多标签文本分类SGM: Sequence Generation Model for Multi-Label Classification

Posted 2022-03-02 征途黯然.

·阅读摘要：
  本文提出基于SGM模型，在Seq2Seq的基础上提出SGM模型应用于多标签文本分类。论文还提出了很多提升模型表现的细节，这是在Seq2Seq中没有的。
·参考文献：
  [1] SGM: Sequence Generation Model for Multi-Label Classification
  [2] Seq2Seq模型讲解，参考博客：【多标签文本分类】代码详解Seq2Seq模型

  本文的亮点有很多：

  1、对训练集的标签处理：高频标签放在前面，进而更好地指导整个标签的输出。此外，bos和eos符号分别添加到标签序列的头部和尾部；
  2、SGM模型结构：编码器+注意力机制+解码器；
  3、解码器预测生成词时，使用Masked Softmax防止重复预测；
  4、上一步的生成词转为词向量，放入下一步的解码器时，采用Global Embedding全局嵌入；
  5、选择生成出来的序列时，采用beam search波束搜索算法找出预测路径；

[1] SGM模型图

  如下图，是论文中给的模型：

  我给模型图加了一些注释，如下图：

【注一】：模型介绍将以帮助理解为主，关于公式推导，可以参考论文原文

  首先，模型架构可以分成3个部分：编码器、注意力机制、解码器。

  1、编码器（Encoder）：很简单，就是一个双向LSTM，输出是每一步的$H$，即$h_i$。

  2、注意力机制（Attention）：此层的目的是，在当前$s_i$下，挖掘$h_0$到$h_m$中与$s_i$关系比较突出的向量表示，即$c_i$。所以，此层的输入为$s_i$、$h[0:m]$，输出是$c_i$。

【注二】：$c_i$将作为与$y_i$同等地位的数据，两者拼接，作为解码器的输入。

  3、解码器（Decoder）：基础架构也是双向LSTM。但是在Seq2Seq模型中解码器的输入为（$s_i,y_i$），但是本文模型的解码器输入为（$s_i,[c_i,g(y_i)]$），$[c_i,g(y_i)]$表示是$c_i$、$g(y_i)$两者的拼接，$g(y_i)$中的函数$g()$就是上文提到的Global Embedding思想。除此之外，为了防止生成同样的标签，在解码器预测标签时，还使用了Masked Softmax思想。

【注三】：Global Embedding、Masked Softmax会在下文阐述。

[2] 细节阐述

  1、Masked Softmax解决多标签分类的输出重复问题。

  解决方法: 作者在最终$softmax$输出的时候引入了$I_t$将已输出的标签剔除。
$$y_t=softmax(o_t+I_t)$$
$I_t$的表示如下，如果标签已经被输出了，则$I_t$为负无穷：

  2、 Seq2Seq 中某时刻t 的输出对时刻t+1的输出影响很大，也就是说时刻t出错会对时刻 t+1之后的所有输出造成严重影响。论文称为exposure bias问题。

  解决方法: 在多标签分类问题中，我们显然不想让标签间拥有如此强的关联性，于是作者提出 Global Embedding来解决这个问题。

  3、beam search波束搜索算法找出预测路径，优化路径搜索算法。

  $g(y_i)$是 label 的 embedding，这个 label 是在$y_i$分布下的最高概率所对应标签得来的。可是，这个计算只是贪心的利用了$y_i$的最大值。在论文提出的 SGM 模型中，基于先前预测的标签来产生下一个标签。因此，如果在第t-1时刻得到了错误的预测，然后就会在预测下一个标签的时候得到了一个错误的后继标签，这也叫做 exposure bias (错上加错)。这也是为什么采用贪心法在 decoder 部分不合适的地方，这个道理不仅适用于这篇论文的任务，对于机器翻译、自动摘要等任务，仍然适用。

  所以，便有了 beam search 算法的产生。beam search 算法从一定程度上缓解了这个问题，有兴趣的可以自行去搜索下 beam search 算法的原理，但是它仍然不能从根本上解决这个问题，因为 exposure bias 可能会出现在所有的路径上。

  4、提升模型小技巧

  考虑到出现次数更多的标签在标签相关性训练中具有更强的作用，在训练时把标签按照其出现次数进行从高到低排序作为输出序列。这么做的好处是，出现次数更多的标签可以出现 LSTM 的前面，进而更好地指导整个标签的输出。