Facebook大公开：解决NLG模型落地难题！工业界的新一波春天？
文 | 小喂老師
編 | 小軼
作為NLP領域的“三高”用戶（高產、高能、高鈔），FaceBook最近（2020年11月）又發表了一篇高水準文章，目前已被COLING-2020接收，號稱解決了自然語言生成（NLG）落地的問題：Best Practices for Data-Efficient Modeling in NLG:How to Train Production-Ready ?Neural Models with Less Data
看到這個有點標題黨的文章，我不禁要發出關于NLG落地的素質三連：
眾所周知，對于自然語言處理中的NLG問題，一直都沒有很好的落地場景，即便是目前最合適的“文本自動摘要-Auto Text Summarization”，也沒有特別合適的產品和落地領域。所以雖說你是大佬，但我也不覺得你可以做第一個吃螃蟹的人！
抱著這些疑惑，我一口氣讀完了整個paper，然后不禁發出感慨：“就這？”——啊不，打錯了——然后不禁發出感慨：“四高一”！！！
本篇文章的亮點比較多，屬于一篇偏實驗性論文，總結為一句話就是：流程化NLG在對話系統落地過程中開發步驟和評估策略。
文中研究的NLG主要指對話系統中的NLG。為解決NLG應用落地的難題，論文設計了一套Tree-Based數據集，并據此推出Bucketing訓練策略 + TreeAccuracy評價策略。此外，還討論了NLG中的數據增強，知識蒸餾，生成模型選擇和Data-fficiency問題。為對話系統中的NLG落地給出了一套完備&Less-Data&Low-Latency&生成結果High-Acceptable的方案。
哈哈，這么高的評價，那我們看一下這篇文章到底做了啥！
論文題目：
Best Practices for Data-Efficient Modeling in NLG:How to Train Production-Ready Neural Models with Less Data
論文鏈接:
https://arxiv.org/abs/2011.03877
Arxiv訪問慢的小伙伴也可以在 【夕小瑤的賣萌屋】訂閱號后臺回復關鍵詞 【1221】 下載論文PDF~
NLG先驗知識
在談論這篇論文之前，我先和大家的溝通一下NLG這個任務，保證大家有一個共通的認知觀點。
自然語言生成（Natural Language Generation）是一個很難或者說高復雜度的自然語言處理任務。廣義的NLG是給定一個輸入（可以是文本、表格、圖片或是結構化的數據），輸出符合該輸入的一段文本描述（可以是文章寫作、摘要，也可是圖片內容描述）。NLG通常被認為是真正意義上的人工智能，一個完備的NLG任務意味著圖靈機的實現。本論文的NLG是特指對話系統（Chatbot System）中的自然語言生成，對于一個對話系統，它通常有如下幾個部分：
自動語音識別-ASR
自然語言理解-NLU
對話策略-DM
自然語言生成-NLG
對于此處的NLG任務，它的輸入是<Query, DM產生的Actions>，輸出的是一段文本回復。
因為是一篇偏實驗性的論文，所以論文的要點理解和模型框架并不算特別的難，但是需要大量的先驗知識儲備。接下來的四個小節中，我將依次列舉一些必要的先驗知識，包括：
Chabot System中的NLG
Structured NLG Data
Bucketing策略
BART模型
Chabot System中的NLG
在對話系統中，經過NLU，DM之后會獲得一系列的Dialogue Actions，這類Dialogue Actions就是NLG的重要輸入。在Chabot System中做NLG，常用的方法是基于模板生成結果。但是太過于死板且不可遷移。后來就提出了基于Encoder-Decoder的模型生成，和模板生成進行比較，也是有各自的優劣點（具體討論可見論文細節）。
這里為了能讓讀者有一個對NLG任務比較直觀的理解，給出了一個簡單的例子（其中Query和Actions通常作為NLG的輸入，ExpectResponse則指代模型NLG的輸出）：
Query:?"我要買一張明天去北京的火車票。" Actions:?{ "intent":"買火車票", "slots":["destination":北京,"departure":UNK,"time":DayTime[“明天”]_DetailTime["UNK]] "actions":["詢問具體時間","詢問出發地點"]"ExpectResponse":"請問您想買【明天】【幾點】的火車票？【出發地點】又是哪里呢？" }Structured NLG Data
