咱们来做完形填空：“讯飞杯”参赛历程

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咱们来做完形填空：“讯飞杯”参赛历程

2017 年 9 月 6 日 哈工大SCIR 苏剑林

本文转载自公众号PaperWeekly

作者丨苏剑林

学校丨中山大学硕士生

研究方向丨NLP，神经网络

个人主页丨http://kexue.fm

1. 前言

从今年开始，CCL 会议将计划同步举办评测活动。笔者这段时间在一创业公司实习，公司也报名参加这个评测，最后实现上就落在我这里，今年的评测任务是阅读理解，名曰《第一届“讯飞杯”中文机器阅读理解评测》。

虽说是阅读理解，但事实上任务比较简单，是属于完形填空类型的，即一段材料中挖了一个空，从上下文中选一个词来填入这个空中。最后我们的模型是单系统排名第 6，验证集准确率为 73.55%，测试集准确率为 75.77%，大家可以在这里观摩排行榜 [1]。（“广州火焰信息科技有限公司”就是文本的模型）。

事实上，这个数据集和任务格式是哈工大去年提出的，所以这次的评测也是哈工大跟科大讯飞一起联合举办的。哈工大去年的论文“Consensus Attention-based Neural Networks for Chinese Reading Comprehension” [2] 就研究过另一个同样格式但不同内容的数据集，是用通用的阅读理解模型做的（通用的阅读理解是指给出材料和问题，从材料中找到问题的答案，完形填空可以认为是通用阅读理解的一个非常小的子集）。

虽然，在这次评测任务的介绍中，评测方总有意无意地引导我们将这个问题理解为阅读理解问题。但笔者觉得，阅读理解本身就难得多，这个就一完形填空，只要把它作为纯粹的完形填空题做就是了，所以本文仅仅是采用类似语言模型的做法来做。这种做法的好处是思路简明直观，计算量低（在笔者的 GTX1060 上可以跑到 batch size 为 160），便于实验。

2. 模型

回到模型上，我们的模型其实比较简单，完全紧扣了“从上下文中选一个词来填空”这一思想，示意图如下。

初步分析

首先留意到，这个任务就是从上下文中挑选一个词来填到空缺的位置，如：

熟悉自然语言处理的朋友会联想到，这个任务本身跟语言模型差不多，甚至说这个任务应该更简单一些，因为语言模型是从前 n 个词中预测下一个词，这个预测要遍历词表中所有词，而这个完形填空任务只需要从上下文中挑，大大缩小了收缩范围。当然，两者的焦点是不一样的，语言模型关心的是概率分布，而完形填空关心的是预测正确率。

上下文编码

按照经验，对于语言模型建模来说，LSTM 效果是最好的，因此这里同样使用 LSTM，为了更好地捕捉全局语义信息，堆叠了多层的双向 LSTM，当然，对于 NLP 来说，这都是套路了。

首先，我们以“XXXXX”断开材料，分为上文和下文，然后上文和下文依次输入到同一个双向 LSTM 中（算两次，而不是拼在一起分别算），得到各自的特征。也就是说，上下文的 LSTM 是共享参数的。

为什么这样呢？原因很简单，因为我们自己在阅读上下文时，用的只是同一个大脑呀，没必要区别对待。有了一层 LSTM，那就可以层叠多个，这也是套路了。至于多少层适合，则需要看具体的数据集了。对于这个比赛任务来说，两层比单层有明显提升，而三层比两层则没有提高，甚至有些下降。

最后，为了得到整段材料的特征向量（用来做下面的匹配），只需要将双向LSTM的最后的状态向量拼接起来，得到上下文各自的特征向量，然后将两个向量求平均，就得到全局特征向量。

值得指出的是，如果换成论文“Consensus Attention-based Neural Networks for Chinese Reading Comprehension” [2] 里边的数据集 [3]（格式一样，内容换成了人民日报的），同样是本文的模型，LSTM 的层数需要 3 层，最终的准确率也比论文中最好结果有 0.5% 的提升。

预测概率

接下来的一个问题是：怎么才能实现“在上下文中搜索”而不是在整个词表中搜索呢？

回忆我们做语言模型的时候，如果要在整个词表中搜索，那就要做一个全连接层，节点数是词表的单词数，然后 softmax 预测概率。我们可以这样看全连接层：我们为词表中的每一个词都分配一个与输出特征维度一样的向量，然后做内积运算，然后做 softmax。

也就是说，特征与词做配对，是通过内积来实现的。这就提供了参考思路：如果我们让 LSTM 输出的特征与词向量维度一样大，然后将这个特征与输入的词向量一一做内积（配对），然后就可以做 softmax 了，这样就实现了只在上下文搜索。

笔者一开始也是用这样的思路的，但这个思路的准确率只能到 69%～70%。后来分析了一下，原始的词向量经过多层的 LSTM 编码后，事实上已经远离了原来词向量的向量空间了，所以，与其“长途跋涉”地与输入的词向量配对，倒不如直接跟 LSTM 的中间状态向量配对？至少在同一层 LSTM 中，状态向量之间是比较接近的（指的是处于同一的向量空间），匹配起来应该容易一点。

实验证明了笔者的猜想，经过改进后的模型，在官方提供的验证集达到了 73%～74% 左右的准确率，测试集能达到 75％～76% 的准确率。后来再经过一段时间的实验，也没有明显提高，所以就把这个模型提交上去了。

实验细节

事实上笔者不是很懂调参，因此下面的代码的参数不一定是最优，期待有兴趣的调参高手能优化各个参数，给出更好的结果。笔者认为，哪怕对于本文的模型来说，我们自己给出的结果还不是最优的。

下面是在模型的实现中，一些较为重要的细节：