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本文首先介紹BERT模型要做什么，即：模型的輸入、輸出分別是什么，以及模型的預(yù)訓(xùn)練任務(wù)是什么；然后，分析模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖解如何將模型的輸入一步步地轉(zhuǎn)化為模型輸出；最后，我們在多個(gè)中/英文、不同規(guī)模的數(shù)據(jù)集上比較了BERT模型與現(xiàn)有方法的文本分類效果。

1. 模型的輸入/輸出

BERT模型的全稱是：BidirectionalEncoder Representations from Transformer。從名字中可以看出，BERT模型的目標(biāo)是利用大規(guī)模無標(biāo)注語料訓(xùn)練、獲得文本的包含豐富語義信息的Representation，即：文本的語義表示，然后將文本的語義表示在特定NLP任務(wù)中作微調(diào)，最終應(yīng)用于該NLP任務(wù)。煮個(gè)栗子，BERT模型訓(xùn)練文本語義表示的過程就好比我們在高中階段學(xué)習(xí)語數(shù)英、物化生等各門基礎(chǔ)學(xué)科，夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)；而模型在特定NLP任務(wù)中的參數(shù)微調(diào)就相當(dāng)于我們在大學(xué)期間基于已有基礎(chǔ)知識(shí)、針對所選專業(yè)作進(jìn)一步強(qiáng)化，從而獲得能夠應(yīng)用于實(shí)際場景的專業(yè)技能。

在基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的NLP方法中，文本中的字/詞通常都用一維向量來表示（一般稱之為“詞向量”）；在此基礎(chǔ)上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)將文本中各個(gè)字或詞的一維詞向量作為輸入，經(jīng)過一系列復(fù)雜的轉(zhuǎn)換后，輸出一個(gè)一維詞向量作為文本的語義表示。特別地，我們通常希望語義相近的字/詞在特征向量空間上的距離也比較接近，如此一來，由字/詞向量轉(zhuǎn)換而來的文本向量也能夠包含更為準(zhǔn)確的語義信息。因此，BERT模型的主要輸入是文本中各個(gè)字/詞的原始詞向量，該向量既可以隨機(jī)初始化，也可以利用Word2Vector等算法進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練以作為初始值；輸出是文本中各個(gè)字/詞融合了全文語義信息后的向量表示，如下圖所示（為方便描述且與BERT模型的當(dāng)前中文版本保持一致，本文統(tǒng)一以字向量作為輸入）：

從上圖中可以看出，BERT模型通過查詢字向量表將文本中的每個(gè)字轉(zhuǎn)換為一維向量，作為模型輸入；模型輸出則是輸入各字對應(yīng)的融合全文語義信息后的向量表示。此外，模型輸入除了字向量，還包含另外兩個(gè)部分：

1.    文本向量：該向量的取值在模型訓(xùn)練過程中自動(dòng)學(xué)習(xí)，用于刻畫文本的全局語義信息，并與單字/詞的語義信息相融合

2.    位置向量：由于出現(xiàn)在文本不同位置的字/詞所攜帶的語義信息存在差異（比如：“我愛你”和“你愛我”），因此，BERT模型對不同位置的字/詞分別附加一個(gè)不同的向量以作區(qū)分

最后，BERT模型將字向量、文本向量和位置向量的加和作為模型輸入。特別地，在目前的BERT模型中，文章作者還將英文詞匯作進(jìn)一步切割，劃分為更細(xì)粒度的語義單位（WordPiece），例如：將playing分割為play和##ing；此外，對于中文，目前作者尚未對輸入文本進(jìn)行分詞，而是直接將單字作為構(gòu)成文本的基本單位。

對于不同的NLP任務(wù)，模型輸入會(huì)有微調(diào)，對模型輸出的利用也有差異，例如：

• 單文本分類任務(wù)：對于文本分類任務(wù)，BERT模型在文本前插入一個(gè)[CLS]符號(hào)，并將該符號(hào)對應(yīng)的輸出向量作為整篇文本的語義表示，用于文本分類，如下圖所示?？梢岳斫鉃椋号c文本中已有的其它字/詞相比，這個(gè)無明顯語義信息的符號(hào)會(huì)更“公平”地融合文本中各個(gè)字/詞的語義信息。

