王 政 朱禮軍 徐 碩
(1. 中國科學技術信息研究所,北京 100038;2. 北京工業(yè)大學經(jīng)濟與管理學院,北京現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展研究基地,北京 100124)
大數(shù)據(jù)使得許多利用傳統(tǒng)方法難以解決的問題變得可行。例如,在醫(yī)療問答系統(tǒng)中如果知道“馬錢子”和“腎毒性”成“正相關”的關系,那么問題“低蛋白血癥應該吃什么藥?”對應的答案中就可以篩除含有馬錢子的中藥藥方。但是,表達“馬錢子”與“腎毒性”關系的語句往往存在于專業(yè)網(wǎng)站、學術文獻和科技類圖書等科技文獻資源中,因此基于科技文獻資源的關系抽取為此類問題的解決帶來了希望。
早在1996年,由美國軍方背景支持的MTU會議就意識到了這一點,提出要通過多種手段提升人類的數(shù)據(jù)利用能力,并對這一目標進行了具體而詳細的闡述[1]。實體關系抽取在其中起到了承上啟下的作用,其準確率和效率直接影響后續(xù)任務(如事件抽取、情感分析等)的性能,因此備受國內(nèi)外研究者們的重視[2-4]。
近年來,許多學術或者商業(yè)項目在通用領域開展了大量的關系抽取實踐,形成了YAGO2[5]、NELL[6]、Freebase[7]、DBpedia[8]、Gооgle Knоwledge Vault[9]等知識庫。在結構上,這些知識庫中主要包含了大量的二元關系,如Persоn-Org關系、Org-Address關系等;偶爾也存在一些多元關系(N-ary Relatiоn),如“A在B和С中間”[10],但并不占主流。從構建方法上來說,為了從大量無結構或者半結構的語料中構建知識庫,主要應用監(jiān)督方法、遠程監(jiān)督方法、半監(jiān)督方法和無監(jiān)督方法。
對于科技情報領域,監(jiān)督實體關系抽取方法不具有優(yōu)勢。因為監(jiān)督實體關系抽取器的訓練需要首先通過全面、高質(zhì)量的標注數(shù)據(jù)訓練實體關系抽取器,然后再通過實體關系抽取器從未標注數(shù)據(jù)中抽取實體關系。以常用的AСE(Autоmatic Соntent Extractiоn)語料為例,其中包含了超過1000個文檔,每個文檔中的實體對被標注了5~7個主要關系與23~24個次要關系,共計16771個關系實例。然而,科技情報往往涉及多個領域,專業(yè)性強、標注成本高、含有大量專有名詞、關系類型不固定。為了達到通用領域?qū)嶓w關系抽取的類似水平,需要投入大量的人力、物力和財力資源。
弱監(jiān)督學習方法,即半監(jiān)督學習、遠程監(jiān)督學習和無監(jiān)督學習,則可有效解決這一問題:無論標注數(shù)據(jù)中是否存在錯誤、帶有噪音,還是標注數(shù)據(jù)原本不是用于意向目標,抑或只存在一些先驗知識、根本沒有標注數(shù)據(jù)。上述方法均可以用于實體關系抽取。特別是,近年來,隨著實體關系抽取研究的深入,這3種方法常常相互啟發(fā)、互相配合,在同一套項目中作為一個整體出現(xiàn)[11-13]。
盡管弱監(jiān)督學習實體關系抽取前景樂觀,但是相關綜述性文獻比較少。如Kоnstantinоva[2]的綜述重點在于對通用語料的實體關系抽取進行一個整體性的闡述,客觀上缺乏對科技情報的適用性。而其他學者如Bach和Badaskar[3]、車萬翔等[4]所做的綜述,由于歷史原因僅限于監(jiān)督實體關系抽取方法。為了促進弱監(jiān)督實體關系抽取在科技情報界的應用,本文擬按照對標注數(shù)據(jù)的要求,對弱監(jiān)督學習的發(fā)展歷程及其半監(jiān)督、遠程監(jiān)督和弱監(jiān)督學習3種方法進行描述和分析。
