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【文本匹配】交互型模型

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杨利霞

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发表于 2023-4-13 21:16 |只看该作者 |正序浏览

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【文本匹配】交互型模型

表示型的文本匹配模型存在两大问题：（1）对各文本抽取的仅仅是最后的语义向量，其中的信息损失难以衡量；（2）缺乏对文本pair间词法、句法信息的比较

而交互型的文本匹配模型通过尽早在文本pair间进行信息交互，能够改善上述问题。

基于交互的匹配模型的基本结构包括：

（1）嵌入层，即文本细粒度的嵌入表示；

（2）编码层，在嵌入表示的基础上进一步编码；

（3）匹配层：将文本对的编码层输出进行交互、对比，得到各文本强化后的向量表征，或者直接得到统一的向量表征；

（4）融合层：对匹配层输出向量进一步压缩、融合；

（5）预测层：基于文本对融合后的向量进行文本关系的预测。

1. ARC-II
ARC-II模型是和表示型模型ARC-I模型在同一篇论文中提出的姊妹模型，采用pair-wise ranking loss的目标函数。

其核心结构为匹配层的设计：

（1）对文本pair的n-gram Embedding结果进行拼接，然后利用1-D CNN得到文本S_X中任一token i和文本S_Y中任一token j的交互张量元素M_{ij}。该操作既然考虑了n-gram滑动窗口对于local信息的捕捉，也通过拼接实现了文本pair间低层级的交互。

（2）对交互张量进行堆叠的global max-pooling和2D-CNN操作，从而扩大感受野。

2. PairCNN
PairCNN并没有选择在Embedding后直接进行query-doc间的交互，而是首先通过TextCNN的方式分别得到query和doc的向量表征，然后通过一个中间Matrix对query和doc向量进行交互得到pair的相似度向量，然后将query的向量表征、doc的向量表征、相似度向量以及其它的特征向量进行拼接，最后经过两层的MPL得到最后的二分类向量。

PairCNN的模型架构中的亮点在于各View向量的拼接，既能利用原始的语义向量，还能够很便捷的融入外部特征。

3. MatchPyramid
无论是ARC-II中的n-gram拼接+1D conv还是Pair-CNN中的中间Matrix虽然均通过运算最终达到了信息交互的作用，但其定义还不够显式和明确，MatchPyramid借鉴图像卷积网络的思想，更加显式的定义了细粒度交互的过程。
MatchPyramid通过两文本各token embedding间的直接交互构造出匹配矩阵，然后将其视为图片进行2D卷积和2D池化，最后Flatten接MLP计算得匹配分数。本文共提出了三种匹配矩阵的构造方式：

（1）Indicator：0-1型，即一样的token取1，否则取0；这种做法无法涵盖同义多词的情况；

（2）Cosine：即词向量的夹角余弦；

（3）Dot Product：即词向量的内积

此外值得注意的是因为各个文本pair中句子长度的不一致，本文并没有采用padding到max-lenght的惯用做法，而是采用了更灵活的动态池化层，以保证MPL层参数个数的固定。

4. DecAtt
DecAtt将注意力机制引入到交互型文本匹配模型中，从而得到各token信息交互后增强后的向量表征。

模型被概括为如下层级模块：

（1）Attend层：文章提供了两种注意力方案，分别为文本间的cross-attention，以及各文本内的intra-attention。具体而言，分别采用前向网络F和F_{intra}对文本token embedding进行编码，然后通过F(x)F(y)计算cross-attention的score，以及F_{intra}(x)F_{intra}(y)计算self-attention的score。然后利用softmax将attention score进行归一化，再对各token embedding进行加权平均，得到当前query token处的增强表征，最后与原始token embedding进行拼接计为attend后的最终embedding。

（2）Compare层：将前序Attend层计算得到的最终embedding，喂入一个全连接层进行向量维度的压缩。

（3）Aggregate层：将每个文本各token处压缩后的向量进行简单的求和，再拼接起来通过MPL得到最后的匹配得分。

5. CompAgg
CompAgg详细对比了在文本间cross-attention得到的各token向量表征与原始token向量进行compare的各种方案。

该模型的主要结构包括：

（1）reprocessing层：采用类似于LSTM/GRU的神经网络得到token的深层表示（图中的\bar a_i）；

（2）Attention层：利用软注意力机制计算文本间的cross-attention（与DecAtt相同），从而得到各token处交互后的向量表示（图中的h_i）；

（3）Comparison层：通过各种网络结构或计算将\bar a_i和h_i计算求得各token的最终表征。

（4）Aggregation层：利用CNN网络对Comparison层的输出进行计算，得到最后的匹配得分。

其中Comparison层的构造方式包括：

（1）矩阵乘法，类似于Pair-CNN中的中间Matrix

（2）前向神经网络，即将\bar a_i和h_i进行拼接，然后利用输入FFN；

（3）分别计算cosine和欧式距离，然后拼接；

（4）各维度进行减法；

（5）各维度进行乘法；

（6）各维度进行减法和乘法，然后再接一个前向网络。

6. ABCNN
ABCNN是将Attention机制作用于BCNN架构的文本匹配模型。

6.1 BCNN
首先简单介绍下BCNN架构：

BCNN的整体结构比较简单：（1）输入层；（2）卷积层，因为采用了反卷积的形式，所以在size上会增加；

（3）池化层，采用了两种池化模式，在模型开始阶段采用的是local平均池化，在最后句子向量的抽取时采用了global平均池化；（4）预测层，句子向量拼接后采用LR得到最后的匹配得分。

