对话式交互崛起，从百度度秘看对话式AI的技术实践

作者 | 谢剑

编辑 | Natalie

AI 前线导读： 对话式 AI 已经越来越多地走向普通人的日常生活，包括智能音箱，现代手机上几乎是标配的 AI 助手等，它们在生活和工作中带给人们便利。但是它们背后的技术你了解多少呢？AI 前线整理了百度度秘算法技术负责人谢剑在 QCon 2019 上的精彩演讲，来一探做好对话式 AI 的秘诀所在。

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以下为演讲整理，略有增删：

今天，我们的演讲主题围绕对话式 AI。我将首先介绍对话式 AI 产品的背景，包括产品应用场景、市场阶段等；第二部分展开介绍产品中的基本技术问题，同时分享百度的深度学习和增强学习在一些模块的应用。

产品背景

什么是 Conversational UI&AI

在介绍对话式 AI 之前，我们有必要先了解一下 Conversational UI（对话式 UI）的概念。很简单，就像我们今天的分享一样，我们用对话来实现自然交互，这其中所用到的技术就是对话式 AI。我不用对话系统来定义，原因在于，要实现自然交互要用到很多技术，可能不仅限于大家传统理解上的自然语言技术，还包括搜索、推荐、知识图谱等，所以说，对话式 AI 基本上是一个 AI 的集大成者。

所谓的对话式交互也是一种人机交互的方式，我们换一个视角，从人机交互的演变来看。

在 PC 时代，最早的交互方式就是 command 命令，输入一个有限的命令集，输出非常有限的文字。再往后大家开始享受到图 UI 的便利，大家可以在界面中进行点击、拖拉等各种操作，搜索也开始变得多模态了。到了移动时代，交互方式成为所谓的 GUI+，可以输入更多信息，包括地理位置等，输出也更多，包括触感等，这就是所谓的 AI 和 IoT 时代。我认为可以更好地混合这些交互方式，而且更重要的其实是自然的交互方式，因为前三种交互方式更多地是在适应机器。虽然 GUI 很好用，但是大家可能下载过一些 App，发现很难用，设计并不好用。从这个角度来看，在 AI 时代，应该让机器来适配人。语音交互其实就是一种非常自然的机器适配人类的过程。

有人可能会问，一定要用语音吗？什么时候语音对话交互会非常有效呢？其实有三个场景，一是你只想对话或只能对话；第二种是既可以对话，也可以使用 GUI，但对话的方式更加灵活、成本低时。只能对话是受限场景，受限场景还有很多，比如手表屏幕太小，对话显然更方便，UI 的交互效率很低。还有一种限制于人的场景，比如车载、厨房、洗漱台等手被占用的场景，另外就是非受限的场景。那么，语音对话式交互如何比其他交互更好？可以更灵活地应对长尾开放式交互，让操作更灵活，交互成本更低？

数据显示，很多人都用上了智能音箱，现在美国智能音箱市场是最具爆发力的，据预测，2019 年，25% 的成年人家里都会拥有至少一台智能音箱，相较 2018 年同比增长 39%。当然，智能音箱市场玩家众多，包括大家熟知的亚马逊 Echo，它点燃了市场的一把火，紧随其后的是 Google。据预测，国内市场智能音箱的出货量将达到 8000 多万，战火从去年开始烧起来，今年烧得最激烈，百度不算非常成功，但还在追赶，类似于谷歌的角色。现在份额第一的是阿里的天猫。

Conversational AI 技术详解

问题建模

• 对话 Bot 类型

接下来我将展开介绍技术问题，以及在克服技术问题中采用的详细技术。

在讲问题建模之前，我们先划分一下所谓的对话类型。按需求来分，分为这几部分，第一部分是通过对话获取内容，比如天气、音乐、汇率等信息和内容，类似于搜索；还有一种偏向工具型，如点外卖、定闹钟等；另外还有一种重要的对话类型，即情感诉求。

从大的技术框架来说，Bot 可以分为内容型和工具型两类，与闲聊型 Bot 的技术差异比较大，下面将重点展开这部分，学术界称之为 Task-Orented Bot，即面向任务型的聊天机器人。