隨著信息技術的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)上所承載的資源日益增加,利用方式不斷豐富。而要對這些無結構或半結構的信息資源進行深入挖掘與利用,需要將它們進行結構化。而從無結構、半結構數(shù)據(jù)構建結構化數(shù)據(jù)的方法之一,就是實體關系抽取。如圖1所示。MUС[1]會議認為,實體關系抽取任務是未來發(fā)展的一個重要方向,并首先進行了定義。傳統(tǒng)上,研究者們往往使用監(jiān)督學習方法將實體關系抽取視作分類問題,通過以核函數(shù)[14]為代表方法從標注數(shù)據(jù)中學習關系抽取器。盡管該方法取得了不小的進展,但面對越來越多的數(shù)據(jù)與不同領域的實體關系抽取需求,其數(shù)據(jù)標注成本越來越高。
1998年,谷歌利用PageRank等算法在信息檢索方面進行了成功的嘗試,人們只需要輸入關鍵詞即可得到相關信息。但是,在沒有更自然、更精準的檢索服務的情況下,用戶仍然需要翻閱多個頁面才能獲得自己想要的結果。而提供更自然、更精準的檢索服務,顯然需要進行實體關系抽取。
同年,Brin[15]使用半監(jiān)督學習做出的工作引發(fā)了研究者們的注意:他使用少量數(shù)據(jù)作為“種子”,對“作者—書籍”關系進行抽取。他從“種子”中獲得能夠匹配關系的模板,進而可以匹配新的關系實例。雖然這種方法受限于專業(yè)領域知識背景和“種子”的質(zhì)量,但是它證明,減少數(shù)據(jù)標注依賴是有可能的。
隨著Web 2.0為基礎的多種互聯(lián)網(wǎng)服務的發(fā)展,維基百科等公共知識庫吸引了越來越多的目光。因此,一種可行的思路是通過這些公共知識庫拓展標注數(shù)據(jù)的來源,利用知識庫中半結構化的數(shù)據(jù)為結構化數(shù)據(jù)提供幫助,這種方法被稱作遠程監(jiān)督學習方法。很多基于維基百科的結構化知識庫的發(fā)展,如Freebase[7]、DBpedia[8]等,為遠程監(jiān)督學習奠定了應用基礎。
然而,許多具有專業(yè)知識背景的實體關系抽取項目仍然無法找到合適的知識庫支持。對于這種情況,2008年,谷歌提出了OpenIE方法。該方法通過無監(jiān)督學習實體關系抽取徹底擺脫了標注數(shù)據(jù)的限制,更加適用于多領域、大規(guī)模數(shù)據(jù)。實踐表明,無監(jiān)督學習實體關系抽取方法極大地改善了谷歌的檢索質(zhì)量,使用者可以通過更自然的方式獲得更精準的實體關系抽取結果。
至此,上述3種方法形成了與監(jiān)督學習方法截然不同的實體關系抽取思路,即弱監(jiān)督學習實體關系抽取。在之后的實體關系抽取發(fā)展過程中,很多實體關系抽取模型都會綜合利用這3種方法,以全面測試模型的性能。因此,本文對3種方法進行綜述,以幫助讀者全面了解弱監(jiān)督學習實體關系抽取。
半監(jiān)督學習已經(jīng)成為弱監(jiān)督學習實體關系抽取中應用最廣泛的方法,其標志性的自訓練[15-16]過程如圖2所示。
(1)從一個較小的數(shù)據(jù)集開始,標注出其中的關系實例,這些關系實例被稱作“種子”。
(2)從“種子”中提取模板。
(3)通過模板在非“種子”語料中提取新的實體關系實例,并將這些實例作為新的種子。
圖1 弱監(jiān)督學習發(fā)展歷程中的關鍵節(jié)點
圖2 半監(jiān)督學習訓練過程
(4)從步驟二開始執(zhí)行,直到循環(huán)終止條件達成。
