我的BERT！改改字典，让BERT安全提速不掉分（已开源）

2020 年 9 月 25 日 AI科技评论

背景

当前，大部分中文预训练模型都是以字为基本单位的，也就是说中文语句会被拆分为一个个字。中文也有一些多粒度的语言模型，比如创新工场的ZEN和字节跳动的AMBERT，但这类模型的基本单位还是字，只不过想办法融合了词信息。目前以词为单位的中文预训练模型很少，据笔者所了解到就只有腾讯UER开源了一个以词为颗粒度的BERT模型，但实测效果并不好。

那么，纯粹以词为单位的中文预训练模型效果究竟如何呢？有没有它的存在价值呢？最近，我们预训练并开源了以词为单位的中文BERT模型，称之为WoBERT（Word-based BERT，我的BERT！）。实验显示，基于词的WoBERT在不少任务上有它独特的优势，比如速度明显的提升，同时效果基本不降甚至也有提升。在此对我们的工作做一个总结。

开源地址：
https://github.com/ZhuiyiTechnology/WoBERT

字还是词？

究竟是“字”好还是“词”好？这是中文NLP一个很让人抓狂的问题，也有一些工作去系统地研究这个问题。比较新的是香侬科技在ACL2019上发表的《Is Word Segmentation Necessary for Deep Learning of Chinese Representations?》，里边得到了字几乎总是优于词的结论。前面也说了，现在中文预训练模型确实也基本上都是以字为单位的。所以，看上去这个问题已经解决了？就是字更好？

事情远没有这么简单。就拿香侬科技的这篇论文来说，它的实验结果是没有错，但却是没有代表性的。为什么这样说呢？因为在该文的实验设置下，模型的embedding层皆从随机初始化状态开始训练。这样一来，对于同样的任务，以词为单位的模型Embedding层参数更多，自然就更容易过拟合，效果容易变差，这不用做实验都能猜个大概。问题是，我们用基于词的模型的时候，通常并不是随机初始化的，往往都是用预训练好的词向量的（下游任务看情况选择是否微调词向量），这才是分词的NLP模型的典型场景，但论文里边却没有比较这个场景，所以论文的结果并没有什么说服力。

事实上， “过拟合”现象具有两面性，我们要防止过拟合，但过拟合也正好说明了模型拥有比较强的拟合能力，而如果我们想办法抑制过拟合，那么就能够在同样复杂度下得到更强的模型，或者在同样效果下得到更低复杂度的模型。而缓解过拟合问题的一个重要手段就是更充分的预训练，所以不引入预训练的比较对以词为单位的模型来说是不公平的，而我们的WoBERT正是证实了以词为单位的预训练模型的可取性。

词的好处

一般认为，以字为单位的好处是：

参数更少，不容易过拟合；
不依赖于分词算法，避免边界切分错误；
没那么严重的稀疏性，基本上不会出现未登录词。

至于以词为单位的理由是：

序列变短，处理速度更快；
在文本生成任务上，能缓解Exposure Bias问题；
词义的不确定性更低，降低建模复杂度。

对于词的好处，大家可能会有些疑惑。比如第2点，词能缓解Exposure Bias，这是因为理论上来说，序列越短Exposure Bias问题就越不明显（词模型单步预测出一个n字词，相当于字的模型预测了n步，这n步都递归依赖，所以字的模型Exposure Bias问题更严重）。至于第3点，虽然有多义词的存在，但是多数词的含义还是比较确定的，至少比字义更加明确，这样一来可能只需要一个Embedding层就能把词义建模好，而不是像字模型那样，要通用多层模型才能把字组合成词。

看起来不相伯仲，但事实上以字为单位的好处，并非就是以词为单位的缺点了。只要多一些技巧，以词为单位也能一定程度上避免这几个问题。比如：

以词为单位的参数确实增多了，但是可以通过预训练来缓解过拟合，所以这个问题不会很严重；
依赖分词算法是个问题，如果我们只保留最常见的一部分词，那么不管哪个分词工具分出来的结果都是差不多的，差异性不大；
至于边界切分错误，这个难以避免，但是需要准确的边界的，只是序列标注类任务而已，文本分类、文本生成其实都不需要准确的边界，因此不能就此否定词模型；
如果我们把大部分字也加入到词表中，也不会出现未登录词。

所以，其实用词的好处是相当多的，除了需要非常精确边界的序列标注类型的任务外，多数NLP任务以词为单位都不会有什么问题。因此，我们就去做了以词为单位的BERT模型了。

Tokenizer

往BERT里边加入中文词，首先得让Tokenizer能分出词来。只需要把词加入到字典vocab.txt里边就行了吗？并不是。BERT自带的Tokenizer会强行把中文字符用空格隔开，因此就算你把词加入到字典中，也不会分出中文词来。此外，BERT做英文word piece的分词的时候，使用的是最大匹配法，这对中文分词来说精度也不够。

为了分出词来，我们修改了一下BERT的Tokenizer，加入了一个“前分词（pre_tokenize）”操作。这样我们就可以分出中文词来，具体操作如下：

1. 把中文词加入到vocab.txt；

2. 输入一个句子s，用pre_tokenize先分一次词，得到

；

3. 遍历各个

，如果

在词表中则保留，否则将

用BERT自带的tokenize函数再分一次；

4. 将每个

的 tokenize结果有序拼接起来，作为最后的tokenize结果；

在bert4keras>=0.8.8版本中，实现上述改动只需要在构建Tokenizer的时候传入一行参数，例如：

其中pre_tokenize为外部传入的分词函数，如果不传入则默认为None。简单起见，WoBERT使用了结巴分词，删除了BERT自带词表的冗余部分（比如带##的中文词），然后加入了20000个额外的中文词（结巴分词自带的词表词频最高的两万个），最终WoBERT的vocab.txt规模是33586。

模型细节

目前开源的WoBERT是Base版本，在哈工大开源的RoBERTa-wwm-ext基础上进行继续预训练，预训练任务为MLM。初始化阶段，将每个词用BERT自带的Tokenizer切分为字，然后用字embedding的平均作为词embedding的初始化。

到这里，WoBERT的技术要点基本上都说清楚了，剩下的就是开始训练了。我们用单张24G的RTX训练了100万步（大概训练了10天），序列长度为512，学习率为5e-6，batch_size为16，累积梯度16步，相当于batch_size=256训练了6万步左右。训练语料大概是30多G的通用型语料。训练代码已经在文章开头的链接中开源了。

此外，我们还提供了WoNEZHA，这是基于华为开源的NEZHA进行再预训练的，训练细节跟WoBERT基本一样。NEZHA的模型结构跟BERT相似，不同的是它使用了相对位置编码，而BERT用的是绝对位置编码，因此理论上NEZHA能处理的文本长度是无上限的。这里提供以词为单位的WoNEZHA，就是让大家多一个选择。