• 算法框架

这是一张经典的对话式框架建模图，基本上分为几大块，第一块是用户，如果用户发出语音，我们需要先做（ASR）语音识别，包括之前的唤醒。ASR 之后产生文本，再之后进行对话理解，了解用户相应的需求。这两个部分实际上是做对话的跟踪状态跟踪和对话管理，可以理解成根据上下文确定并采取一些动作以满足用户需求。这些动作包括搜索、推荐等。最后，Bot 组织成一段人话，生成语言，用 TTS 的方式输出。这就是对话式 Bot 的基本框架。

接下来，我会围绕这个框架展开介绍一下其中的技术。举例说明，帮用户设置一个提醒，我们需要做什么。

首先是进行 NLU，即自然语言理解，了解任务目的是设置一个提醒。接着是对话状态跟踪，即要达到什么样的状态；对话管理，即理解任务是否可以创建，比如定时几点提醒用户。接着进入第二轮，如果用户要求定下午三点的闹铃，那么把两轮信息连接到一起，创建三点钟提醒用户这一问题。这是创建提醒任务的整个框架。

首先介绍自然语言理解。这包含两大核心问题，第一个问题是什么是机器自然语言理解，以及机器用什么表达理解，即机器的语义理解表示；第二大问题是用什么算法。

对话理解与深度学习

• 语义表示

以我的理解，语义表示可以分为这几类，第一种是用文本表示，我们叫做典型 Querry；第二种语义理解是 Term 空间；第三种是结构化意图和槽位，这是学术流派流行的术语，它分为两部分，第一部分是意图（intent），第二部分是槽位（slot），即更加详细地描述需求的信号，但实际它有一个问题，即 slot 的关系很难精细刻划，比如问“刘德华的哥哥的儿子是谁”，由于 slot 是个平行结构，无法表示这种复杂的关系。所以，句法解析流派也有用基于语义异存结构数来进行语义表示。

• 算法 -Hierarchical NLU Framework

谷歌做过一个叫做 Multi-action 的技术，一次可以做两个动作，比如“帮我打开电视机，调到中央一台”，这就是两个动作。这用结构化意图和槽位很难做到，因为它很难理解两个动作之间的关系。所以，需求理解的任务难度和需求表示的精细化程度之间的关系，是越精细的理解越难。

对此，我们有 Hierarchical NLU Framework 把热门 Quarry 变成一个搜索，通过 deep match 也可以把它变成翻译问题。

对于 Term 空间理解，我们用一个推理数做形式化推理，以理解中间的逻辑。实际上 Siri 很早就做了这个技术，但现在很多流派都走向 ERNIE Pretrained Based Joint Deep Model ，我们也将展开介绍一下这部分的工作。

• ERNIE Pretrained Based Joint Deep Model

这个工作我们称之为 ERNIE Pretrained Based Joint Deep Model。先来看一下任务，一是进行意图检测，即分类任务；二是槽填充，即序列标注任务。以“来一首祝杰伦的中国风歌曲”为例，意图就是播放音乐，slot 有各种标签，如 singer、unit 等。

BERT 很厉害，刷爆了各项 NLP 任务，我们的很多工作都基于此。BERT 的一个核心思想是迁移学习，我们对此做了两方面的改进，可以说是将迁移学习思想进一步推进，第一是对 EARNIE，用自己的数据做了训练和改进，核心的一点是要迁移其他产品的数据，同时迁移知识的数据；第二点是联合任务学习，当然这也不是新鲜事，但重要的是要结合 Intent Detection 和 Slot Filling 两个任务之间的关系和数据。

接下来是我理解的 BERT 成功的几个关键点。第一个关键点是双向 Transfomer，之前的建模都是从左到右或从右到左进行预测，而 BERT 是双向的；第二是它可以进行 Next Sentence Prediction；第三是它的大框架很好，Pre-train+Fine-tuning 的模式不新鲜，但它的设计很巧妙，基本上能够刷爆各种任务。ERNIE 在 BERT 上进行改进之后，在中文任务上基本上是全面超越，核心点是我们之引入了知识图谱。