ABCNN共包括三种变形，下面依次介绍。

6.2 ABCNN

ABCNN-1直接将Attention机制作用于word embedding层，得到phrase 级的词向量表示。区别于CompAgg中的软注意力机制，ABCNN-1直接基于下式得到注意力矩阵： A i j = 1 1 + ∣ x i − y j ∣ A_{ij}=\frac{1}{1+|x_i-y_j|} A
ij

=
1+∣x
i

−y
j

∣
1

，然后分别乘以可学习的权重矩阵 W 0 W_0 W
0

和 W 1 W_1 W
1

得到attetion feature map。

6.3 ABCNN-2

ABCNN-2将Attention机制作用于word embedding层后的反卷积层的输出结果，其中注意力矩阵的计算原理与ABCNN-1一致。然后将注意力矩阵沿着row和col的方向分别求和，分别代表着各文本token的attention socre；接着将反卷积层的输出结果与attention socre进行加权平均池化，得到与输入层相同shape的特征图。

6.4 ABCNN-3

ABCNN-3的基本模块可视为ABCNN-1和ABCNN-2的堆叠，即在嵌入层和卷积层上面都引入了attention的机制用来增强对token向量的表示。

7. ESIM
ESIM模型基于NLI任务给出了一种强有力的交互型匹配方法。其采用了BiLSTM和Tree-LSTM分别对文本序列和文本解析树进行编码，其亮点在于：

（1）匹配层定义了cross-attention得到各token的向量表示与原token向量间的详细交互关系，即采用 [ a ˉ , a ^ , a ˉ − a ^ , a ˉ ∗ a ^ ] [\bar a, \hat a,\bar a-\hat a,\bar a* \hat a] [
a
ˉ
,
a
^
,
a
ˉ
−
a
^
,
a
ˉ
∗
a
^
]作为最终文本token的向量表示，这也成为后续文本匹配模型的惯用做法。

（2）聚合层通过BiLSTM得到各文本token的编码，从而进一步增强了文本序列的信息传递；

（3）预测层通过拼接各文本token编码的max-pooling和mean-pooling结果，再经过MPL进行匹配预测。

8. Bimpm
Bimpm可视为对之前各类交互型文本匹配模型的一次总结。

该模型在各层的具体做法总结如下：

（1）编码层采用BiLSTM得到每个token隐层的向量表示；

（2）匹配层遵循 m k = c o s i n e ( W k ∗ v 1 , W k ∗ v 2 ) m_k=cosine(W_k*v_1,W_k*v_2) m
k

=cosine(W
k

∗v
1

,W
k

∗v
2

)的方式可以得到两个文本的任意token pair之间在第k个view下的匹配关系，至于 v 1 v_1 v
1

和 v 2 v_2 v
2

如何取，文章提供了4种策略：

策略一：其中一个句子取各token隐层的向量表示，另一个句子采用隐层最后时间步处的输出；
策略二：其中一个句子取各token隐层的向量表示，另一个句子采用隐层各时间步输出与之匹配后取再取Max-Pooling值；
策略三：其中一个句子取各token隐层的向量表示，另一个句子采用cross-attentive后得到的加权句子向量；
策略四：其中一个句子取各token隐层的向量表示，另一个句子采用cross-attentive后attention score最高处token的向量作为句子向量。
这四种策略的区别在于对句子向量的计算不同。

（3）聚合层，首先对上面各种策略得到的输出层再通过一层BiLSTM层，然后将各策略下最后时间步的输出进行拼接，得到最后的聚合向量；

（4）预测层：两层MPL+softmax

9. HCAN
HCAN是除Bert类模型外在文本匹配领域表现最为优异的深度模型之一，其采用了较为复杂的模型结构。

针对于信息抽取问题，文章首先分析了相关性匹配和语义匹配的差异：

（1）相关性匹配主要关注于关键词的对比，因此更关注低层级词法、语法结构层面的匹配性；

（2）语义匹配代表着文本的平均意义，因此其关注更高、更丑想的语义层面的匹配性。

该模型首先采用三类混合的编码器对query和context进行编码：

（1）深层相同卷积核大小的CNN编码器；

（2）不同卷积核大小的CNN编码器的并行编码；

（3）沿着时序方向的stacked BiLSTM编码；

对于前两者，通过控制卷积核的大小可以更好的捕捉词法和句法特征，即符合相关性匹配的目的；而对于后者，其能表征更长距离的文本意义，满足语义匹配的目的。

在这三类编码器的编码结果基础上，模型分别进行了相关性匹配和语义匹配操作。其中相关性匹配主要采用各phrase间内积+max pooling/mean pooling的方式获取相关性特征，并通过IDF指进行各phrase的权重调整。而在语义匹配中，模型采用了精心设计的co-attention机制，并最终通过BiLSTM层输出结果。

最后的预测层仍采用MPL+softmax进行预测。

10. 小结
交互型语言匹配模型由于引入各种花式attention，其模型的精细度和复杂度普遍强于表示型语言模型。交互型语言匹配模型通过尽早让文本进行交互（可以发生在Embedding和/或Encoding之后）实现了词法、句法层面信息的匹配，因此其效果也普遍较表示型语言模型更好。

【Reference】

ARC-II: Convolutional Neural Network Architectures for Matching Natural Language Sentences

PairCNN: Learning to Rank Short Text Pairs with Convolutional Deep Neural Networks

MatchPyramid: Text Matching as Image Recognition

DecAtt: A Decomposable Attention Model for Natural Language Inference

CompAgg: A Compare-Aggregate Model for Matching Text Sequences

ABCNN: ABCNN: Attention-Based Convolutional Neural Network
for Modeling Sentence Pairs

ESIM: Enhanced LSTM for Natural Language Inference

Bimpm: Bilateral Multi-Perspective Matching for Natural Language Sentences

HCAN: Bridging the Gap Between Relevance Matching and Semantic Matching
for Short Text Similarity Modeling

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