文本匹配利器：从孪生网络到Sentence-BERT综述
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· 2021-01-28
大家好，我是Giant，这是我的第4篇文章。
文本匹配是自然语言处理领域一个基础且重要的方向，一般研究两段文本之间的关系。文本相似度、自然语言推理、问答系统、信息检索都可以看作针对不同数据和场景的文本匹配应用。
本文总结了文本匹配任务中的经典网络Siamse Network，它和近期预训练语言模型的组合，一些调优技巧以及在线下数据集上的效果检验。
Siamese 孪生网络
在正式介绍前，我们先来看一个有趣的故事。
孪生网络的由来
“Siamese”中的“Siam”是古时泰国的称呼，中文译作暹罗，所以“Siamese”就是指“暹罗”人或“泰国”人。“Siamese”在英语中同时表示“孪生”，这又是为什么呢？
十九世纪，泰国出生了一对连体婴儿“恩”和“昌”，当时的医学技术无法使他们分离出来，于是两人顽强地生活了一生。
1829年他们被英国商人发现，进入马戏团，在全世界各地演出。1839年他们访问美国北卡罗莱那州成为“玲玲马戏团” 的台柱，最后成为美国公民。1843年4月13日跟英国一对姐妹结婚，恩生了10个小孩，昌生了12个。1874年，两人因病均于63岁离开了人间。他们的肝至今仍保存在费城的马特博物馆内。
从此之后，“暹罗双胞胎”（Siamese twins）就成了连体人的代名词，也因为这对双胞胎全世界开始重视这项特殊疾病。
孪生网络
由于结构具有鲜明的对称性，就像两个孪生兄弟，所以下图这种神经网络结构被研究人员称作“Siamese Network”，即孪生网络。
其中最能体现“孪生”的地方，在于网络具有相同的编码器（sentence encoder），即将文本转换为高维向量的部分。网络随后对两段文本的特征进行交互，最后完成分类/相似预测。“孪生网络”结构简单，训练稳定，是很多文本任务不错的baseline模型。
孪生网络的具体用途是衡量两个输入文本的相似程度。
例如，现在我们有文本1和2，首先把它们分别输入 sentence encoder 进行特征提取和编码，将输入映射到新的空间得到特征向量u和v；最终通过u、v的拼接组合，经过下游网络来计算文本1和2的相似性。
整个过程有2个值得关注的点：
在训练和测试中，模型的编码器是权重共享的（“孪生”）；编码器的选择非常广泛，传统的CNN、RNN和Attention、Transformer都可以 得到特征u、v后，可以直接使用cosine距离、欧式距离得到两个文本的相似度；不过更通用的做法是，基于u和v构建用于匹配两者关系的特征向量，然后用额外的模型学习通用的文本关系映射；毕竟我们的场景不一定只是衡量相似度，可能还有问答、蕴含等复杂任务
三连体网络
基于孪生网络，还有人提出了 Triplet network 三连体网络。顾名思义，输入由三部分组成，文本1，和1相似的文本2，和1不相似的文本3。
训练的目标非常朴素，期望让相同类别间的距离尽可能的小，让不同类别间的距离尽可能的大，即减小类内距，增大类间距。
Sentence-BERT
自从2018年底Bert等预训练语言模型横空出世，NLP届的游戏规则某种程度上被大幅更改了。在计算资源允许的条件下，Bert成为解决很多问题的首选。甚至有时候拿Bert跑一跑baseline，发现问题已经解决了十之八九。
但是Bert的缺点也很明显，1.1亿参数量使得推理速度明显比CNN等传统网络慢了不止一个量级，对资源要求更高，也不适合处理某些任务。
例如，从10,000条句子中找到最相似的一对句子，由于可能的组合众多，需要完成49,995,000次推理；在一块现代V100GPU上使用Bert计算，将消耗65小时。
考虑到孪生网络的简洁有效，有没有可能将它和Bert强强联合呢？
当然可以，这正是论文《Sentence-BERT: Sentence Embeddings using Siamese BERT-Networks》的工作，首次提出了Sentence-Bert模型（以下简称SBert）。