如果使用Encoder-Decoder的生成模型來做NLG，那么不可避免地就引入了模型輸出結果不可控制的問題。在生成的模型中，可能缺少重要的要素，也可能要素值生成錯誤，這些都是生成模型中不可控制的。
作者所在的團隊在2019年的一篇論文中（Constrained decoding for neural NLG from compositional representations in task-oriented dialogue ），給出了一種解決方法：它將輸入的action使用tree-structured的方式進行存儲。這樣的結構引入了更多的信息，也便于后面對生成結果進行判定。本文實際上也算是Facebook在以前工作上的一種再創新。
為了便于讀者理解，這里給出了論文中一個關于tree-structured input的數據。這是Facebook發布的Dialogue System中的一個case。他將Actions結構化。Reference指期望給出的NLG輸出。
Query:?"Do?I?have?any?reminder?to?buy?milk?" Structured?Actions:?INFORM?1[amount[?3?]]INFORM?2[todo[?buy?milk?]?date?time[time[?7?pm?]]]INFORM?3[todo[?buy?milk?]?date?time[colloquial[?tomorrow?]]]INFORM?4[amount?remaining[1]] Reference:?Yes,?there?are?3?reminders.?The?first?two?are,?buy?milk?at?7?PM?and?tomorrow.?There’s?1?other?reminder.Bucketing策略
這種策略方式使用比較少，在機器學習中有使用過（我也是咨詢了一位同事之后，才了解和理解的）。
在深度學習中，我們通常隨機選取一批數據進行模型的訓練。如batch_size = 64，選取64個隨機數據進行訓練。Bucketing則是一種按照某種【策略】將數據分成一個個的bucket（桶），然后將一個個的Bucket的數據丟入到模型中進行訓練。這樣的訓練方法可以減少在模型訓練過程中由imbanlanced distribution帶來的bias，也能提高數據的利用率，是常用的一種利用“少量數據”訓練模型的方法。
在Bucketing的過程中，這種【策略】就非常的重要。好的策略能大大提高數據利用率，壞的策略通常不比隨機好，甚至會誤導模型的學習。設置Bucket策略的出發點是：各個bucket中的數據中，不一樣的信息是希望模型能夠學習的信息，一樣的（共有的）信息是模型可以忽略的信息。
在本論文的任務上，因為數據是tree-structured的數據，作者這里數據的tree-structured degree和argument values，嘗試了多種方法進行Bucketing，都取得了比random好的效果。
BART模型
BERT模型我聽過，BART模型又是啥？？是不是寫錯了？BART是FaceBook AI團隊在2019年發布的一款適用于生成的預訓練語言模型。
▲BERT、GPT、BART模型框架比較如果說BERT適合做NLU，GPT框架適合做NLG。那如果我二者取其長，是不是就能更好的做NLP任務了？這個想法很簡單也很正常，但你發不了paper，因為你沒錢去訓練這樣的模型，但人家FaceBook有，所以人家FaceBook發了Paper（手動狗頭）。模型框架很簡單，但是非常有效，出來即刷新榜單，目前在NLP任務中，同量級的模型上仍有多處屬于SOTA。
BART模型在HuggingFace的Transformers上開源了自己的預訓練模型。筆者在今年8月份使用過BART模型進行過文本摘要生成。對于英文的生成來說，效果確實非常好，基本不用fine-tune也能比較好的生成通順的有意義的文本；但是對于中文，因為沒有Bart-zh，所以無法直接測試。不過FaceBook開放了25種語言的mBART，可用來做中文的文本生成，但直接生成的效果不好，語句通順都成問題，還未嘗試過fine-tune。不過從當前他人的使用評價和論文的結果來看，BART是一個很適合文本生成的預訓練模型。
Paper Body
在介紹文章主體之前，我們再梳理一下文章說到的幾個要點知識。確保這幾個知識點你都能接受和掌握，我們再來看文章細節。
NLG任務是給定輸入的（dialog act，user query），生成語句通順，信息正確的回答。
傳統NLG系統大多使用基于模板的文本生成（template-based text generation)，有優有劣。
