微軟亞洲研究院：NLP將迎來黃金十年

　　趨勢熱點(diǎn)：值得關(guān)注的 NLP 技術(shù)

　　從最近的 NLP 研究中，我們認(rèn)為有一些技術(shù)發(fā)展趨勢值得關(guān)注，這里總結(jié)了五個方面：

　　熱點(diǎn)一，預(yù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　如何學(xué)習(xí)更好的預(yù)訓(xùn)練的表示，在一段時間內(nèi)繼續(xù)成為研究的熱點(diǎn)。

　　通過類似于語言模型的方式來學(xué)習(xí)詞的表示，其用于具體任務(wù)的范式得到了廣泛應(yīng)用。這幾乎成為自然語言處理的標(biāo)配。這個范式的一個不足是詞表示缺少上下文，對上下文進(jìn)行建模依然完全依賴于有限的標(biāo)注數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。實(shí)際上，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語言模型已經(jīng)對文本序列進(jìn)行了學(xué)習(xí)。如果把語言模型關(guān)于歷史的那部分參數(shù)也拿出來應(yīng)用，那么就能得到一個預(yù)訓(xùn)練的上下文相關(guān)的表示。這就是 Matthew Peters 等人在 2018 年 NAACL 上的論文“Deep Contextualized Word Representations”的工作，他們在大量文本上訓(xùn)練了一個基于 LSTM 的語言模型。最近 Jacob Delvin 等人又取得了新的進(jìn)展，他們基于多層 Transformer 機(jī)制，利用所謂“MASKED”模型預(yù)測句子中被掩蓋的詞的損失函數(shù)和預(yù)測下一個句子的損失函數(shù)所預(yù)訓(xùn)練得到的模型“BERT”，在多個自然語言處理任務(wù)上取得了當(dāng)前最好的水平。以上提到的所有的預(yù)訓(xùn)練的模型，在應(yīng)用到具體任務(wù)時，先用這個語言模型的 LSTM 對輸入文本得到一個上下文相關(guān)的表示，然后再基于這個表示進(jìn)行具體任務(wù)相關(guān)的建模學(xué)習(xí)。結(jié)果表明，這種方法在語法分析、閱讀理解、文本分類等任務(wù)都取得了顯著的提升。最近一段時間，這種預(yù)訓(xùn)練模型的研究成為了一個研究熱點(diǎn)。

　　如何學(xué)習(xí)更好的預(yù)訓(xùn)練的表示在一段時間內(nèi)將繼續(xù)成為研究的熱點(diǎn)。在什么粒度(word，sub-word，character)上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，用什么結(jié)構(gòu)的語言模型(LSTM，Transformer 等)訓(xùn)練，在什么樣的數(shù)據(jù)上(不同體裁的文本)進(jìn)行訓(xùn)練，以及如何將預(yù)訓(xùn)練的模型應(yīng)用到具體任務(wù)，都是需要繼續(xù)研究的問題?，F(xiàn)在的預(yù)訓(xùn)練大都基于語言模型，這樣的預(yù)訓(xùn)練模型最適合序列標(biāo)注的任務(wù)，對于問答一類任務(wù)依賴于問題和答案兩個序列的匹配的任務(wù)，需要探索是否有更好的預(yù)訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)和方法。將來很可能會出現(xiàn)多種不同結(jié)構(gòu)、基于不同數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的預(yù)訓(xùn)練模型。針對一個具體任務(wù)，如何快速找到合適的預(yù)訓(xùn)練模型，自動選擇最優(yōu)的應(yīng)用方法，也是一個可能的研究課題。

　　熱點(diǎn)二，遷移學(xué)習(xí)和多任務(wù)學(xué)習(xí)

　　對于那些本身缺乏充足訓(xùn)練數(shù)據(jù)的自然語言處理任務(wù)，遷移學(xué)習(xí)有著非常重要和實(shí)際的意義。多任務(wù)學(xué)習(xí)則用于保證模型能夠?qū)W到不同任務(wù)間共享的知識和信息。