• 語句對分類任務(wù)：該任務(wù)的實(shí)際應(yīng)用場景包括：問答（判斷一個(gè)問題與一個(gè)答案是否匹配）、語句匹配（兩句話是否表達(dá)同一個(gè)意思）等。對于該任務(wù)，BERT模型除了添加[CLS]符號(hào)并將對應(yīng)的輸出作為文本的語義表示，還對輸入的兩句話用一個(gè)[SEP]符號(hào)作分割，并分別對兩句話附加兩個(gè)不同的文本向量以作區(qū)分，如下圖所示。

• 序列標(biāo)注任務(wù)：該任務(wù)的實(shí)際應(yīng)用場景包括：中文分詞&新詞發(fā)現(xiàn)（標(biāo)注每個(gè)字是詞的首字、中間字或末字）、答案抽?。ù鸢傅钠鹬刮恢茫┑?。對于該任務(wù)，BERT模型利用文本中每個(gè)字對應(yīng)的輸出向量對該字進(jìn)行標(biāo)注（分類），如下圖所示(B、I、E分別表示一個(gè)詞的第一個(gè)字、中間字和最后一個(gè)字)。

•  ……

根據(jù)具體任務(wù)的不同，在實(shí)際應(yīng)用中我們可以腦洞大開，通過調(diào)整模型的輸入、輸出將模型適配到真實(shí)業(yè)務(wù)場景中。

2. 模型的預(yù)訓(xùn)練任務(wù)

BERT實(shí)際上是一個(gè)語言模型。語言模型通常采用大規(guī)模、與特定NLP任務(wù)無關(guān)的文本語料進(jìn)行訓(xùn)練，其目標(biāo)是學(xué)習(xí)語言本身應(yīng)該是什么樣的，這就好比我們學(xué)習(xí)語文、英語等語言課程時(shí)，都需要學(xué)習(xí)如何選擇并組合我們已經(jīng)掌握的詞匯來生成一篇通順的文本?；氐?/span>BERT模型上，其預(yù)訓(xùn)練過程就是逐漸調(diào)整模型參數(shù)，使得模型輸出的文本語義表示能夠刻畫語言的本質(zhì)，便于后續(xù)針對具體NLP任務(wù)作微調(diào)。為了達(dá)到這個(gè)目的，BERT文章作者提出了兩個(gè)預(yù)訓(xùn)練任務(wù)：Masked LM和Next Sentence Prediction。

2.1 Masked LM

Masked LM的任務(wù)描述為：給定一句話，隨機(jī)抹去這句話中的一個(gè)或幾個(gè)詞，要求根據(jù)剩余詞匯預(yù)測被抹去的幾個(gè)詞分別是什么，如下圖所示。

這不就是我們高中英語常做的完形填空么！所以說，BERT模型的預(yù)訓(xùn)練過程其實(shí)就是在模仿我們學(xué)語言的過程。具體來說，文章作者在一句話中隨機(jī)選擇15%的詞匯用于預(yù)測。對于在原句中被抹去的詞匯，80%情況下采用一個(gè)特殊符號(hào)[MASK]替換，10%情況下采用一個(gè)任意詞替換，剩余10%情況下保持原詞匯不變。這么做的主要原因是：在后續(xù)微調(diào)任務(wù)中語句中并不會(huì)出現(xiàn)[MASK]標(biāo)記，而且這么做的另一個(gè)好處是：預(yù)測一個(gè)詞匯時(shí)，模型并不知道輸入對應(yīng)位置的詞匯是否為正確的詞匯（10%概率），這就迫使模型更多地依賴于上下文信息去預(yù)測詞匯，并且賦予了模型一定的糾錯(cuò)能力。

2.2 NextSentence Prediction

Next Sentence Prediction的任務(wù)描述為：給定一篇文章中的兩句話，判斷第二句話在文本中是否緊跟在第一句話之后，如下圖所示。

當(dāng)年大學(xué)考英語四六級(jí)的時(shí)候，大家應(yīng)該都做過段落重排序，即：將一篇文章的各段打亂，讓我們通過重新排序把原文還原出來，這其實(shí)需要我們對全文大意有充分、準(zhǔn)確的理解。Next Sentence Prediction任務(wù)實(shí)際上就是段落重排序的簡化版：只考慮兩句話，判斷是否是一篇文章中的前后句。在實(shí)際預(yù)訓(xùn)練過程中，文章作者從文本語料庫中隨機(jī)選擇50%正確語句對和50%錯(cuò)誤語句對進(jìn)行訓(xùn)練，與Masked LM任務(wù)相結(jié)合，讓模型能夠更準(zhǔn)確地刻畫語句乃至篇章層面的語義信息。

