Transformer---BERT模型

一、BERT介绍

论文：BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding 

简介：BERT是基于Transformer的深度双向语言表征模型，基本结构如图所示，本质上是利用Transformer结构构造了一个多层双向的Encoder网络。Transformer是Google在2017年提出的基于自注意力机制（Self-attention）的深层模型，在包括机器翻译在内的多项NLP任务上效果显著，超过RNN且训练速度更快。

　　从上图可见，Bert其实和ELMO及GPT存在千丝万缕的关系，比如如果我们把GPT预训练阶段换成双向语言模型，那么就得到了Bert；而如果我们把ELMO的特征抽取器换成Transformer，那么我们也会得到Bert。与GPT不同之处：在预训练阶段采用了类似ELMO的双向语言模型；另外一点是语言模型的数据规模要比GPT大。

　　Bert最关键两点：

1. 特征抽取器采用Transformer；
2. 预训练的时候采用双向语言模型。

二、BERT模型结构

　　上图中$E_i$是指的单个字或词, $T_i$指的是最终计算得出的隐藏层, Transformer中的注意力矩阵和注意力加权, 经过这样的操作之后, 序列里面的每一个字, 都含有这个字前面的信息和后面的信息, 这就是双向的理解, 在这里, 一句话中每一个字, 经过注意力机制和加权之后, 当前这个字等于用这句话中其他所有字重新表达了一遍, 每个字含有了这句话中所有成分的信息.

　　根据参数设置的不同，Google 论文中提出了Base和Large两种BERT模型。

三、预训练

　　BERT预训练过程包含两个不同的预训练任务，分别是Masked Language Model和Next Sentence Prediction任务。

1.Masked Language Model（MLM）

　　随机把一些单词变为[Mask]，然后预测这些被遮盖的词来训练双向语言模型，并且使每个词的表征参考上下文信息。假设输入里面的第二个词汇是被盖住的，把其对应的embedding输入到一个多分类模型中，来预测被盖住的单词。之后做Loss的时候只计算被遮盖部分的Loss。

实际操作方式如下：

【1】随机把一句话中15%的token替换成以下内容：

1. 这些token中有80%的几率被替换成[mask]；
2. 有10%的几率被替换成任意一个其他的token；
3. 有10%的几率原封不动

【2】之后让模型预测和还原被遮盖掉或替换掉的部分，模型最终输出的隐藏层的计算结果的难度是：

$X_{hidden}$: [batch size, seq len, embedding dim]
我们初始化一个映射层的权重$W_{vocab}$:
$W_{vocab}$: [embedding dim, vocab size] 
我们用$W_{vocab}$完成隐藏维度到字向量数量的映射, 只要求$X_{hidden}$和$W_{vocab}$的矩阵乘(点积):
$X_{hidden}W_{vocab}$: [batch size, seq len, vocab size] 
之后把上面的计算结果在vocab size(最后一个)维度做$softmax$归一化, 是每个字对应的vocab size的和为1, 我们就可以通过vocab size里概率最大的字来得到模型的预测结果, 就可以和我们准备好的$Label$做损失($Loss$)并反传梯度了. 注意做损失的时候, 只计算在第1步里当句中随机遮盖或替换的部分, 其余部分不做损失, 对于其他部分, 模型输出什么东西, 我们不在意.

这样做会产生两个缺点：

1. 会造成预训练和微调时的不一致，因为在微调时[MASK]总是不可见的；
2. 由于每个Batch中只有15%的词会被预测，因此模型的收敛速度比起单向的语言模型会慢，训练花费的时间会更长。

解决方法：

1. 对于第一个缺点的解决办法是，把80%需要被替换成[MASK]的词进行替换，10%的随机替换为其他词，10%保留原词。由于Transformer Encoder并不知道哪个词需要被预测，哪个词是被随机替换的，这样就强迫每个词的表达需要参照上下文信息。
2. 对于第二个缺点目前没有有效的解决办法，但是从提升收益的角度来看，付出的代价是值得的。