　　不同的 NLP 任務(wù)雖然采用各自不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，但在編碼器(Encoder)端往往是同構(gòu)的。例如，給定一個自然語言句子 who is the Microsoft founder，機(jī)器翻譯模型、復(fù)述模型和問答模型都會將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的向量表示序列，然后再使用各自的解碼器完成后續(xù)翻譯、改寫和答案生成 (或檢索) 任務(wù)。因此，可以將不同任務(wù)訓(xùn)練得到的編碼器看作是不同任務(wù)對應(yīng)的一種向量表示，并通過遷移學(xué)習(xí)(Transfer Learning)的方式將這類信息遷移到目前關(guān)注的目標(biāo)任務(wù)上來。對于那些本身缺乏充足訓(xùn)練數(shù)據(jù)的自然語言處理任務(wù)，遷移學(xué)習(xí)有著非常重要和實(shí)際的意義。

　　多任務(wù)學(xué)習(xí)(Multi-task Learning)可通過端到端的方式，直接在主任務(wù)中引入其他輔助任務(wù)的監(jiān)督信息，用于保證模型能夠?qū)W到不同任務(wù)間共享的知識和信息。Collobert 和 Weston 早在 2008 年就最早提出了使用多任務(wù)學(xué)習(xí)在深度學(xué)習(xí)框架下處理 NLP 任務(wù)的模型。最近 Salesforce 的 McCann 等提出了利用問答框架使用多任務(wù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練十項(xiàng)自然語言任務(wù)。每項(xiàng)任務(wù)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)雖然有限，但是多個任務(wù)共享一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升對來自不同任務(wù)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的綜合利用能力。多任務(wù)學(xué)習(xí)可以設(shè)計為對諸任務(wù)可共建和共享網(wǎng)絡(luò)的核心層次，而在輸出層對不同任務(wù)設(shè)計特定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　熱點(diǎn)三，知識和常識的引入

　　如何在自然語言理解模塊中更好地使用知識和常識，已經(jīng)成為目前自然語言處理領(lǐng)域中一個重要的研究課題。

　　隨著人們對人機(jī)交互(例如智能問答和多輪對話)要求的不斷提高，如何在自然語言理解模塊中更好地使用領(lǐng)域知識，已經(jīng)成為目前自然語言處理領(lǐng)域中一個重要的研究課題。這是由于人機(jī)交互系統(tǒng)通常需要具備相關(guān)的領(lǐng)域知識，才能更加準(zhǔn)確地完成用戶查詢理解、對話管理和回復(fù)生成等任務(wù)。

　　最常見的領(lǐng)域知識包括維基百科和知識圖譜兩大類。機(jī)器閱讀理解是基于維基百科進(jìn)行自然語言理解的一個典型任務(wù)。給定一段維基百科文本和一個自然語言問題，機(jī)器閱讀理解任務(wù)的目的是從該文本中找到輸入問題對應(yīng)的答案短語片段。語義分析是基于知識圖譜進(jìn)行自然語言理解的另一個典型任務(wù)。給定一個知識圖譜(例如 Freebase)和一個自然語言問題，語義分析任務(wù)的目的是將該問題轉(zhuǎn)化為機(jī)器能夠理解和執(zhí)行的語義表示。目前，機(jī)器閱讀理解和語義分析可以說是最熱門的自然語言理解任務(wù)，它們受到了來自全世界研究者的廣泛關(guān)注和深入探索。

　　常識指絕大多數(shù)人都了解并接受的客觀事實(shí)，例如海水是咸的、人渴了就想喝水、白糖是甜的等。常識對機(jī)器深入理解自然語言非常重要，在很多情況下，只有具備了一定程度的常識，機(jī)器才有可能對字面上的含義做出更深一層次的理解。然而獲取常識卻是一個巨大的挑戰(zhàn)，一旦有所突破將是影響人工智能進(jìn)程的大事情。另外，在 NLP 系統(tǒng)中如何應(yīng)用常識尚無深入的研究，不過出現(xiàn)了一些值得關(guān)注的工作。

