基于深度学习的短文本相似度学习与行业测评

文本相似度计算作为NLP的热点研究方向之一，在搜索推荐、智能客服、闲聊等领域得到的广泛的应用。在不同的应用领域，也存在着一定的差异，例如在搜索领域大多是计算query与document的相似度；而在智能客服、聊天领域更注重的是query与query之间的匹配，即短文本之间的相似度计算。

不同的文本长度，相似度的计算方案也存在差异，长文本匹配更多注重文本的关键词或者主题的匹配，业界使用的较多的算法如：TF-IDF、LSA、LDA；而短文本匹配更多的是句子整体的语义一致性，业界较为主流的算法有：word2vec、esim、abcnn、bert等深度模型。

相比于长文本的相似度计算，短文本的相似度计算存在更大的挑战。其一，短文本可以利用的上下文信息有限，语义刻画不够全面；其二，短文本通常情况下，口语化程度更高，存在缺省的可能性更大；第三，短文本更注重文本整体语义的匹配，对文本的语序、句式等更为敏感。

不同文本相似度算法的得分分布不一致，无法通过评分来对算法进行评估。因此对于不同的算法方案，可以设定特定的得分门限，得分高于门限，可判断为语义相同；否则，判断为语义不同。对于一个给定标签的数据集，可以通过准确率来衡量相似度计算的效果。常用的中文评估语料有：LCQMC、BQ Corpus、PAWS-X (中文)、afqmc等。

1. 主流方案

业界常用的短文本相似度计算方案大致可以分为两类：监督学习与无监督学习，通常情况下，监督学习效果相对较好。在没有足够的训练数据需要冷启动的情况下，可优先考虑使用无监督学习来进行上线。

1.1 无监督学习

最简单有效的无监督学习方案就是预训练的方式，使用word2vec或者bert等预训练模型，对任务领域内的无标签数据进行预训练。使用得到的预训练模型，获取每个词以及句子的语义表示，用于相似度的计算。

Word2vec是nlp领域一个划时代的产物，将word的表征从离散的one-hot的方式转化成连续的embedding的形式，不仅降低了计算维度，各个任务上的效果也取得了质的飞跃。Word2vec通过对大规模语料来进行语言模型（language model）的建模，使得语义相近的word，在embedding的表示上，也具有很强的相关性。

通过cbow或者max-pooling的方式，使用句子中每个词的word embedding计算得到sentence embedding，可以使得语义相似的句子在sentence embedding的表示上也具备较高的相关性，相比于传统的TF-IDF等相似度计算具有更好的泛化性。但是cbow的方式来计算sentence embedding，句子中所有word使用相同的权重，无法准确获取句子中的keyword，导致语义计算的准确率有限，难以达到上线标准。

虽然Word2vec提供了一定的泛化性，但其最大的弱点是在不同的语境下，同一个word的表征完全相同，无法满足丰富的语言变化。gpt、bert等大规模预训练模型的出现，彻底解决了这个问题，做到了word的表征与上下文相关，同时也不断刷新了各个领域任务的榜单。

但实验证明直接使用bert输出的token embedding来计算句子的sentence embedding，无论使用cbow的方式对所有token embedding求平均或者直接使用[CLS] token的embedding来表示，语义计算的效果都不佳，甚至不如GloVe。究其原因，在bert的预训练过程中，高频词之间共现概率更大，MLM任务训练使得它们之间语义表征更加接近，而低频词之间的分布更为稀疏。语义空间分布的不均匀，导致低频词周围中存在很多语义的“hole”，由于这些“hole”的存在，导致语义计算的相似度存在偏差。

为了解决bert语义空间不均匀的问题，CMU与字节跳动合作的bert-flow提出将bert的语义空间映射到一个标准的高斯隐空间，由于标准高斯分布满足各向同性，区域内不存在“hole”，不会破坏语义空间的连续性。

Bert-flow的训练过程就是学习一个可逆的映射f，把服从高斯分布的变量z映射到BERT编码的u，那就可以把u映射到均匀的高斯分布，这时我们最大化从高斯分布中产生BERT表示的概率，就学习到了这个映射：

实验表明，通过bert-flow的方式来进行语义表征与相似度计算的效果，要远远优于word2vec以及直接使用bert的方式。

1.2 监督学习

Bert-flow的出现使得无监督学习在文本相似度计算方面取得了较大进步，但是在特定任务上相比于监督学习，效果还存在一定的差距。监督学习常用的相似度计算模型大致可以分为两类：语义表征模型，语义交互式模型。语义表征模型常用于海量query召回，交互式模型更多使用于语义排序阶段。

DSSM是搜索领域最常用的语义表征模型之一，而在短文本匹配领域，使用最多的网络结构是孪生网络，常用的孪生网络包括：siamese cbow，siamese cnn，siamese lstm等。孪生网络训练时，所有query使用相同模型来进行语义表征，通过余弦相似度等方式来计算query间的相似度，不断最大化正样本之间的相关性，抑制负样本之间的相关性。预测时，每个query通过语义模型单独获取语义向量，用来计算query之间的相似度得分。由于query 语义表征仅与本身有关，因此在进行query检索时，可以提前对语料库中query构建语义索引，大大提升系统的检索效率。