2.Next Sentence Prediction（NSP）

首先我们拿到属于上下文的一对句子, 也就是两个句子, 之后我们要在这两段连续的句子里面加一些特殊$token$: $[cls]$上一句话,$[sep]$下一句话.$[sep]$ 
　　也就是在句子开头加一个$[cls]$, 在两句话之中和句末加$[sep]$, 具体地就像下图一样:

　　我们看到上图中两句话是[cls] my dog is cute [sep] he likes playing [sep], [cls]我的狗很可爱[sep]他喜欢玩耍[sep], 除此之外, 我们还要准备同样格式的两句话, 但他们不属于上下文关系的情况; [cls]我的狗很可爱[sep]企鹅不擅长飞行[sep], 可见这属于上下句不属于上下文关系的情况；在实际的训练中, 我们让上面两种情况出现的比例为1:1, 也就是一半的时间输出的文本属于上下文关系, 一半时间不是.

　　我们进行完上述步骤之后, 还要随机初始化一个可训练的 segment embeddings , 见上图中, 作用就是用 embeddings 的信息让模型分开上下句, 我们一把给上句全 0 的 tokentoken , 下句啊全 1 的 token , 让模型得以判断上下句的起止位置, 例如:

[cls] 我的狗很可爱 [sep] 企鹅不擅长飞行 [sep]
  0   0 0 0 0 0 0  0   1 1 1 1 1 1 1   1

上面 0 和 1 就是 segment embeddings .

　　注意力机制就是, 让每句话中的每一个字对应的那一条向量里, 都融入这句话所有字的信息, 那么我们在最终隐藏层的计算结果里, 只要取出$[cls]token$所对应的一条向量, 里面就含有整个句子的信息, 因为我们期望这个句子里面所有信息都会往$[cls]token$所对应的一条向量里汇总: 
模型最终输出的隐藏层的计算结果的维度是: 
$X_{hidden}$: [batch_size, seq_len, embedding_dim]$
我们要取出$[cls]token$所对应的一条向量, $[cls]$对应着seq len维度的第$0$条:

$cls\_vector = X_{hidden}[:, 0, :]$，
$cls\_vector \in \mathbb{R}^{batch\_size, embedding\_dim} $

之后我们再初始化一个权重, 完成从embedding dim维度到1的映射, 也就是逻辑回归, 之后用$sigmoid$函数激活, 就得到了而分类问题的推断. 
我们用$\hat{y}$来表示模型的输出的推断, 他的值介于$(0, 1)$之间: 
$\hat{y} = sigmoid(Linear(cls vector)) \quad \hat{y} \in (0, 1)$

3.BERT训练参数和技巧

　　BERT论文中, 推荐的模型参数为: 基准模型transformer_block=12, embedding_dimension=768,  num_heads=12, Total Param eters=110M), 可见其中共有1.1亿参数, 除此之外, 还有比基准模型还大的高性能模型, 参数量为3亿, 要想训练并使用这么大参数的模型, 需要充裕的计算资源。

训练技巧：

1. 因为我们是按单个字为单位训练BERT, 所以在Masked LM里面, 把句子中的英文单词分出来, 将英文单词所在的区域一起遮盖掉, 让模型预测这个部分；
2. 很多句子里含有数字, 显然在Masked LM中, 让模型准确地预测数据是不现实的, 所以我们把原文中的数字(包括整数和小数)都替换成一个特殊token, #NUM#, 这样模型只要预测出这个地方应该是某些数字就可以来。

四、BERT完成下游任务

NLP四个任务：序列标注、分类任务、句子关系推断、生成式任务

1.句子关系推断

　　对于句子关系类任务，和GPT类似，加上一个起始和终结符号，句子之间加个分隔符即可。对于输出来说，把第一个起始符号对应的Transformer最后一层位置上面串接一个softmax分类层即可。