BERT模型通過對Masked LM任務(wù)和Next Sentence Prediction任務(wù)進(jìn)行聯(lián)合訓(xùn)練，使模型輸出的每個(gè)字/詞的向量表示都能盡可能全面、準(zhǔn)確地刻畫輸入文本（單句或語句對）的整體信息，為后續(xù)的微調(diào)任務(wù)提供更好的模型參數(shù)初始值。

3. 模型結(jié)構(gòu)

了解了BERT模型的輸入/輸出和預(yù)訓(xùn)練過程之后，我們來看一下BERT模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。前面提到過，BERT模型的全稱是：BidirectionalEncoder Representations from Transformer，也就是說，Transformer是組成BERT的核心模塊，而Attention機(jī)制又是Transformer中最關(guān)鍵的部分，因此，下面我們從Attention機(jī)制開始，介紹如何利用Attention機(jī)制構(gòu)建Transformer模塊，在此基礎(chǔ)上，用多層Transformer組裝BERT模型。

3.1 Attention機(jī)制

Attention: Attention機(jī)制的中文名叫“注意力機(jī)制”，顧名思義，它的主要作用是讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把“注意力”放在一部分輸入上，即：區(qū)分輸入的不同部分對輸出的影響。這里，我們從增強(qiáng)字/詞的語義表示這一角度來理解一下Attention機(jī)制。

我們知道，一個(gè)字/詞在一篇文本中表達(dá)的意思通常與它的上下文有關(guān)。比如：光看“鵠”字，我們可能會(huì)覺得很陌生（甚至連讀音是什么都不記得吧），而看到它的上下文“鴻鵠之志”后，就對它立馬熟悉了起來。因此，字/詞的上下文信息有助于增強(qiáng)其語義表示。同時(shí)，上下文中的不同字/詞對增強(qiáng)語義表示所起的作用往往不同。比如在上面這個(gè)例子中，“鴻”字對理解“鵠”字的作用最大，而“之”字的作用則相對較小。為了有區(qū)分地利用上下文字信息增強(qiáng)目標(biāo)字的語義表示，就可以用到Attention機(jī)制。

Attention機(jī)制主要涉及到三個(gè)概念：Query、Key和Value。在上面增強(qiáng)字的語義表示這個(gè)應(yīng)用場景中，目標(biāo)字及其上下文的字都有各自的原始Value，Attention機(jī)制將目標(biāo)字作為Query、其上下文的各個(gè)字作為Key，并將Query與各個(gè)Key的相似性作為權(quán)重，把上下文各個(gè)字的Value融入目標(biāo)字的原始Value中。如下圖所示，Attention機(jī)制將目標(biāo)字和上下文各個(gè)字的語義向量表示作為輸入，首先通過線性變換獲得目標(biāo)字的Query向量表示、上下文各個(gè)字的Key向量表示以及目標(biāo)字與上下文各個(gè)字的原始Value表示，然后計(jì)算Query向量與各個(gè)Key向量的相似度作為權(quán)重，加權(quán)融合目標(biāo)字的Value向量和各個(gè)上下文字的Value向量，作為Attention的輸出，即：目標(biāo)字的增強(qiáng)語義向量表示。

Self-Attention:對于輸入文本，我們需要對其中的每個(gè)字分別增強(qiáng)語義向量表示，因此，我們分別將每個(gè)字作為Query，加權(quán)融合文本中所有字的語義信息，得到各個(gè)字的增強(qiáng)語義向量，如下圖所示。在這種情況下，Query、Key和Value的向量表示均來自于同一輸入文本，因此，該Attention機(jī)制也叫Self-Attention。

Multi-head Self-Attention:為了增強(qiáng)Attention的多樣性，文章作者進(jìn)一步利用不同的Self-Attention模塊獲得文本中每個(gè)字在不同語義空間下的增強(qiáng)語義向量，并將每個(gè)字的多個(gè)增強(qiáng)語義向量進(jìn)行線性組合，從而獲得一個(gè)最終的與原始字向量長度相同的增強(qiáng)語義向量，如下圖所示。