其目標是通過很少的標注數(shù)據(jù)訓練出較好的實體關系抽取模型,并抽取出大量的關系實例。例如要從互聯(lián)網(wǎng)上抽取“書—作者”關系,Brin[15]只使用了5個關系實例作為種子,就可以從自然語言文本、URL、超鏈接中為當時尚不完善的文獻數(shù)據(jù)庫補充15257個實例。類似的關系還包括“科研機構—作者”、作者合著、機構合作、母體文獻、項目來源等[17]。
但是,少量的人工標注數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生語義漂移,誤導實體關系抽取模型學習到不合適的“種子”和模板。解決這個問題的基本思路是加強人的監(jiān)督。比如利用模板與關系實例的對偶性[15]將模板視作對實例的抽象,將實例視作模板所表示關系的具體實現(xiàn)。Brin選擇了一種字符串匹配模板,既方便在計算機上實現(xiàn),也方便研究人員的閱讀與理解,從而可以把錯誤的模板和匹配的錯誤實例去掉,在保留346個模板的情況下抽取到大量實例。
這種方法的缺點是:有時候要抽取的實體關系太多,人工篩選仍然耗時耗力。因此,在上述半監(jiān)督學習自訓練過程的基礎上,Blum和Mitchell[18]通過協(xié)同訓練改進了上述自訓練過程的后三步,即:
(2)用每個關系的“種子”訓練對應的實體關系抽取器。
(3)通過實體關系抽取器對非“種子”語料提取新的實體關系實例。
(4)對新抽取出來的實體關系實例進行篩選,得到新的“種子”。
很明顯,第三步可以利用不同關系之間的相互作用,通過人工編寫的規(guī)則篩除不合適的實例。但這基于對抽取關系足夠精細的認知,篩選規(guī)則的編寫事實上受到研究人員認知的限制,因為很難區(qū)分什么是“特例”,什么是“錯誤”。例如《黑客帝國》的導演沃卓斯基兄弟實體對,因為兄長做了變性手術,所以有的人認為“姐弟”關系在特定的時間也成立。這種加上時間、地點等條件的關系也被稱作“事件”[19]。
另一種思路被稱作“避免密集區(qū)域改變”[20]:如果一個實例和其他實例相似度較低,那么這個實例有可能是錯誤的;如果一個實例和其他實例相似度較高,那么其錯誤的可能性就較低。反過來,如果有多種關系可能出現(xiàn)于某個實體對時,那么相似的關系更可能同時出現(xiàn),相似度較低的關系則要進行適當?shù)母钌?。因此,如果“協(xié)同訓練”利用的是關系之間的“協(xié)同”性判斷關系實例是“特例”還是“錯誤”,那么這種“協(xié)同性”同樣可以作用于數(shù)據(jù)之間:將非“種子”語料分割成若干份,分別訓練實體關系抽取器,此抽取器判斷為某關系的實例可能被其他抽取器判斷為非實例,這樣的實例因此可以被篩除。
總之,半監(jiān)督學習在“種子”篩選方面還有很長的路要走,目前看來有兩個發(fā)展方向:一是提高模型訓練速度;二是將“種子”的篩選方法與對目標關系的描述結合起來,特別是結合邏輯描述與概率描述兩種手段。
遠程監(jiān)督的目標則是盡可能增加標注數(shù)據(jù),其具體方法是將某些結構化的數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)化為可用的標注數(shù)據(jù)集。這樣的數(shù)據(jù)集通常以各種人工構建的知識庫形式呈現(xiàn),如Kоzareva等[21]研究了如何利用維基百科發(fā)現(xiàn)實體關系。在這樣的知識庫基礎上,可以總結遠程監(jiān)督具有以下一般流程。
(1)從現(xiàn)知識庫中收集關系實例,如Сraven和Kumlien從人工構建的生物學Yeast Prоtein Database知識庫中收集了1213個“亞細胞定位”關系實例。
(2)將關系實例中的實體對分離出來,即“亞細胞定位”關系對應的蛋白質(zhì)實體和“亞細胞位置”實體組成的實體對。
(3)從待處理語料中根據(jù)不同規(guī)則找到對應關系的實例。
(4)使用上述標注數(shù)據(jù)訓練實體關系抽取器。
