NLP模型BERT和经典数据集！

Posted 2021-08-28 Datawhale

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作者：陈安东，中央民族大学，Datawhale成员

对于刚入门NLP的伙伴来说，看到NLP任务很容易觉得眼花缭乱，找不到切入点。总的来说，NLP分为五大类无数小类，虽然种类繁多，却环环相扣。无论我们一开始学习的是什么方向，当做过的东西越来越多，学习范围越来越大的时候，总可以形成闭环。

这一次，我们从教机器做阅读理解题起航，介绍用火到“出圈”的Bert和常见数据集入手NLP的整体流程。

NLP五大类别

从机器阅读理解起步

什么是机器阅读理解？形式就像下图：

答案是机器做出的

怎么样，是不是感觉很酷！让我们的模型来做阅读理解题目，好似机器有了人类理解的能力。当然，也不能太乐观，现在机器阅读理解任务还在逐步探索阶段。在训练方式上，对于不同机器阅读理解数据集，就会有对这个任务的不同解法。对于机器阅读理解任务，我们将其分为三个类型。难度逐步上升：

• 简单问题：对答案的简单匹配和抽取

• 复杂问题：加入推理

• 基于对话的问答系统：自由问答和特定任务场景的问答

可以看出，如果答案在文章内可以清晰的找到，那么模型就不需要生成答案，只需要将答案抽取出来就好了，这样的任务是简单的，可以使用SQuAD 1.0学习。

更近一步，有些阅读理解的问题中是没有答案的，正确的答案就是不回答，这种行为更接近智能，任务也变的更困难，需要用SQuAD 2.0学习。

此外还有对话系统，它的答案要和实时场景相匹配所以难度更高，这里主要讨论前两种。

绕不开的SQuAD数据集

上面关于机器阅读理解描述中，我们反复提及用SQuAD数据集进行训练。对于想要从事相关方向的同学来说，这个数据集几乎是绕不过的。

SQuAD(Stanford Question Answering Dataset)是斯坦福大学通过众包的方式来构建的一个机器阅读理解数据集。本质上，这就是一个大规模的英文阅读理解数据集，现在做和英文的阅读理解相关所有任务，都用它。

数据开源地址：https://gas.graviti.cn/dataset/hello-dataset/SQuAD_v2?utm_medium=0725datawhale

数据集现在有SQuAD1.0 和 SQuAD2.0两个版本，适用于不同的研究场景：

SQuAD1.0

1.0版本的数据集中包含107,785的问题以及对应的536篇文章。文章源自维基百科上的一系列文章。

与之前其他数据集的区别：相较于以前的阅读理解数据集，SQuAD更大，包含的文章内容也更多。其具体的形式是，SQuAD的答案是短语或者一段话，而不再是一个单词。答案里面包含的信息增多了，所以任务的难度也增加了。

特点：阅读理解的所有答案，都可以在文章中完全可以找到(答案可以从文章中完全copy过来)。并且文中的答案是不能是跨行的。也就是说答案是文章指定的一个区间。所以，SQuAD的答案生成是抽取式的。

数据集示例如下：

SQuAD2.0

在阅读理解中，遇到有些问题无法通过阅读现有文章的内容来回答，该怎么办？

有些信息我们无法通过文章找到，在使用1.0版本的数据集中，模型遇到了那些无法回答的问题，也会强制给出一个回答，这样的情况显然不够智能。所以在2.0版本的数据集中，增加了50,000条没有答案的问题，通过这个数据集中，希望模型可以学会对于没有答案的问题不作回答。也就是说希望我们的模型要有“知道自己不知道”的能力。

2.0版的数据集形式就如上面图片所示，上面的图片中展示的两个问题都是没有答案的，没有答案的问题不回答才是正确的。

总结来说，SQuAD是一个主流的抽取式的英语阅读理解数据集。现在大家都在SQuAD2.0上刷榜。

通过上面的榜单可以看到，在SQuAD2.0这个数据集中，前五名的模型获得的效果已经远超人类。如果将这些模型做一个分析，可以说每个模型里面都装着一个Bert。

浅说BERT

Bert这个预训练模型，在2021年的今天应该是当之无愧的”网红“。作为一个入门的介绍，这里先讲Bert在原论文中是如何被训练的。之后介绍SQUAD数据集是如何与Bert结合的。

从结构角度来说，Bert是由Transformer的Encoder(编码器)构成的。通过强大的编码能力，可以将语言映射在一个向量空间中，将单词表示为向量，也就是大家常说的Embedding(词向量)。Bert的所做的就是，输入一个句子，基于任务然后吐出来一个基于训练任务的词向量(embedding)。

知道Bert是什么，那么下面就介绍一下Bert在原论文中的两种训练方式。

两个训练方法

① Masked LM

将一句话输入之后，随机mask掉一个单词，具体mask的方式就是将那个词替换为[MASK]这个符号，然后再mask位置的输出接到一个简单的线性分类器当中。我们希望的是一个简单的线性分类器可以得到正确的答案。如果简单的分类器可以输出正确的答案，就说明这个embedding(词向量)的效果相当的好