這里，我們再給出一個(gè)例子來幫助理解Multi-head Self-Attention（注：這個(gè)例子僅用于幫助理解，并非嚴(yán)格正確）?？聪旅孢@句話：“南京市長江大橋”，在不同語義場景下對這句話可以有不同的理解：“南京市/長江大橋”，或“南京市長/江大橋”。對于這句話中的“長”字，在前一種語義場景下需要和“江”字組合才能形成一個(gè)正確的語義單元；而在后一種語義場景下，它則需要和“市”字組合才能形成一個(gè)正確的語義單元。我們前面提到，Self-Attention旨在用文本中的其它字來增強(qiáng)目標(biāo)字的語義表示。在不同的語義場景下，Attention所重點(diǎn)關(guān)注的字應(yīng)有所不同。因此，Multi-head Self-Attention可以理解為考慮多種語義場景下目標(biāo)字與文本中其它字的語義向量的不同融合方式?？梢钥吹剑?/span>Multi-head Self-Attention的輸入和輸出在形式上完全相同，輸入為文本中各個(gè)字的原始向量表示，輸出為各個(gè)字融合了全文語義信息后的增強(qiáng)向量表示。因此，Multi-head Self-Attention可以看作是對文本中每個(gè)字分別增強(qiáng)其語義向量表示的黑盒。

3.2 Transformer Encoder

在Multi-headSelf-Attention的基礎(chǔ)上再添加一些“佐料”，就構(gòu)成了大名鼎鼎的Transformer Encoder。實(shí)際上，Transformer模型還包含一個(gè)Decoder模塊用于生成文本，但由于BERT模型中并未使用到Decoder模塊，因此這里對其不作詳述。下圖展示了Transformer Encoder的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以看到，Transformer Encoder在Multi-head Self-Attention之上又添加了三種關(guān)鍵操作：

• 殘差連接（ResidualConnection）：將模塊的輸入與輸出直接相加，作為最后的輸出。這種操作背后的一個(gè)基本考慮是：修改輸入比重構(gòu)整個(gè)輸出更容易（“錦上添花”比“雪中送炭”容易多了！）。這樣一來，可以使網(wǎng)絡(luò)更容易訓(xùn)練。

• Layer Normalization：對某一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作0均值1方差的標(biāo)準(zhǔn)化。

• 線性轉(zhuǎn)換：對每個(gè)字的增強(qiáng)語義向量再做兩次線性變換，以增強(qiáng)整個(gè)模型的表達(dá)能力。這里，變換后的向量與原向量保持長度相同。

可以看到，Transformer Encoder的輸入和輸出在形式上還是完全相同，因此，Transformer Encoder同樣可以表示為將輸入文本中各個(gè)字的語義向量轉(zhuǎn)換為相同長度的增強(qiáng)語義向量的一個(gè)黑盒。

3.3 BERT model

組裝好TransformerEncoder之后，再把多個(gè)Transformer Encoder一層一層地堆疊起來，BERT模型就大功告成了！

在論文中，作者分別用12層和24層Transformer Encoder組裝了兩套BERT模型，兩套模型的參數(shù)總數(shù)分別為110M和340M。

4. BERT模型的文本分類效果

在本文中，我們聚焦文本分類任務(wù)，對比分析BERT模型在中/英文、不同規(guī)模數(shù)據(jù)集上的文本分類效果。我們基于Google預(yù)訓(xùn)練好的BERT模型（中文采用chinese_L-12_H-768_A-12模型，下載鏈接：https://storage.googleapis.com/bert_models/2018_11_03/chinese_L-12_H-768_A-12.zip；英文采用uncased_L-12_H-768_A-12模型，下載鏈接：https://storage.googleapis.com/bert_models/2018_10_18/uncased_L-12_H-768_A-12.zip）。我們一共選擇了6個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練集/測試集大小、分類任務(wù)、類別數(shù)和語言類型如下表所示。

4.1 商品評論情感分析

該數(shù)據(jù)集旨在分析微博中表達(dá)的對特定商品的情感傾向：正面、負(fù)面或中立。我們選擇了三種方法與BERT模型進(jìn)行對比：

• XGBoost：NGram特征+XGBoost分類器

• Char-level CNN：將未分詞的文本直接輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（已對比發(fā)現(xiàn)Word-level CNN效果略差）

• Attention-based RNN：將分詞后的文本輸入循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（已對比發(fā)現(xiàn)Char-level RNN效果略差），并且在最終分類前采用Attention機(jī)制融合輸入各個(gè)詞對應(yīng)的hidden states