相比于语义表征模型，交互式语义模型具有更好的匹配效果，模型结构往往也更加复杂，常用的交互式语义模型有ABCNN、ESIM等。交互式模型在计算query之间的语义相似度时，不仅对单个query的语义特征进行建模，还需要query之间的交互特征。交互式模型通常使用二分类的任务来进行训练，当模型输入的两个query语义一致，label为“1”，反之，label为“0”。在预测时，可通过logits来作为置信度判断。

大规模预训练模型的出现，也横扫了文本相似度任务的各项榜单。Bert将lcqmc数据集的SOTA带到了86%的水平。随后，Roberta、albert、ernie等新的预训练模型层出不穷，也不断刷新着匹配准确率的SOTA水平。

2. 业务应用

在语义问答的业务中，通常会使用召回+排序的算法架构，在我们的闲聊业务中，我们也使用了类似的架构。使用siamese cnn语义表征模型来进行语义召回，用蒸馏后的transformer语义交互模型来做排序。

在语义表征模型的loss构建上，我们参考了人脸识别领域的损失函数设计。这个两个任务在本质上是相似的，人脸识别是将人脸图片用向量表示，而文本检索式将文本用向量来进行表示，都期望正样本之间有足够高的相关性，负样本之间足够好区分。

在使用Siamese cnn进行语义建模时，我们使用了1个标准query，1个正样本，5个负样本（尝试过其他负样本数量，在我们的数据上效果不如5个负样本），训练过程其实是在这6个样本中，识别出对应正样本的位置，因此可将其转化为分类任务来进行训练，每个正负样本分别对应一个类别。使用每个样本与标准query之间的相似度，来作为对应类别的logits，对logits进行归一化并构建loss函数。传统的softmax归一化构建的分类边界使得类别之间可分，为了更好的语义表征效果，需要使得类内更加汇聚，类间更加分散。ASoftmax、AMSoftmax、ArcFace等归一化方式，提出将所有query映射到一个球面，query之间的相似度通过他们之间的夹角来计算，夹角越小相似度越高，通过在角度域添加margin的方式，使得类内更汇聚，类间更可分，达到更好的语义表征效果。

我们对比了softmax、Asoftmax、AMSoftmax、Arcface等不同归一化方式，其中，Softmax没有添加任何margin，ASoftmax通过倍角的方式在角度域添加margin，AMSoftmax则是在余弦域添加margin，而Arcface则是直接在角度域添加固定margin。

我们使用30W的语料库来构建索引，使用12900条线上query（语料库中不包含完全相同的query）来进行召回测试，使用相同的向量索引工具，对比发现AMSoftmax、Arcface召回效果上有很大提升，在我们的业务中得到了应用。

在排序模型方面，我们尝试了ABCNN、ESIM、transformer等交互式语义模型，但效果相比于bert等预训练模型，还存在一定的差距。我们团队自研的预训练模型Xbert，在与Roberta large同规模的情况下，融入了自研知识图谱数据，添加了WWM（whole word MLM）、DAE、Entity MLM等任务，使用LAMB优化器进行优化。我们使用XBert在业务数据上进行了测试，相比于同规模的Roberta large准确率有接近0.9%的提升。为了满足上线需求，我们参考tiny bert的方式，用Xbert蒸馏了一个4层的transformer model用于线上推断。

我们在内部的问答数据集上对不同排序方案做了的效果对比，使用12900条线上用户真实query，进行全链路的效果对比测试。用语义召回top1的准确率来评估语义表征模型的效果，并且通过消歧模块进一步提升应答准确率；测试排序模型效果时，我们使用了多路召回，共召回30个候选，使用排序模型对候选排序，选择排序后的top1作为最终答案。若经过消歧模块，所有候选均被消歧掉，或排序后的top1候选排序得分不满足应答门限时，则该query系统无应答。因此，我们使用应答率与应答准确率来作为系统最终的评测指标，来评估不同方案的效果。

为了测试自研的Xbert在公开的语义相似度数据集上的效果，在lcqmc数据集上，单模型准确率88.96%，较Roberta large单模型87.9%的准确率，提升了1%；通过使用正样本之间的传递性以及负样本采样的方式，来进行数据增强以及FGM对抗训练的方式，准确率提升至89.23%；通过ensemble的方式，将准确率进一步提升至90.47%。通过相同的方式，在bq_corpus上达到了87.17%，在paws-x任务上达到了88%，在afqmc数据集上也达到了77.234%，在百度举办的千言文本相似度比赛中完成登顶。

3. 总结与展望

短文本相似度在我们的闲聊领域得到了应用，使用语义表征学习来进行召回+交互模型排序的算法架构，在保证系统性能的前提下，取得了不错的业务效果。在语义表征模型上，我们使用人脸识别领域的loss来提升召回效果；在语义排序方面，我们也利用了大规模预训练模型以及模型蒸馏，来进一步提升业务效果。在大规模预训练语言模型方面，我们积极探索与改进，相比于现有开源预训练模型，我们的Xbert在业务上以及公开数据集上的评测效果，都有了进一步的提升。

在今后的工作中，我们会利用好预训练模型这个核武器，在我们Xbert的基础上努力优化突破，将文本的相似度匹配任务带新的台阶。在解决单轮相似度匹配的情况下，我们也会继续探索结合上下文的多轮匹配以及多轮生成等任务，来进一步提升我们闲聊业务的体验。

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