基于Seq2Seq的信息抽取方法在多轮对话场景的应用

本文主要介绍了基于Seq2Seq方法从双人语音对话文档中提取电话号码的实践方法，重点介绍了基于不同模型结构的Seq2Seq方法如LSTM、GRU、Transformer的效果对比情况，同时介绍了在Encoder层尝试的不同Embedding方式及其如何采用Attention、Beam Search等方法来提升模型效果。实践结果表明基于Seq2Seq的方法在多轮对话交互中提取电话号码实体的效果相比基于传统的NER方法在F1值提升约30%。

1. 业务背景

58同城是国内最大的生活服务类信息平台，该平台拥有大量的B端商家和C端用户。在双方的语音对话内容中，C端会告知B端一些已登记信息，如：用户的所在地和电话号码。为了核对用户已登记号码与对话中涉及的电话号码是否一致，从而发现异常用户，提升B端的运营效率与体验，利用NLP相关技术自动化提取的电话号码信息显得至关重要。

本文将任务抽象为以下两个阶段：

第一阶段是语音识别（ASR），将B端与C端的通话语音转化为文本。第二阶段是信息抽取，从对话文本中将C端提及的电话号码抽取出来。第一阶段直接利用58自研的语音识别引擎，因此本任务只关注第二阶段。在第二阶段，本文利用了基于对齐注意力机制的Seq2Seq结构进行电话号码抽取。

2.数据特点

人工阅读大量对话文本后，可以发现数据有以下特点：

1.正则表达式

利用正则表达式提取电话号码是最简单的方法，但是它缺点明显，如：需要针对很多情况进行大量的预处理，过程繁琐，需要编写大量的模板，而且召回率很低。在测试集上进行实验，该方法的F1值为35.98%。

2.命名实体识别

将C端或B端的对话内容拼接在一起，然后利用命名实体识别的方法进行电话号码提取，也是比较简单的方法，但是该方法非常受限于原始对话文本。正如前面所提，电话号码中间会掺杂其他口语等内容，使得电话号码无法保持完整，因此该方法召回率也较低。在测试集上进行实验，该方法的F1值为37.49%。

3.Seq2Seq结构

Seq2Seq结构是基于深度学习的网络结构，它通过对原始信息进行编码，得到全文的语义编码，然后利用编码信息逐步解码，生成最终的答案。该结构已经广泛运用于机器翻译、文本摘要等任务，并且取得不错的效果，因此本文将采用该结构来完成此任务。

1.Seq2Seq结构总述

如图所示，Seq2Seq又称为Encoder-Decoder结构。在Encoder阶段，利用特征提取器，将输入序列进行编码，得到context vector。特征抽取器一般有CNN、 RNN、 Transformer等。在Decoder阶段，利用context vector和历史解码结果，依次解码得到答案。

2.Encoder

如图所示，x1、x2…xm是输入的tokens，采用字符级别。在Encoder内部，利用embedding、RNN、FC等，得到输入的向量表示C。其中，特征提取器的性能，决定向量C的表达能力。向量C一般称为上下文向量，可以看作对所有源信息的整合。本次任务是从对话文本中提取电话号码，对长距离特征、时序特征的捕获非常重要。

在实践中，需要先对对话文本进行预处理，从对话中提取部分内容作为输入。具体做法是：利用正则，只保留提及电话号码相关的内容。选择部分内容而不是全部内容作为Enocder的输入，可以降低任务的复杂性和难度，使模型专注于电话号码上下文的理解。

3.Decoder

如图所示，Decoder阶段利用Encoder的输出Context Vector和前一时刻的解码结果yt-1，得到当前时刻的预测结果yt。

在实践中，本文对输出端进行了若干限制。首先，限制解码长度为电话号码的长度，即11位；其次，限制输出端的词表为0~9，即10个数字。

4.数据集

经过上述的预处理后，得到训练集45376份、验证集5671份、测试集5673份。

5.模型1：基于LSTM的Seq2Seq结构

首先尝试的是基于LSTM的Seq2Seq结构，它的模型结构如图所示。

在Encoder中，特征提取器采用两层双向LSTM，得到源信息的固定表征Context Vector。在Decoder中，特征提取器采用两层单向LSTM，将Context Vector作为隐藏层的初始化输入。在超参数上，embedding_size为256，hidden_size为512。在损失函数上，选择极大似然估计作为损失函数。

训练后发现，模型的拟合速度慢，存在误差爆炸的现象。于是采用Teacher-Forcing策略进行训练。简单来说，Teacher-Forcing是引导着模型去学习，即：在训练阶段，用上一时刻的真实结果而不是预测结果作为当前时刻的输入。这样的引导式学习方式，可以避免“一步错、步步错”的问题，使得训练过程更加容易。此外，为了避免训练和推理阶段不一致，需要对训练过程进行适度指导，即：以一定的概率选择真实结果作为输入。

因此，本文将teacher_forcing_ratio的参数值设置为0.5。训练成功后，具体的实验结果如下。

在业务实际应用中，提取的电话号码会发送到业务方，业务方会将该电话号码与用户已登记的电话号码进行核实确认。如果两者一致，说明该用户是目标客户。电话号码共有11位，即使错误1、2位，也可以近似判断两者的一致性。由此可见，电话号码识别错误1、2位对业务影响较小，于是本文选择3种评价方式。

从结果来看，该模型的效果一般。于是，针对此模型进行了一系列优化。

6.对模型1的优化

在解码时采用beam search算法。在之前的解码阶段，每时刻只保留概率最大的一个结果。采用beam search算法后，每时刻保留概率最大的k个结果，这可以在一定程度上避免局部最优的情况。本文设置k为5，全对的准确率提升较大，约5%。