新的基于神經網絡的NLG（neural-network-based language generation），其框架中主要步驟包括：
對于輸入進行meaning representation（MR）；
使用sequence-to-sequence（S2S）框架，產生對應的response。
因為本論文要探討的是NLG產品化落地，所以我們期望探索不同數據量下模型精度結果的情況。即，在Data-Reduction的情況下，如何提高Data-Efficiency。
因為是要探討NLG的產品化落地，所以也期望做一下模型壓縮在NLG方面的探索。
在上面的幾點理解后，我們從以下4個方面來看這篇論文：
訓練數據
Bucketing策略
評估方法
模型
四種訓練數據
數據這里使用的是Facebook團隊2019年給出的四個對話系統相關的數據，數據的存儲格式都是tree-structured的，數據的領域分別是：Weather, Reminder, Time, Alarm。數據的樣例格式如上面給出。
四種數據處于不同難度級別，其中Weather最難，Alarm最簡單。論文作者認為，這四個領域的數據能基本代表Task-oriented Dialogue System上NLG的難度水平，也基本滿足NLG任務的任務需求（雖然筆者我不這么認為，讀者也不一定這么認為????）。
三種Bucketing策略
這里作者根據數據tree-structured的結構特色，使用了三種Bucketing策略，分別是：
Coarse grained（CB）: 使用data中argument names進行Bucket group
Medium grained（MB）: 精細到使用data中sub-arguments進行Bucket group，對于詞語的形態進行歸一化
Fine grained buckets（FB&FBQ）: 更精細化的操作，包括對argument-value去語義化，甚至對query進行去語義化 (FBQ)
一個完整的訓練集使用不同的Bucketing策略，將會被分割成不同數量的buckets。越精細的Bucketing策略，被劃分的buckets數量就越多。比如Weather的訓練數據集使用CB:MB:FB劃分得到的buckets數量分別是2240：6406：15456. 如上圖是一個case以及其各種bucket策略的例子表述。
實驗結果證明，無論哪種Bucketing策略，效果都優于random。其實可以預料得到，因為一個正確的bucket策略相當于引入了先驗知識，讓模型更能按照正確的方向進行優化學習。所以同等訓練量和模型容納能力的情況下，模型效果會更優。
三種評估方法
說到NLG問題，就一定繞不開NLG產生結果的評估。因為是自然語言生成的結果，和標準結果之間不能簡單的用“==”來判斷結果是否正確，因為會存在語義相同，表述不同的結果；也不能使用簡單的Rouge-L來評判，因為如果在關鍵詞（如數字，是否）上表述錯誤，是不可原諒的。所以NLG的結果評判也一直是一個問題。當然，可以引入人為評測，但是如果每一個NLG都使用認為評測，那么成本將非常的高昂。這里作者所使用的3種評測方法是：
Tree Accuracy: 因為數據本身是tree-structured數據，所以非常方便的檢測生成文本的重要token是否是MR中的token，如果是記為1，否或者缺失記為0；
BLEU: 2002年提出，是NLG中通用的一種結果檢測方法。此處不做細述。
人工評測：有錢土豪用人工，土豪FaceBook沒道理不用。這里論文從Correctness和Grammaticality兩個方面對生成文本進行測評。
三種模型方法和結果
在原論文中最后給了7種模型策略，但我只列舉了三種，因為其它都是在該三種方法上的排列組合。
S2S：使用Sequence-to-Sequence框架，用LSTM做encoder和decoder，輸入的embedding使用的是glove的embedding。優點是輕量級，小。
BART：基于BART的模型框架進行Encoder-Decoder的模型訓練，在BART的基礎上進行fine-tune。
KD（Knowledge Distillation，知識蒸餾）：使用BART的模型太大了，不利于模型的線上使用，需要使用知識蒸餾的做法。這里KD指的是將BART蒸餾到S2S模型中。
此外，作者還提到了JT和DDA。這不算模型，算是兩種通用的增強模型效果的方法：
Joint-Training(JT): 將多個相近領域的數據一起訓練。