举例：给定一个前提／假设，得到推论是否正确：

　　为了训练一个理解句子间关系的模型，引入一个下一句预测任务。这一任务的训练语料可以从语料库中抽取句子对包括两个句子A和B来进行生成，其中50%的概率B是A的下一个句子，50%的概率B是语料中的一个随机句子。NSP任务预测B是否是A的下一句。NSP的目的是获取句子间的信息，这点是语言模型无法直接捕捉的。

　　Google的论文结果表明，这个简单的任务对问答和自然语言推理任务十分有益，但是后续一些新的研究[15]发现，去掉NSP任务之后模型效果没有下降甚至还有提升。我们在预训练过程中也发现NSP任务的准确率经过1-2个Epoch训练后就能达到98%-99%，去掉NSP任务之后对模型效果并不会有太大的影响。

2.分类任务

　　如果是分类任务，在句子前面加一个标志，将其经过Bert得到的embedding输出到二分类模型中，得到分类结果。二分类模型从头开始学，而Bert在预训练的基础上进行微调（fine-tuning）。

文中还有很多其他的应用，如单词分类：

3.序列标注

　　输入部分和单句分类是一样的，只需要输出部分Transformer最后一层每个单词对应位置都进行分类即可。

4.生成式任务

　　对于机器翻译或者文本摘要，聊天机器人这种生成式任务，同样可以稍作改造即可引入Bert的预训练成果。只需要附着在S2S结构上，encoder部分是个深度Transformer结构，decoder部分也是个深度Transformer结构。根据任务选择不同的预训练数据初始化encoder和decoder即可。这是相当直观的一种改造方法。当然，也可以更简单一点，比如直接在单个Transformer结构上加装隐层产生输出也是可以的。

　　举例：抽取式QA，抽取式的意思是输入一个原文和问题，输出两个整数start和end，代表答案在原文中的起始位置和结束位置，两个位置中间的结果就是答案。

　　解决QA问题：把问题 - 分隔符 - 原文输入到BERT中，每一个单词输出一个黄颜色的embedding，这里还需要学习两个（一个橙色一个蓝色）的向量，这两个向量分别与原文中每个单词对应的embedding进行点乘，经过softmax之后得到输出最高的位置。正常情况下start <= end，但如果start > end的话，说明是矛盾的case，此题无解。

五、BERT总结

1.优点

1. 考虑双向信息（LM只考虑单向）
2. 长距离依赖（long-term dependence）

2.缺点

1. 测试数据没有[mask]，discrepancy，削弱了一定的泛化能力。
2. 缺乏生成能力（LM具有生成能力）
3. 针对每一个mask预测时，没有考虑mask间的相关性（例：w1 w2 [mask] w4 w5 [mask] w7，第一个mask为w3，第二个mask为w6，理想情况是需要考虑w3和w6间相关性的，bert里面没有考虑这点，二者是独立的）

类似于朴素贝叶斯，没有考虑特征间的相关性。

六、应用

1.获得句向量

使用BERT模型生成句子序列向量 - 不著人间风雨门 - 博客园

参考文献：

【1】美团BERT的探索和实践

【2】【NLP】李宏毅-ELMO、BERT、GPT视频笔记

【3】aespresso/a_journey_into_math_of_ml: 汉语自然语言处理视频教程-开源学习资料

【4】https://www.bilibili.com/video/av70512497?t=1195&p=1&spm_id_from=333.788.b_62696c692d6865616465722d6d.18

【5】【BERT】如何训练并使用Bert【持续更新】

【6】Dissecting BERT Part 1: The Encoder - Dissecting BERT - Medium

【7】使用BERT模型生成句子序列向量 - 不著人间风雨门 - 博客园

【8】NLP:自回归（Autoregressive LM）与自编码语言模型（Autoencoder LM）_人工智能_小马哥的博客-CSDN博客

【9】台大《应用深度学习》国语课程(2020) by 陈蕴侬