② Next Sentence Prediction

预测输入的两个句子是不是一句话

输入两句话，然后Bert输出的是单词的embedding(词向量)。这时从图中可以看出，有两个特殊的输入单词———SEP和CLS。SEP这个单词的意思就是告诉Bert，左右的两个句子是分开的。CLS这个单词的意思就是告诉Bert，这里是要做一个分类任务。然后将这个CLS输出的embedding放入一个简单的分类器中(simple linear)来预测两个句子是不是一句话。如何可以分辨的很好，说明了Bert对于语句相似性有很好的的表示效果。

在Bert的完整训练过程中，这两个训练任务是都要有。这样可以训练出性能优秀的Bert。

在Bert里为了完成不同的任务，设计了不同的特殊单词。这里顺便做一下总结：

• [CLS]：告诉模型要做分类任务，其中最后一层的第一个embedding作为分类任务的presention。

• [SEP]：告诉Bert左右两边的输入是不同的。

• [UNK]：没出现在Bert字典里的字会被这个单词替代。

• [PAD]：zero padding，将长度不同的序列补充为固定长度，方便做batch运算。

• [MASK]：未知遮罩

用Bert做机器阅读理解

现在我们已经知道了SQuAD这个数据集以及模型Bert。现在就可以通过Bert和SQuAD来做机器阅读理解了。

接下来详细说一说在Bert中，如何在SQuAD上解决阅读理解这个问题的。

在原始的Bert任务中，就已经利用SQuAD来做阅读理解任务了。它使用了SEP的这个特殊单词，将Qury(问题)和Document(文章)一起作为输入。然后在Bert中获取良好的embedding(词向量)，然后将这个embedding(词向量)的结果接入一个分类器，分别得到答案在文章中位置的id和结束位置的id。因为SQuAD数据集中的答案是可以直接在文章中抽取出来，所以得到答案起始位置的id和结束位置的id可以直接抽取出正确的答案。

我们使用文章一开始那个例子给大家举例。当我将文章和问题输入给Bert之后，将Bert输出的Embedding(词向量)接入到一个阅读理解任务的模型中(这个模型可以先忽略，对于Bert来说，不同的任务会不同的模型来辅助)。我们发现，输出的结果是'雪'和‘藻’在文本中的位置65和67。然后我们将65-67这三个字抽取出来就得到了答案“雪衣藻”。

对于英文的SQuAD数据集，我们的做法和上面一模一样。

那么对于SQuAD2.0数据集来说，这个数据集中有一些没有答案的问题。我们对于这样的问题解法其实和上面没有任何区别，如果我们获得起始位置id比结束位置id大的情况，那么这种不合理的输出，我们就认为这个问题没有答案。

实践一下用Bert的效果：

# https://gas.graviti.cn/dataset/hello-dataset/SQuAD_v2 下载数据集

# 载入文本
with open('SQuAD_v2_dev-v2.json','r',encoding='utf-8') as reader:
    input_data = json.load(reader)


# 看看这个json格式
input_data.keys()

squad_data = input_data['data']
print('有',len(squad_data),'个类别',)

# 看一篇文章的细节
squad_data[1].keys()

print('一个类有',len(squad_data[1]['paragraphs']),'篇文章')

squad_data[1]['paragraphs'][1].keys()

context = squad_data[1]['paragraphs'][1]['context']context

# 拿到一个问题

squad_data[1]['paragraphs'][1]['qas'][1]

question = squad_data[1]['paragraphs'][1]['qas'][1]['question']

# 得到这个题目的答案
answer = squad_data[1]['paragraphs'][1]['qas'][1]['answers']answer

# 调用Hugging Face 的API

# 使用Hugging Face 的API。Hugging Face已经帮大家训练好了Bert模型，大家可以直接用来做推理（记得注册Hugging Face）
# 推理API的调用指南：https://huggingface.co/docs/hub/inference

import json
import requests

headers = {"Authorization": f"Bearer {'此处用自己的API账号'}"}  API_URL = "https://api-inference.huggingface.co/models/deepset/roberta-base-squad2"

def query(payload):
    data = json.dumps(payload)
    response = requests.request("POST", API_URL, headers=headers, data=data)
    return json.loads(response.content.decode("utf-8"))

data = query(
    {
        "inputs": {
            "question": question,
            "context": context,
        }
    }
)

data['answer']

# 看看推理结果，和上边的答案是不是完全一样？

最后

这篇文章中，先是介绍了NLP的基本任务。然后以SQuAD数据集为中心，介绍了机器阅读理解任务的一些分类，知道抽取式任务是简单的，而问答任务是困难的。最后以Bert为例，介绍SQuAD数据集在Bert模型上是怎么解的。

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