Dynamic Data Augmentation (DDA)：對于不同的Epoch，隨機替換每個argument value。這樣即便使用一批數據進行訓練，每個Epoch的數據都不一樣，增大數據可用性。個人認為：由于此任務數據的固有特點，才得以使用該方法進行數據增強，算是合理利用數據特色進行數據增強的一種方法。
最終輸出的7種模型分別的輸出結果如下：
圖中橫坐標是訓練數據量，縱坐標是精度。最后作者認為：S2S+KD 和 S2S+KD+DDA取得了最好的效果。
當然，全文的重點是NLG的Data Efficiency，所以會實驗各種數據量之下的模型結果，DDA策略無疑Data Efficiency最佳。而KD效果最差，但KD主要是為了工程應用而生，畢竟KD之后的S2S模型只有2M。
能達到這樣的結果，確實振奮人心。用幾句話總結論文的結論，那就是：我們的Bucketing策略很好，我們的DDA很好，我們的TreeAccuracy很好，我們的KD很好。
此外，論文還分別給出了在四個Domian上的3種測評結果以及人工測評結果，最后給出結論：我們提出的Tree Accuracy還是很有代表性的；我們使用的S2S+KD+DDA是很有效果的，在四個Domain上通用。
論文結論
文章的結論我打算整體翻譯一下，因為確實是提綱挈領，很有概括性（英文好的建議讀原文，原文截圖我保留在下面）：
在訓練task-oriented對話系統時，不僅要考慮模型的精度，還需要考慮模型的數據利用率以及可接受性（acceptability），響應延遲和所需的開發維護成本。為此，我們提出一個NLG開發流程：
根據數據中的結構（此處為基于樹）對meaning representation進行Bucketing采樣，以避免不必要和不平衡的數據采集，每個bucket收集1-3個case。訓練模型并進行評估。
如果有任務和語義相似的多個domain數據，可以先進行聯合訓練，然后進行domain內微調。訓練模型并進行評估。
實施動態數據增強（DDA），以減少響應對“可互換參數值”的依賴。與增強數據一起訓練，并評估模型性能。
首先，使用預訓練的模型（例如BART）為未標記數據生成響應，得到增強數據。然后，用增強數據和人工標記的數據，訓練一個小模型（KD）。最后，用人工標記數據，進一步微調該模型。評估模型性能。
如有必要，請為每個MR存儲桶收集更多示例，并從頭開始部署模型。
我的理解
關于論文
論文本身是一個偏實驗性的論文，所以閱讀時需要注重理解論文設計的原因。因為是做對話系統中的NLG，而且是基于該組2019年發表的數據集進行訓練，其格式化的數據格式，引入了本文中兩個非常大的亮點：Bucketing策略 和 DDA方法。注意，這兩種方法都是需要在Tree-based數據上進行實現的。此外，模型使用的BART模型和KD方法，都屬于比較通用的方法，創新性屬于錦上添花。
當然，論文期望知道 NLG落地對數據的需求（Data Reduction）、可能的數據增強方法（DDA）、模型壓縮（S2S+KD）能達到的精度和應用領域的差異影響 的結果是什么，并為此設計了一系列實驗，也給出了相應的結論。
關于NLG
如開頭所說的，一個完備的NLG意味著真正圖靈機的實現，也意味著真正人工智能時代的到來。目前各大頂級公司都在走這樣的路，包括目前很多論文都是將大量的NLP任務轉化為語義理解的任務，如：機器閱讀理解代替NER，QA方式代替信息抽取，模型生成代替文本分類。例如T5模型將各類NLP任務轉化為一個通用任務模型，例如GPT-3的finetune用普通的自然語言描述代替。NLG目前不屬于一個很好的可以工業落地和應用的領域，但是自然語言學者們卻一直在探索NLG的任務。
一直說NLG的回答有很多的不可控性，本論文給出了一種Tree Accuracy的方法來評測模型生成的結果，確實從一定程度上衡量了模型輸出結果的準確性，算是為NLG的落地提供了一些方向（在格式化文本輸出的落地上提供可能）。但是這種情況其實是假設我們已經獲取到了輸出所需的槽位值，而非真正意義上的從文本中去理解，然后獲取相關關系，再產出合理化的回復。所以本文對于通用意義上的NLG有參考意義，但對于問題的解決還是有很長的路要走！路漫漫其修遠兮！
最后的最后，請記得，素質三連！！！
后臺回復關鍵詞【入群】
加入賣萌屋NLP/IR/Rec與求職討論群
后臺回復關鍵詞【頂會】
獲取ACL、CIKM等各大頂會論文集！
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Facebook大公开：解决NLG模型落地难题！工业界的新一波春天？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 从ACL2021看对比学习在NLP中的应
- 下一篇： 吴恩达：机器学习应以数据为中心