段的预训练任务可以持续的、增量的构建，从而帮助模型有效的学习词法lexical、句法syntactic和语义semantic 表示。

   

2. ERNIE 2 受到人类学习过程的启发：人类能够不断积累那些通过学习获得的经验，然后基于过去的经验可以拓展出新的技能。

   同样的，ERNIE 2 预期模型通过多个任务训练之后，在学习新任务时能够记住以前学得的知识。

3. 常见的预训练模型基于单词的共现或者句子的共现来训练模型，而 ERNIE 2 基于词法、句法、语义上的信息来训练模型。

   • 命名实体可能包含一些概念，可用于捕获词法信息
   • 句子之间的顺序、句子之间的相似度包含了一些语言结构，可用于捕获句法信息
   • 文档之间的语义相似性、句子之间的对话关系包含了一些语言的语义，可用于捕获语义信息。

6.2.1 模型结构

1. 持续预训练阶段包含两个步骤：

   • 不断构建包含大量数据和先验知识的无监督预训练任务，其中包括：word-aware单词相关的任务、structure-aware 句子结构相关的任务、semantic-aware 句子语义相关的任务。

     这些任务仅仅依赖于无需人工标注的自监督self-supervised 语料，或者弱监督weak-supervised 语料。

   • 通过多任务学习不断更新 ERNIE 模型。

     • 首先通过一个简单的预训练任务来训练模型。

     • 然后每次添加一个新的预训练任务时，用前一个模型的参数来初始化当前模型。

       每当引入一个新的预训练任务时，它就会和先前的任务一起训练，从而确保模型不会忘记它之前所学到的知识。这样 ERNIE 就能够不断学习和积累在学习过程中获得的知识。

2. 持续预训练阶段的训练框架包含一系列用于编码上下文信息的 encoder 层，这可以通过 RNN/LSTM/Transformer 来实现。encoder 层的参数在所有预训练任务中共享和更新。

   每个预训练任务都有自己的损失函数。其中损失函数有两种类型：

   • sequence-level 损失函数：每个序列一个 loss ，如句子情感分析任务。
   • token-level 损失函数：每个 token 一个 loss，如机器阅读理解任务。

   

3. 微调阶段：使用每个下游任务的具体监督语料来进行微调，最终每个下游任务都有自己的微调模型。

4. ERNIE 2 给不同的预训练任务分配 task id，对每个 task 训练一个唯一的 task embedding 。

   因此 ERNIE 2 的输入 embedding 包含了 token embedding, segment embedding, position embedding, task embedding 这四种 embedding 。

   而在微调阶段，因为下游任务通常与预训练任务不同，此时选择任意一个 task id 的 task embedding 来初始化即可。

   

5. 预训练任务：

   • word-aware单词相关的任务：捕捉词法信息。

     • Knowledge Masking Task：在 ERNIE 1.0 中使用的预训练任务，通过知识集成来提高模型表达能力。

       该任务通过引入短语 mask 和命名实体 mask 来预测整个短语或者命名实体，从而帮助模型学习到局部上下文（短语、命名实体内部字符）和全局上下文 （短语之间、命名实体之间）的依赖信息。

     • Capitalization Prediction Task：预测一个单词是大写单词还是小写单词。

       大写单词通常具有特定的语义价值。因此通过该任务的学习，模型有利于命名实体识别任务。

     • Token-Document Relation Prediction Task：预测一个段落中的 token 是否出现在原始文档的其它段落中。

       通常如果一个单词出现在文档的很多地方，则该单词是常用词或者文档的关键词。因此通过该任务，模型能够在一定程度上捕获文档关键词。

   • structure-aware 句子结构相关的任务：捕获句法信息。

     • Sentence Reordering Task：学习同一篇文档句子之间的顺序关系。

       给定的段落被随机切分成 1 到 个部分，然后被随机混洗。模型需要预测其正确的句子顺序。

       该问题视为一个 分类问题，其中 。

     • Sentence Distance Task：学习文档级别的句子之间的距离关系。

       给定两个句子，如果它们在同一个文档中且相邻则标记为 0；如果在同一个文档中且不相邻则标记为 1 ；如果不在同一个文档中则标记为 2 。

   • semantic-aware 句子语义相关的任务：捕获句子语义信息。

     • Discourse Relation Task ：

     • IR Relevance Task：学习搜索中的用户 query 和文档标题之间的关系。

       给定用户 query 和文档标题：

       • 如果用户查询后点击文档标题则标记为 0 ，表示强相关
       • 如果文档出现在 query 的搜索结果里，但是用户未点击文档标题则标记为 1 ，表示弱相关
       • 如果文档未能出现在 query 的搜索结果中则标记未 2 ，表示不相关

6.2.2 实验

1. 预训练数据：

   • 英文训练语料库：除了 BERT 用到的英文维基百科、BookCorpus 数据集，ERNIE 2 还使用了 Reddit,Discovery 数据集。
   • 中文训练语料库：采用百度搜索引擎收集到的各种数据，包括：百度百科、新闻数据、对话数据、检索日志、对话关系。

   

2. 预训练配置：

   • 为了和 BERT 比较，模型尺寸几乎相同.