　　熱點(diǎn)四，低資源的 NLP 任務(wù)

　　引入領(lǐng)域知識(詞典、規(guī)則)可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)能力、基于主動學(xué)習(xí)的方法增加更多的人工標(biāo)注數(shù)據(jù)等，以解決數(shù)據(jù)資源貧乏的問題。

　　面對標(biāo)注數(shù)據(jù)資源貧乏的問題，譬如小語種的機(jī)器翻譯、特定領(lǐng)域?qū)υ捪到y(tǒng)、客服系統(tǒng)、多輪問答系統(tǒng)等，NLP 尚無良策。這類問題統(tǒng)稱為低資源的 NLP 問題。對這類問題，除了設(shè)法引入領(lǐng)域知識(詞典、規(guī)則)以增強(qiáng)數(shù)據(jù)能力之外，還可以基于主動學(xué)習(xí)的方法來增加更多的人工標(biāo)注數(shù)據(jù)，以及采用無監(jiān)督和半監(jiān)督的方法來利用未標(biāo)注數(shù)據(jù)，或者采用多任務(wù)學(xué)習(xí)的方法來使用其他任務(wù)甚至其他語言的信息，還可以使用遷移學(xué)習(xí)的方法來利用其他的模型。

　　以機(jī)器翻譯為例，對于稀缺資源的小語種翻譯任務(wù)，在沒有常規(guī)雙語訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下，首先通過一個小規(guī)模的雙語詞典(例如僅包含 2000 左右的詞對)，使用跨語言詞向量的方法將源語言和目標(biāo)語言詞映射到同一個隱含空間。在該隱含空間中， 意義相近的源語言和目標(biāo)語言詞具有相近的詞向量表示。基于該語義空間中詞向量的相似程度構(gòu)建詞到詞的翻譯概率表，并結(jié)合語言模型，便可以構(gòu)建基于詞的機(jī)器翻譯模型。使用基于詞的翻譯模型將源語言和目標(biāo)語言單語語料進(jìn)行翻譯，構(gòu)建出偽雙語數(shù)據(jù)。于是，數(shù)據(jù)稀缺的問題通過無監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法產(chǎn)生偽標(biāo)注數(shù)據(jù)，就轉(zhuǎn)化成了一個有監(jiān)督的學(xué)習(xí)問題。接下來，利用偽雙語數(shù)據(jù)訓(xùn)練源語言到目標(biāo)語言以及目標(biāo)語言到源語言的翻譯模型，隨后再使用聯(lián)合訓(xùn)練的方法結(jié)合源語言和目標(biāo)語言的單語數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步提高兩個翻譯系統(tǒng)的質(zhì)量。

　　為了提高小語種語言的翻譯質(zhì)量，我們提出了利用通用語言之間大規(guī)模的雙語數(shù)據(jù)，來聯(lián)合訓(xùn)練四個翻譯模型的期望最大化訓(xùn)練方法(Ren et al.， 2018)。該方法將小語種(例如希伯來語)作為有著豐富語料的語種(例如中文)和(例如英語)之間的一個隱含狀態(tài)，并使用通用的期望最大化訓(xùn)練方法來迭代地更新 X 到 Z、Z 到 X、Y 到 Z 和 Z 到 Y 之間的四個翻譯模型，直至收斂。

　　熱點(diǎn)五，多模態(tài)學(xué)習(xí)

　　視覺問答作為一種典型的多模態(tài)學(xué)習(xí)任務(wù)，在近年來受到計算機(jī)視覺和自然語言處理兩個領(lǐng)域研究人員的重點(diǎn)關(guān)注。

　　嬰兒在掌握語言功能前，首先通過視覺、聽覺和觸覺等感官去認(rèn)識并了解外部世界?？梢?，語言并不是人類在幼年時期與外界進(jìn)行溝通的首要手段。因此，構(gòu)建通用人工智能也應(yīng)該充分地考慮自然語言和其他模態(tài)之間的互動，并從中進(jìn)行學(xué)習(xí)，這就是多模態(tài)學(xué)習(xí)。