融合實(shí)體關(guān)系信息的答案選擇網(wǎng)絡(luò)中的算法分析?

毛 鵬 劉瑞芳 苗 航 陸樹棟 李 思

（北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京 100876）

1 引言

答案選擇任務(wù)是各種機(jī)器閱讀理解問題中常見的需求，任務(wù)目標(biāo)為給出一個(gè)問題句，從一組候選答案句中挑選出最相關(guān)的一個(gè)或幾個(gè)。來自外部知識(shí)庫的背景信息在問答中存在巨大的利用價(jià)值，合理利用這些知識(shí)信息可以提升模型的效果。文獻(xiàn)［1］已經(jīng)證明引入知識(shí)庫實(shí)體信息的方法能優(yōu)化模型效果。

本文利用知識(shí)庫中的實(shí)體關(guān)系，優(yōu)化注意力機(jī)制，同時(shí)，利用實(shí)體關(guān)系向量得到的基于關(guān)系向量的問答句編碼有效地豐富了問答句編碼信息。此方法在自然語言推理任務(wù)中取得了比較明顯的效果［2］。

本文提出基于知識(shí)庫關(guān)系信息的雙向長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（KBR-BiLSTM），主要貢獻(xiàn)可歸納如下：1）利用知識(shí)庫中的實(shí)體關(guān)系，優(yōu)化注意力機(jī)制；2）利用實(shí)體關(guān)系向量結(jié)合問答句上下文，得到基于關(guān)系向量的句編碼，豐富了原有的句編碼信息；3）結(jié)合不同的基準(zhǔn)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明方法與適合的基準(zhǔn)模型結(jié)合能提升模型效果。

2 相關(guān)工作

深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）［3］、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）［4］、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）［5～6］、雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（BiLSTM）［7］等。其關(guān)鍵思想是將句子編碼為句向量，對(duì)句向量進(jìn)行計(jì)算，得到需要的結(jié)果。

文獻(xiàn)［1，9］提出了引入外部知識(shí)庫實(shí)體信息的方法，將知識(shí)庫中的實(shí)體向量編碼進(jìn)行問答句的句表示中，從而豐富問答句的句表示信息。然而，這種方式未能充分利用知識(shí)庫中的關(guān)系信息，而這些關(guān)系信息同樣可以豐富問答句的句表示。

本文借鑒了自然語言推理任務(wù)中的思想［2］，引入知識(shí)庫關(guān)系信息，根據(jù)問答句中詞與詞之間的關(guān)系，優(yōu)化注意力矩陣；同時(shí)，利用實(shí)體關(guān)系向量，得到問答句基于知識(shí)庫關(guān)系向量編碼的句向量。

3 KBR-BiLSTM模型

本文在常用的答案選擇基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，本文對(duì)基準(zhǔn)模型進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 空間詞向量句編碼模塊

利用BiLSTM模型對(duì)問題、答案句進(jìn)行句子編碼。根據(jù)問答句中的詞獲取對(duì)應(yīng)的空間詞向量，組成的問題句矩陣Q和答案句矩陣A，（Q∈RLq×d g，A∈RLa×dg，d g是空間詞向量維度，Lq、La是問答句長度），通過BiLSTM編碼生成包含上下文信息的問答句隱藏層矩陣Qg、Ag，Qg∈RLq×dh、Ag∈RLq×dh，dh是隱層向量維度：

3.2 知識(shí)庫實(shí)體向量句編碼模塊

為豐富問答句的句表示信息，我們利用n-gram［10］方法進(jìn)行實(shí)體檢測(cè)，針對(duì)問答句中的每個(gè)詞，在知識(shí)庫多個(gè)候選實(shí)體中抽取前K個(gè)進(jìn)行編碼。由于實(shí)體向量有一定的模糊性，模型結(jié)合BiL?STM編碼模塊輸出的隱藏層矩陣，并采用結(jié)合上下文信息的注意力機(jī)制［1］，對(duì)問答句進(jìn)行基于知識(shí)庫實(shí)體向量的句編碼表示。其中，知識(shí)庫中實(shí)體向量由TransE［11］預(yù)訓(xùn)練得到。將句子中第t個(gè)詞對(duì)應(yīng)的候選實(shí)體向量所組成的矩陣表示為Et=｛e1，e2，…，eK｝，Et∈RK×de，其中，de是知識(shí)庫中實(shí)體向量的維度，K表示有K個(gè)候選實(shí)體：