     • base model 尺寸为：12 层 Transformer、12 头、隐向量 768 维
     • large model 尺寸为：24 层 Transformer、16 头、隐向量 1024 维

   • 采用 Adam 优化器，参数为： 。

   • 学习率为：基于 noam 衰减，其中初始学习率：英文模型 5e-5，中文模型 1.28e-4 。并且前 4000 步采取 warmup 机制。

   • batch size 包含 393216 个 token 。

   • 通过采用 float16 精度的操作来加快训练和降低内存使用。

   • ERNIE 2.0 的 base model 在 48块 NVidia V100 GPU 显卡上训练，large model 在 64 块 NVidia V100 GPU 显卡上训练。

3. 英文微调任务：在 GLUE 上微调，其中包括以下任务及其标记数据：

   • Corpus of Linguistic Acceptability: CoLA：预测一个句子是否符合语法规范。

     标记数据由来自23个语言学领域的 10657个句子组成，人工标注其是否语法上可接受。

   • Stanford Sentiment Treebank:SST-2：预测评论的情感。

     标记数据由 9645 条电影评论组成，人工标注情感标签。

   • Multi-genre Natural Language Inference:MNLI：预测句子之间的蕴含关系。

     标记数据由众包的 43.3 万句子对组成，人工标注了句子之间的蕴含关系。

   • Recognizing Textual Entailment:RTE：类似 MNLI ，但是标记数据的规模更小

   • Winograd Natural Language Inference:WNLI：预测两段文本之间的共指信息。

   • Quora Question Pairs：预测两个句子是否语义相同。

     标记数据从 Quora 问答社区提取的40万句子对组成，人工标注了句子之间是否语义相同。

   • Microsoft Research Paraphrase Corpus:MRPC：预测两个句子是否语义相同。

     标记数据由互联网新闻中提取的 5800对句子组成，人工标注句子之间是否语义相同。

   • Semantic Textual Similarity Benchmark:STS-B ：预测两个句子之间语义是否相似。

     标记数据包含从图片标题、新闻标题、用户论坛的文本，用于评估语义相似性。

   • Question Natural Language Inference：预测一对给定文本之间的关系是否是问题和对应的答案。

   • AX：一个辅助的手工制作的诊断测试工具，用于对模型分析。

   数据集的大小如下图所示，其中 #Train,#Dev,#Test 分别给出了训练集、验证集、测试集大小， #Label 给出了类别集合的大小。

   

   微调超参数参数：

   

   微调结果：

   

4. 中文微调任务：包括机器阅读理解、命名实体识别、自然语言推理、语义相似度、情感分析和问答等 9 个中文 NLP 任务。

   • 机器阅读理解 Machine Reading Comprehension:MRC ：典型的文档级建模任务，用于从给定文本中提取出连续的片段来回答问题。

     数据集：

     • Chinese Machine Reading Comprehension 2018 : CMRC 2018：由中国信息处理学会、 IFLYTEK 和哈工大发布的机器阅读理解数据集。
     • Delta Reading Comprehension Dataset：DRCD：由 Delta 研究所发布的繁体中文机器阅读理解数据集，通过工具将它转换为简体中文。
     • DuReader：百度在 2018年 ACL 发布的大规模中文机器阅读理解、问答数据集，所有问题是从真实的、匿名的用户的 query 中得到的，问题的回答是人工生成的。

   • 命名实体识别 Named Entity Recognition:NER ：单词级别的建模任务，识别出文本中的命名实体。

     数据集：微软亚洲研究院发布的 MSRA-NER 数据集

   • 自然语言推理Natural Language Inference:NLI：句子级别的建模任务，判定两个给定句子之间的蕴含关系。

     数据集： XNLI 数据集。

   • 情感分析Sentiment Analysis:SA：句子级别的建模任务，用于判定给定的句子情感是积极的还是消极的。

     数据集：ChnSentiCorp 数据集。该数据集包含酒店、书籍和 PC 等多个领域的评论。

   • 语义相似度 Semantic Similarity:SS：句子级别的建模任务，用于判断给定两个句子是否语义相似。

     数据集：

     • LCQMC：哈工大 2018年发布的语义相似数据集
     • BQ Corpus：由哈工大和 WeBank 在 2018年 EMNLP 上发布的语义相似数据集

   • 问答 Question Answering:QA：句子级别的建模任务，用于给每个问题挑选一个正确答案。

     数据集：NLPCC-DBQA，该数据集 2016年在 NLPCC 上发布。

   数据集的大小如下图所示，其中 #Train,#Dev,#Test 分别给出了训练集、验证集、测试集大小， #Label 给出了类别集合的大小。

   

   中文微调超参数：

   

   中文微调结果：