[预训练语言模型专题] SpanBERT: 抽取式问答的利器
[预训练语言模型专题] SpanBERT: 抽取式问答的利器
本文为预训练语言模型专题的第16篇。
感谢清华大学自然语言处理实验室对预训练语言模型架构的梳理，我们将沿此脉络前行，探索预训练语言模型的前沿技术，红框中为已介绍的文章，绿框中为本期介绍的模型，欢迎大家留言讨论交流
SpanBERT: Improving Pre-training by Representing and Predicting Spans（2020）
spanBERT是专门设计来更好地表示和预测文本的区间的，顾名思义它是BERT的一种扩展。相对于BERT，SpanBERT做了如下的改动。
- 相比于BERT是对于随机的token进行masking，spanBERT会对连续的span进行masking。
- spanBERT通过训练span的边界的表示，来对整个被mask的span来进行预测，而非其中的单个token。具体的说，文章引入了span-boundary objective(SPO)，来鼓励模型将span层面的信息存储在其边界的token表示上，以在finetune阶段获得更好的效果。
由于这两个机制，spanBERT在span选择的任务上明显地比BERT表现要好，包括问答匹配和指代消岐。同时在SQuAD和OntoNotes上都取得了state-of-the-art的效果。在SQuAD上，相比于BERT，SpanBERT降低了27%的误差，在各种抽取式问答benchmark(NewsQA, TriviaQA, SearchQA, HotpotQA, Natural Questions) 也观察到了类似的收益。
另外作者发现，在单个的片段上进行预训练，比两个一半长的片段预训练（带NSP）效果要好，所以，作者在预训练的时候选择在单个片段上进行，对比的BERT baseline也是在单个片段上预训练的BERT，效果是比原来的BERT baseline上是提高的。
相比于其他approach通过增加训练的数据和加大模型的尺寸来提升性能。SpanBERT通过优化预训练模型的训练目标来提升效果。比如下图中展现了一个实例，被mask的是“an American football game"。SBO目标，就是用蓝色的x4(was)和x9(to)作为边界表示来预测被mask的每个token。从式子中可以看出MLM与SPO loss的区别，MLM利用x7的编码表示来预测football这个token，而SBO会利用，这个span(x5-x8)的边界 -> x4，x9和p3(从x4开始第三个token的位置embedding) 来进行预测。
Span Masking
对一个序列X = (x1, x2, . . . , xn)， 我们选取它的一个子集Y进行mask。通过不断地选取span，直到选够了X中15%的token。选取的方法是，首先通过几何分布选取span的长度L，会微倾向于选取较短的span，然后，半随机地选取span的起始位置。我们经常会去sample一个完整的单词或短语，所以开始的位置一般选在单词的开始。选取长度时，官方的设置是 L ∼Geo(0.2)，同时裁剪L使Lmax=10，于是span长度的分布如下，平均值为3.8。span masking，指的式对span中的每一个token都替换成[MASK]。
Span Boundary Objective(SBO)
SBO引入了目标函数来预测span内被mask的每一个token，只通过在span边界上被观察到的token的表示和其在span内的位置来进行预测。如果span内的token为 (xs, . . . , xe)，(s, e)是其起始的位置和结束的位置，那么我们就会使用其外部的边界表示 xs−1 和 xe+1，以及目标token的位置embedding即Pi−s+1来对其进行表示。一般会用两层的线性层加非线性激活来得到logits以计算其cross-entropy loss。
Single-Sequence Training
BERT的预训练方法是每个样本包含两个片段序列 (XA, XB)，训练目标包括MLM(masked language model) 以及NSP (next sentence prediction)。训练中可以用NSP去预测XA，XB是否是连接的。作者发现，这种训练方法几乎总是比单纯只用MLM去训练单个片段序列样本更差。他认为有如下原因
- 用单个片段序列时，片段序列会更长，模型可以从中收益。
- 有时候，XA，XB来自不同文档，会将噪声加入到masked language model中
因此，在SpanBERT的训练中，只用了单个长512的序列片段。
总结一下这三点就是，SpanBERT通过
- 通过几何分布抽样span长度，均匀分布寻找span的起始位置，并将其中的token全部mask。
- 除了MLM目标外，新添了SPO目标进行优化，使抽取能力更强。
- 使用了单个片段序列进行训练和预测，稳定提升。
模型细节
大部分设置和BERT相同，不同点有如下
- 相比于BERT对每个样本进行十种不同的mask，然后进行40个epoch的训练，SpanBERT会在每个epoch都对序列进行不同的masking。
- 移除了BERT的短句训练的策略，原来BERT会以0.1的概率用短文本进行训练，同时前90%的训练会以长128的序列来训练。
- 模型会跑2.4M步， AdamW的epsilon 使用 1e-8，因为这样收敛得更好。
- SBOloss中使用的位置编码为200维，对应离span最左侧的距离。
- 预训练使用了32张V100，花了15天完成。
接着作者在一些数据集上进行了一些比较。
结论
作者在17个任务上比较了SpanBERT和BERT，几乎所有任务上SpanBERT都更好。并且，SpanBERT由于其目标的机制，其更擅长抽取式问答。最后，使用单个片段序列的预测和训练好过，带有NSP的双片段样本进行训练，这让作者有点惊讶，因为BERT论文中的对比实验，显示NSP是有收益的。不过编者介绍的前篇推送中也讲到了，RoBERTa的研究中也认为NSP会降低模型的性能。
未完待续
本期的论文就给大家分享到这里，感谢大家的阅读和支持，下期我们会给大家带来其他预训练语言模型的介绍，敬请大家期待！