其中，Wem，Whm和wms是待訓(xùn)練的參數(shù)矩陣，H g為問答句BiLSTM句子編碼模塊輸出的隱藏層矩陣（Qg或Ag）。Mt是矩陣Et結(jié)合隱藏層矩陣H g（Qg或Ag）信息編碼得到的實(shí)體信息矩陣，st表示Et中每個(gè)候選實(shí)體隱藏層矩陣H g上下文信息后得到的注意力向量。實(shí)體矩陣Et與注意力向量st相乘得到第t個(gè)詞更高級(jí)的實(shí)體向量表示：（1≤t≤L，L為句子長度），一句話中獲取的若干實(shí)體向量組成該句的實(shí)體矩陣?∈RL×de，將輸入CNN層進(jìn)行編碼，得到基于知識(shí)庫實(shí)體向量示的問答句隱藏層矩陣Qk、Ak：

其中，Qk∈RLq×d f、Ak∈RLa×d f，df是CNN輸出的隱藏層向量維度。

3.3 結(jié)合實(shí)體信息的注意力機(jī)制

Qg和Ag是由空間詞向量經(jīng)過BiLSTM編碼得到的問答句隱藏層表示，而Qk和Ak則是基于知識(shí)庫的實(shí)體向量得到的問答句隱藏層表示。將這兩種句編碼矩陣分別用文獻(xiàn)［8］中計(jì)算雙向注意力機(jī)制的方法得到兩個(gè)注意力矩陣M k、M k：

其 中M g∈RLq×La，M k∈RLq×La；U g∈Rdh×dh，U k∈Rdf×df是待訓(xùn)練的參數(shù)矩陣。

3.4 關(guān)系信息優(yōu)化注意力機(jī)制

將問題句中第i個(gè)詞和答案句中第j個(gè)詞之間的關(guān)系表示為r ij∈Rd r，r ij為低維向量，所組成的矩陣為RQ→A。F∈RLq×La表示問答句之間逐詞的關(guān)系矩陣，F(xiàn)中第i行第j列的元素fij的計(jì)算方式如下：

其中，wr∈Rdr為需要訓(xùn)練的參數(shù)向量。

3.5 結(jié)合得到句向量表示

對(duì)注意力矩陣M g進(jìn)行逐列和逐行的最大值池化，得到問題句和答案句的注意力向量和：

同樣方法由矩陣M g、M k、M r得到注意力向量

將兩種句表示矩陣H g（Qg、Ag）、H k（Qk、Ak）進(jìn)行拼接，并與式（8）中得到的注意力向量相乘，得到句向量表示：

3.6 隱藏層和歸一化層

從文獻(xiàn)［7］、文獻(xiàn)［12］中得到啟發(fā)，首先將問答句注意力向量kq、ka結(jié)合得到兩個(gè)注意力向量之間的相似度得分：

其中，W∈RLq×La是參數(shù)矩陣。為了增加句表示的豐富度，模型加入詞重疊特征Xfeat∈R4［7］。將[q，sim(kq，kq)，a，Xfeat]輸入歸一化層進(jìn)行二進(jìn)制分類。用最小化交叉熵?fù)p失函數(shù)訓(xùn)練整體模型：

其中pi是歸一化層的輸出，θ包含網(wǎng)絡(luò)的所有參數(shù)是L2的正則化。

圖1 優(yōu)化注意力機(jī)制后的模型結(jié)構(gòu)

3.7 知識(shí)庫關(guān)系向量句編碼模塊

首先，對(duì)矩陣M r進(jìn)行逐行、逐列的歸一化處理，得到問答句權(quán)重矩陣α、β：

圖2 結(jié)合關(guān)系向量句編碼后的模型結(jié)構(gòu)

利用關(guān)系向量r ij結(jié)合矩陣α、β的權(quán)重，得到問答句基于知識(shí)庫關(guān)系向量編碼所得的句矩陣Qb∈RLq×dr，Ab∈RLa×d r［2］：

將關(guān)系矩陣Qb和Ab與式（8）中得到的注意力向量相乘，得到問答句基于實(shí)體關(guān)系向量的句表示qb、ab：

將qb、ab與式（8）中q、a拼接得到結(jié)合知識(shí)庫關(guān)系信息的句向量qd、ad：

將句向量qd、ad代替式（9）中的句向量q、a，重復(fù)式（9）～（11）的過程。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文使用被廣泛應(yīng)用的維基問答（Wiki QA）數(shù)據(jù)集［13］和TRECQA［6］數(shù)據(jù)集，采用預(yù)訓(xùn)練的Glove詞向量集［14］作為空間詞向量來源。同時(shí)，采用Freebase的一個(gè)子集（FB5M）作為實(shí)體向量的知識(shí)庫。本文采用WordNet中的語義關(guān)系［15］作為實(shí)體關(guān)系向量r ij的數(shù)據(jù)來源，關(guān)系主要包括：同義詞，反義詞，上位詞，下位詞和共同下位詞（共享相同的上位詞）。

4.2 評(píng)估指標(biāo)

本文采用MAP（The Mean Average Precision）和MRR（Mean Reciprocal Rank）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.3 參數(shù)設(shè)置