限制输入端的词表，只保留与电话号码相关的词汇。从结果来看，准确率提升有限，约1%左右。

只保留C端用户的说话内容。从结果来看，虽然全对的准确率有所提升，但是其他两者的准确率下降明显。分析badcases后发现，由于ASR转写文本存在损失，导致C端的说话内容无法完全包含号码中的数字。

融入角色信息。在Embedding阶段，将角色信息向量化，参与模型的训练。从结果来看，准确率略有提升。

经过的以上的尝试后发现，该模型的特征提取能力有限，于是采用基于注意力机制的模型。

7.模型2：基于GRU+Attention+特征融合的Seq2Seq结构

模型2的结构如图所示，该结构选择GRU作为特征提取器。由论文《Empirical Evaluation of Gated Recurrent Neural Networks on Sequence Modeling》可知，在一些应用场景中，GRU的效果要优于LSTM。而且，GRU的参数量比LSTM少，训练时收敛速度更快，便于快速迭代。相比较于模型1，模型2主要有两个创新点：

1.利用注意力机制得到源信息的动态表征；

2.在Decoder阶段将多个特征融合，相比于模型1，减少了信息压缩。

如图所示，模型2的注意力机制一般称为基于对齐的注意力机制。这种注意力机制主要包括3个步骤：打分、归一化、合成。在“打分”阶段，该模块负责计算Decoder隐藏层的输出ht-1与Encoder中隐藏层的输出h1…h4的相关性。本文采用的是线性变换和非线性变换组合的方式，得到了输入端所有时间步的打分值。在“归一化”阶段，将打分值进行softmax归一化，得到概率表示，此时的概率表示可以看作Encoder中各部分的权重。在“合成”阶段，利用概率权重对Encoder各部分进行加权求和，得到最终的上下文向量Context Vector。简单来说，注意力机制可以从纷繁的信息中找到当前任务所需要的关键信息。

在Decoder阶段，每一时刻都会重复计算上下文向量，所以称之为源信息的动态表征。在多特征融合方面，首先将Context Vector和yt-1拼接，作为GRU的输入；其次，将Context Vector、yt-1、ht拼接，作为预测时全连接层的输入。这种多特征融合的方式，使得特征之间的交互更充分。

经过训练调优后，模型2的效果如下。

从结果来看，在各种评价方式上，准确率有非常大的提升。

此外，为了对比LSTM和GRU在此任务的效果，本文还将GRU替换为LSTM，实验结果如下。

从结果来看，两者效果差别不大，GRU略优。可见在本任务中，GRU提取特征能力已经足够强大，能够胜任本任务。

8."基于LSTM的Seq2Seq结构"与"基于GRU+Attention+特征融合的Seq2Seq结构"的结果分析

"基于LSTM的Seq2Seq结构"只能对简单文本中的电话号码识别效果好。如以下样例。

"基于GRU+Attention+特征融合的Seq2Seq结构"不仅对简单文本识别效果好，对于那些复杂文本和需要语义理解的文本，也可以取得良好的效果。如以下样例。

此外，对"基于GRU+Attention+特征融合的Seq2Seq结构"的bad cases进行了分析。在这些识别错误样本中，约有80%的错误是由ASR阶段导致。例如，由于语速过快或方言导致ASR阶段的数字转写错误和转写遗漏。由此可见，虽然准确率约70%，但是该模型的泛化能力很好。

9.模型3：基于Transformer的Seq2Seq结构

最后，本文还尝试了Transformer模型，模型结构如图所示。

Transformer是业内常用的Seq2Seq结构，其内部利用self-attention作为特征抽取器。经过训练调优后，模型3的效果如下：

相比较于模型1，准确率依然有很大的提升；但是相比较于模型2，全对的准确率高约1%，其他两者的准确率差距较大。

Transformer的效果弱于模型2，原因可能是：Transoformer调参困难，容易过拟合；该任务训练数据有限、任务难度有限，没有发挥self-attention的优势。从经验来看，一般数据量很大且任务难度较大时，Transformer的效果才会明显优于RNN。知乎上很多网友的任务经验也印证了这一点，详情见参考文献5。

由此可见，针对提取电话号码这类任务，利用“GRU+Attention+特征融合”的方案更有效。

本文分析了电话号码提取任务的特点和解决方案，并利用Seq2Seq结构解决此类任务。在Seq2Seq结构中，本文尝试了多种特征提取器和优化方案，其中“GRU+基于对齐的注意力机制+多特征融合”的方案综合效果最优。在后续的迭代优化中，不仅在数据预处理阶段更加细致，还会采用规则与模型相结合的方式提升准确率。

参考文献

1.Sutskever I, Vinyals O, Le Q V. Sequence to sequence learning with neural networks[C]//Advances in neural information processing systems. 2014: 3104-3112.
2.Bahdanau D, Cho K, Bengio Y. Neural machine translation by jointly learning to align and translate[J]. arXiv preprint arXiv:1409.0473, 2014.
3.Chung J, Gulcehre C, Cho K H, et al. Empirical evaluation of gated recurrent neural networks on sequence modeling[J]. arXiv preprint arXiv:1412.3555, 2014.
4.Vaswani A, Shazeer N, Parmar N, et al. Attention is all you need[C]//Advances in neural information processing systems. 2017: 5998-6008.
5.https://www.zhihu.com/question/302392659

作者

高正建，58同城AI Lab算法工程师。2020年6月硕士毕业于首都师范大学，毕业后入职58AI Lab从事算法研发工作。目前负责语音语义标签挖掘分析、智能写稿等相关的工作。