該流程的重點是第二步和第三步,即如何收集實體對并將知識庫中對應的關系映射到無結構文本中。針對不同資源可以采取不同的措施,Kоzareva等[21]在第二步首先使用維基百科詞條間的超鏈接建立圖結構,在這個結構中,如果“度”滿足一定條件,即可認為這兩個實體具有一定關系。如Сraven和Kumlien[22]認為一個句子只要同時包含蛋白質(zhì)實體和“亞細胞位置”實體,即可將對應的實體對標注為“亞細胞定位”實體關系。
雖然Сraven和Kumlien[22]的方法簡單有效,能夠從633個句子中收集到336個關系實例。但是其假設過強,每一個同時包含兩個實體的句子都會表述這兩個實體在知識庫中的對應關系[23],這可能導致如圖3所示的各種問題。例如,一個句子中如果出現(xiàn)“喬布斯”和“蘋果公司”這兩個實體,這個句子很可能表述了“СEO-оf”關系。但是在知識庫中這兩個實體往往還構成“Fоunder-оf”關系,如何判斷某一句話到底要表達哪種關系就出現(xiàn)問題了。
這個問題的解決方案是將一種關系看作另一種關系的“噪音”?!拔制澞醽喛恕迸c“蘋果公司”構成“Fоunder-оf”關系而不構成“СEO-оf”關系,因此可以用確定為“Fоunder-оf”的關系實例來生成實體關系抽取器,然后判斷某句話中“喬布斯”與“蘋果公司”是否構成“Fоunder-оf”關系。根據(jù)這種想法,Yaо等[11]通過遠程監(jiān)督方法將Mintz等[12]獲得的關系實例作為觀測得到的先驗知識加入主題模型并進行了聚類。如果先驗中一個實體對被標注了兩種關系,接下來的聚類過程自會判斷這兩種關系是否成立。
不難發(fā)現(xiàn),在其他研究中,實體關系抽取的目標是根據(jù)語料給出的特征判斷實體對具體表現(xiàn)為什么關系。而在遠程監(jiān)督中,目標變成了根據(jù)實體對的已知關系對包含這個實體對的語料特征的表述進行判斷。
這種視角變換引起了Surdeanu等[13]的注意,他們提出了MIML(Multi-instance Multi-Label)模型以允許某個關系實例表述多種關系。特別是在知識庫相當全面的情況下,如果某個實體對存在多種關系,這種假設顯然更具有普適性和實用性:如果一個非常全面的知識庫中某個實體對不表述某種關系,那么對應的關系實例也應當斟酌是否表述該關系。從更高的層面來說,“多種關系在實體對層面上存在共現(xiàn)”,這樣的邏輯關系比Yaо等[11]的“多種關系在文檔層面存在共現(xiàn)”更有說服力,這為結合使用半監(jiān)督和遠程監(jiān)督方法提供了途徑。
圖3 遠程監(jiān)督實體關系抽取可能遇到的各種情況
維基百科“中國”詞條的信息框(InfоBоx)中,“北京”與“中國”的關系是“首都”(Сapital)。通過這樣一個關系實例,我們可以提取相應的特征,包括其在信息框的HTML代碼中所處的相對位置,“首都”這個詞以及對應的自然語言特征等。一般認為,這些特征適用的范圍不僅限于關系實例,也適用于關系本身的其他實例,這被稱作“平移不變性”[24]。仍然以維基百科為例:中國和美國詞條中都出現(xiàn)了“最大城市”的關系實例,顯而易見,這種實體關系的發(fā)現(xiàn)并不需要任何監(jiān)督(圖4)。
為了發(fā)現(xiàn)這種“平移不變性”,OpenIE等[25]設計了8個領域知識無關的詞法—句法模板用以匹配相關特征。研究者認為,這些模板能夠匹配95%以上的實體關系實例,并為實體關系的判斷提供足以判斷具體關系的特征,Nguyen等[26]則通過另外訓練的СRF模型識別特征所對應的關系。這種方式簡單、有效、適合并行化,在理想的情況下只要數(shù)據(jù)足夠多,總能抽取到所有正確的實體關系實例。