BiLSTM隱藏層大小和最終隱藏層均設(shè)置為200。學(xué)習(xí)速率和丟失率分別設(shè)置為0.0005和0.5，其他參數(shù)從［-0.1，0.1］隨機(jī)初始化。L2正則化強(qiáng)度為0.0001。在知識(shí)庫實(shí)體表示模塊中，卷積核的尺寸設(shè)置為2和3。

4.4 結(jié)果對(duì)比

如表1所示，本文采用了比較先進(jìn)的基準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)：1）結(jié)合了雙向注意力機(jī)制的雙向長短期記憶神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò)AP-BiLSTM模型［8］；2）在AP-BiLSTM模型的基礎(chǔ)上加入知識(shí)庫實(shí)體向量句編碼表示的KABLSTM模型［1］；3）結(jié)合多路注意力機(jī)制的雙向長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MultiABLSTM模型［16］。

表1中，Attk指利用實(shí)體信息優(yōu)化注意力矩陣后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Attr指利用關(guān)系信息優(yōu)化注意力矩陣后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，r指結(jié)合引入基于關(guān)系向量編碼所得的句向量后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Att指以上兩種注意力機(jī)制都用，KBR-BiLSTM（AP-BiLSTM）表示以AP-BiLSTM模型為基準(zhǔn)模型優(yōu)化后的結(jié)果，KBR-BiLSTM（KABLSTM）表示KABLSTM模型為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，KBR-BiLSTM（MultiABLSTM）表示以MultiABLSTM模型為基準(zhǔn)模型的結(jié)果，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字指實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于該表中基準(zhǔn)模型的提高。

表1 分別在AP-BiLSTM模型和KABLSTM模型上優(yōu)化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

4.5 優(yōu)化分析

表2所示是一個(gè)實(shí)例，以AP-BiLSTM作為基準(zhǔn)模型，表中Attr表示利用關(guān)系信息優(yōu)化注意力矩陣后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中問答句的來源是trec QA數(shù)據(jù)集，將優(yōu)化前后的問答句對(duì)應(yīng)的注意力向量進(jìn)行歸一化處理，更加直觀地比較對(duì)應(yīng)單詞在句中的注意力權(quán)重。表2中用方框表示優(yōu)化后該單詞在句中的注意力權(quán)重明顯增加，灰色表示優(yōu)化后該單詞在句中的注意力權(quán)重明顯減小。優(yōu)化后的注意力機(jī)制減小了句中部分無關(guān)單詞的注意力權(quán)重，增加了部分相關(guān)單詞的注意力權(quán)重。

表2 問答句注意力機(jī)制優(yōu)化前后的對(duì)照情況

表3中問答句來源于trec QA數(shù)據(jù)集，答案句后標(biāo)0表示其為錯(cuò)誤答案，標(biāo)1為正確答案。句向量是指該句對(duì)應(yīng)的基于關(guān)系向量編碼所得的句向量，點(diǎn)積值指該答案句的句向量與問題句的句向量計(jì)算所得的點(diǎn)積值，從表3可知，正確答案句的句向量與問題句對(duì)應(yīng)的句向量的點(diǎn)積明值顯大于錯(cuò)誤答案句與對(duì)應(yīng)問題句的句向量的點(diǎn)積值。因此，問答句基于關(guān)系向量編碼的句向量為判斷答案句對(duì)錯(cuò)的指標(biāo)之一。

表3 問答句基于關(guān)系向量編碼所得向量對(duì)照

4.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文得出以下結(jié)論：1）在引入實(shí)體向量后的模型（KABLSTM）相對(duì)于未引用實(shí)體向量的模型（AP-BiLSTM）效果有所提高；2）用實(shí)體關(guān)系信息優(yōu)化注意機(jī)制的方法在AP-BiLSTM模型、KABLSTM模型上有所提升，證明方法可行。但在MultiA?BLSTM模型上效果不明顯，分析原因在于此模型已經(jīng)融合了多種注意力機(jī)制，增加外部知識(shí)庫信息不能明顯優(yōu)化；3）基于關(guān)系向量編碼所得的句向量在各模型上均使模型效果有所提升，證明此方法有效。

5 結(jié)語

本文在結(jié)合知識(shí)庫實(shí)體向量信息［1］的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了以下優(yōu)化：1）根據(jù)知識(shí)庫實(shí)體信息和關(guān)系信息，優(yōu)化了注意力機(jī)制。2）基于知識(shí)庫關(guān)系向量編碼所得的句向量，豐富了基準(zhǔn)模型的問答句表示。

通過與經(jīng)典的答案選擇基準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：答案選擇任務(wù)中，引入知識(shí)庫關(guān)系信息可以優(yōu)化模型效果。