第二个关键点是 Next Sentence Prediction 和 Slot Filling 之间本身有非常强的关联性，这在两方面，第一个是 Intent，它能够大大缩小 Slot 的歧义空间，比如说我想听葫芦娃的歌曲，而葫芦娃可能既是一首儿歌，也是一个有声节目，甚至还是动画片。所以如果你知道它是歌曲就简单多了，而 slot 也可以反过来贡献意图的明确性。所以，我们进行了改造，BERT 在 fine-tuning 时，如果是做分类任务，它是在 lable C 的位置做分类，如果是做 Token lable，它是在每一个 Token 上面截 Soft Max，这相当于一个 Joint 任务，联合起来进行 Fine-Tuning。

对话管理

• 知之为知之，不知为不知，是知也

NLU 之后还有一个很重要的对话管理部分，从抽象逻辑上来看就是理解之后，做动作之前还需要做一些事。第一，了解系统的状态；第二，根据现在的状态选择最好的动作。所以，对话管理下的副标题叫“知之为知之，不知为不知，是知也”，意思就是你知道就知道，不知道别瞎说。这很重要，对话智能需要真正做到这一点，不要不懂装懂。

• 模块定位与赋能

真实场景中环境非常复杂，比如在混入各种杂质声音的时候，系统要了解自己所处的状态，并采取最佳行动。其实人在对话当中体现的真正的智能是非全知智能，人类并非懂得一切，而且可以意识到自己并非全知全能，但这一点对机器来说很难。这也是我们今年在探索的重要课题。

• Deep Satisfaction Prediction Model

从技术角度讲，用机器学习建模重要的是要有 lable，什么是知，什么是不知，这是最难的。实际上在对话过程中没有像网页点击等其他强烈的信号，我们对此做了很多探索，比如离线用户行为挖掘，充分挖掘用户的行为特征。

• 序列决策与增强学习

实际上，对话系统不仅限于自然语言理解，还涉及一些其他技术，比如在对话中进行推荐。推荐的核心定位是要能够激发用户持续的对话，这基本上与其他系统的推荐目标一致。这其中的一些推荐场景与搜索 query 类似，但和其差别在于希望获得整个对话全局过程中的满意度。

• 增强学习建模

这是序列决策的建模的过程，我们用增强学习的框架来建模。这个大的框架中有 Agent 和 Environment，其中 Agent 是度秘，Environment 是用户，用户会发出信号，度秘结合各种因素得出状态，采取行动，最后整体环境会给出 Reward。这个过程看起来清晰简单，但是在工业界真正实现并做好非常不易。

• 增强学习框架下的算法求解

增强学习框架下的算法求解核心在于在状态 s 下采取动作 a 的全局收益，这里的 State 可以理解成各种信息的融合，包括用户信息、历史信息等，完全的 MDP 是指这一轮状态只跟上一轮相关。动作可以建模成几类，一种是满足曾经，另一种是推荐。Reward 这部分实际上是最有技巧，也最难做的一部分，因为到底怎样做 Value 很难。我们希望找到一个策略，能够让所有的 Action 路径加起来 Reward 最大，所以这是一个程序的序列问题。其实求解分析很容易，比如说如何在 X 的状态下，采取一个 Action 让全局的收益最大。

然后是后验反馈模型，是指先验模型初始化后，用 epsilon greedy选择 Action，epsilon greedy 可以理解成有一定概率的贪心，选择之后更新 Q，得出相应的学习率等。

这是一些数字，可以看到效果还是不错的。

总   结

最后做一个总结，我大概讲了几部分，第一部分是产品的场景，接着是技术层面，其中包括自然语言理解，这里需要记住两点，一是理解到底是理解什么，理解成什么，第二个问题是用什么方法来理解。另外就是对话 AI 的经典增强学习框架建模方式。

未    来

我们正在进行的探索包 NLU 中的形式推理进行 Multi-action，深度增强学习，以及 Term 和 KG 的混合探索，NLG 中的智能场景话术等。

嘉宾介绍

谢剑，百度资深算法工程师、度秘算法团队技术负责人。武汉大学人工智能方向硕士，2012 年毕业后加入百度，先后在凤巢、商业知心、搜索等部门从事机器学习算法工作。在计算广告、自然语言处理、搜索、推荐等方向有多年的技术和团队管理经验，现为度秘算法团队 Tech Leader，负责对话理解、对话管理、对话推荐等方向算法研发和管理工作，有多项计算广告、搜索、对话系统方向专利。

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