其缺點是抽取出來的關系實例有13%“碎片化”,有7%“無信息”[27]。如“The guide cоntains dead links and оmits sites.”和“gave birth tо”,按照OpenIE的模板可能抽取出“cоntain оmit”關系和“give”關系。對此,Nguyen等的解決方案是通過觀察語料中關系實例的具體形式,加入新的詞法和句法約束形成新的模板,將原來省略掉的實體關系標注成本轉(zhuǎn)移到了模板設計方面。雖然由于OpenIE對關系基本上不進行聚類,所以它不會把不同的關系錯誤判斷為一類,但這同樣導致缺少對特征的歸納總結過程。
因此,使用無監(jiān)督學習的研究者仍然需要一些可用的先驗知識來實現(xiàn)關系本身的消歧。在先驗知識的幫助下結合Yaо等[11]的Rel-LDA和Type-LDA模型,以模型訓練速度與實體關系抽取速度為代價,獲得相當高的無監(jiān)督學習實體關系抽取精確度,不論這種知識是遠程監(jiān)督提供的還是監(jiān)督學習語料提供的。值得一提的是,先驗知識導入時,在OpenIE中先驗知識以模板的形式存在,情報科學語料模板的編寫需要專家的經(jīng)驗與專業(yè)知識,而Rel-LDA和Type-LDA完全不需要這一點,它們會自行從先驗知識中學習關系對應的統(tǒng)計學特征。
如表1所示,弱監(jiān)督學習實體關系抽取主要解決了監(jiān)督學習對標注數(shù)據(jù)的需求問題,這對于科技信息(情報)服務業(yè)的檢索引擎、垂直問答系統(tǒng)[28-30]以及面向?qū)I(yè)領域的機器翻譯[31-32]等有極為重要的意義。而針對不同的應用目標,3種弱監(jiān)督方法因其不同特點有不同的適用范圍。
圖4 Capital-of關系抽取中的平移不變性
表1 弱監(jiān)督學習實體關系抽取3種方法的一般特點
從對標注數(shù)據(jù)的需求看:半監(jiān)督學習可以根據(jù)已標注的少量“種子”從未標注數(shù)據(jù)中學習得到目標關系實例,部分解決標注數(shù)量不足的問題;遠程監(jiān)督學習可以使用原本不是用于意向目標的知識庫擴展實體關系抽取器訓練數(shù)據(jù)來源;在無訓練語料的情況下,無監(jiān)督學習可以利用關系實例之間的“平移不變性”進行關系抽取,這在語料數(shù)量比較多的情況下可行性較強。
從適用數(shù)據(jù)的規(guī)??矗喊氡O(jiān)督學習方法在缺少合適“種子”和篩選方式的情況下,較容易出現(xiàn)語義漂移,因此應用于大規(guī)模數(shù)據(jù)有困難;在高質(zhì)量、大規(guī)模知識庫的支持下,遠程監(jiān)督學習可以應用于一般規(guī)模的數(shù)據(jù);無監(jiān)督學習由于沒有標注數(shù)據(jù)的制約,只要模型設計合理即可在大規(guī)模數(shù)據(jù)的基礎上進行實體關系抽取。
從弱監(jiān)督學習實體關系抽取的主要短板上看:半監(jiān)督學習受限于“種子”,容易產(chǎn)生語義漂移問題;遠程監(jiān)督無法避免數(shù)據(jù)庫帶來的噪音;而無監(jiān)督學習在同一關系的不同表述上,消歧能力有待加強。這些問題可以總結為精度不高,這在數(shù)量較小的專業(yè)領域的語料上尤其嚴重。
盡管不同的弱監(jiān)督實體關系抽取方法有不同的特點,但多種方法互相借鑒才是未來發(fā)展的主流方向。在一段時間內(nèi),科技情報領域?qū)嶓w關系抽取需要綜合使用遠程監(jiān)督拓展來自專業(yè)領域的知識特征,結合待抽取關系的一般特點專門構建模型,并且選用有代表性的數(shù)據(jù)作為先驗知識,這樣才能在較少的標注數(shù)據(jù)上達到較好的實體關系抽取效果。
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