SBert在众多文本匹配工作中（包括语义相似性、推理等）都取得了最优结果。更让人惊讶的是，前文所述的从10,000条句子寻找最相似pair任务，SBert仅需5秒就能完成！
基于BERT的文本匹配
让我们简短回顾此前Bert是怎么处理文本匹配任务的。
常规做法是将匹配转换成二分类任务。输入的两个文本拼接成一个序列（中间用特殊符号“SEP”分割），经过12层或24层Transformer模块编码后，将输出层的字向量取平均或者取“CLS”位置的特征作为句向量，经softmax完成最终分类。
但是论文作者 Nils Reimers 在实验中指出，这样的做法产生的结果并不理想（至少在处理语义检索和聚类问题时是如此），甚至比Glove词向量取平均的效果还差。
基于S-BERT的文本匹配
为了让Bert更好地利用文本信息，作者们在论文中提出了如下的SBert模型。是不是非常眼熟？对，这不就是之前见过的孪生网络嘛！
SBert沿用了孪生网络的结构，文本Encoder部分用同一个Bert来处理。之后，作者分别实验了CLS-token和2种池化策略（Avg-Pooling、Mean-Pooling），对Bert输出的字向量进一步特征提取、压缩，得到u、v。关于u、v整合，作者提供了3种策略：
针对分类任务，将u、v拼接，接入全连接网络，经softmax分类输出；损失函数用交叉熵 直接计算、输出余弦相似度；训练损失函数采用均方根误差 如果输入的是三元组，论文种也给出了相应的损失函数
总的来说，SBert直接用Bert的原始权重初始化，在具体数据集上微调，训练过程和传统Siamse Network差异不大。
但是这种训练方式能让Bert更好的捕捉句子之间的关系，生成更优质的句向量。在测试阶段，SBert直接使用余弦相似度来衡量两个句向量之间的相似度，极大提升了推理速度。
实验为证
作者在7个文本匹配相关的任务中做了对比实验，结果在其中5个任务上，SBert都有更优表现。
作者还做了一些有趣的消融实验。
使用NLI和STS为代表的匹配数据集，在分类目标函数训练时，作者测试了不同的整合策略，结果显示“(u, v, |u-v|)”的组合效果最好。这里面最重要的部分是元素差：（|u - v|)。句向量之间的差异度量了两个句子嵌入维度间的距离，确保相似的pair更近，不同的pair更远。
文章最后，作者将SBert和传统方法做了对比。
SBert的计算效率要更高。其中的smart-batching是一个小技巧。先将输入的文本按长度排序，这样同一个mini-batch的文本长度更加统一，padding时能显著减少填充的token。
线下实测
我们将SBert模型在天池—新冠疫情相似句对判定比赛数据集上做了测试。经数据增强后，线下训练集和验证集分别是13,500和800条句子组合。预训练模型权重选择BERT_large。
最终SBert单模型在验证集上的准确率是95.7%。直接使用Bert微调准确率为95.2%。
小结
本文介绍了文本匹配任务中常用的孪生网络，和在此基础上改进而来的Sentence-BERT模型。
Siamse Network 简洁的设计和平稳高效训练非常适合作为文本匹配任务的baseline模型。SBert则充分利用了孪生网络的优点和预训练模型的特征抽取优势，在众多匹配任务上取得了最优结果。
抛开具体任务，SBert 可以帮助我们生成更好的句向量，在一些任务上可能产生更优结果。在推理阶段，SBert直接计算余弦相似度的方式，大大缩短了预测时间，在语义检索、信息搜索等任务中预计会有不错表现。同时，得益于生成的高质量句嵌入特征，SBert也非常适合做文本聚类、新FAQ发现等工作。
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参考资料
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