BERT模型與三種對比方法的正面、負(fù)面、中立情感分類F1值如下：

從上表中可以看到，BERT模型在正、負(fù)、中立F1值上均碾壓了所有對比方法！

4.2 Sentiment_XS

該數(shù)據(jù)集來自于論文“SentimentClassification with Convolutional Neural Networks: an Experimental Study on aLarge-scale Chinese Conversation Corpus” （DOI:10.1109/CIS.2016.0046），旨在對短文本進(jìn)行正/負(fù)面情感極性分類。我們選擇論文中的部分代表性對比方法與BERT模型進(jìn)行對比，包括：支持向量機(jī)分類器（SVC）、邏輯回歸（LR）、Naive Bayes SVM（NBSVM）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），分類準(zhǔn)確率如下表所示（對比方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自于論文）。

可以看到，BERT模型在Sentiment_XS數(shù)據(jù)集上的分類準(zhǔn)確率再次碾壓了所有對比方法！

4.3 立場分析

該數(shù)據(jù)集來自于國外文本分析評測比賽SemEval-2016的任務(wù)6A：有監(jiān)督立場分類，旨在分析文本中對5個(gè)話題的支持、反對或中立態(tài)度，包括：有神論、氣候變化、女權(quán)運(yùn)動(dòng)、Hillary Clinton和墮胎合法化。因此，該數(shù)據(jù)集實(shí)際上對應(yīng)5個(gè)話題子集。分類效果的官方評估指標(biāo)為支持類別F1值和反對類別F1值的宏平均。我們選擇了當(dāng)前立場分析領(lǐng)域的四個(gè)最優(yōu)方法與BERT模型進(jìn)行對比，包括：

• SVM：NGram特征+支持向量機(jī)分類器，該方法取得了當(dāng)時(shí)參加評測的所有方法的最優(yōu)分類效果

• MITRE：基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM）的方法，在參加評測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中取得最優(yōu)效果

• pkudblab：基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，在參加評測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中效果僅次于MITRE

• TGMN-CR：結(jié)合動(dòng)態(tài)記憶模塊與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，近期提出的最新方法

上述方法與BERT模型在5個(gè)數(shù)據(jù)子集上的分類效果如下表所示（對比方法的數(shù)據(jù)來自于論文：A Target-GuidedNeural Memory Model for Stance Detection in Twitter，DOI：10.1109/IJCNN.2018.8489665）。

從上表中可以看到，BERT模型在2個(gè)數(shù)據(jù)子集中都取得了最優(yōu)效果，尤其是“有神論”數(shù)據(jù)集，F1值超過當(dāng)前最優(yōu)算法約10%！不過，在其余三個(gè)數(shù)據(jù)子集中，BERT模型的表現(xiàn)比較一般。

4.4 AG’s News& Yelp Review Full & Yahoo! Answers

這三個(gè)數(shù)據(jù)集算是文本分類領(lǐng)域的經(jīng)典數(shù)據(jù)集了，分別對應(yīng)新聞分類、情感分類和問答系統(tǒng)任務(wù)。這里，我們選擇了4種在這三個(gè)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法與BERT模型進(jìn)行對比，包括：

• char-CNN：將未分詞的文本直接輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

• FastText：一種用于文本分類的快速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

• VDCNN：Very Deep CNN，顧名思義，非常非常深的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Region embedding：利用局部文本語義信息增強(qiáng)文本中每個(gè)詞的語義向量表示，輸入到一個(gè)簡單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分類

• DPCNN：Deep Pyramid CNN，同樣是非常深的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過池化操作使網(wǎng)絡(luò)的每層神經(jīng)元個(gè)數(shù)不斷減半，因此，整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看起來像是一個(gè)金字塔結(jié)構(gòu)

上述對比方法與BERT模型在三個(gè)數(shù)據(jù)集上的分類準(zhǔn)確率如下表所示（對比方法的數(shù)據(jù)來自于論文：A New method ofRegion Embedding for Text Classification和Deep PyramidConvolutional Neural Networks for Text Categorization）。

上表表明，BERT模型在AG’s News數(shù)據(jù)集上取得了最高的分類準(zhǔn)確率，在Yelp Review Full和Yahoo! Answers數(shù)據(jù)集上也都取得了次高的分類準(zhǔn)確率。需要注意的是，我們目前僅使用12層Transformer Encoder結(jié)構(gòu)的BERT模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，后續(xù)會(huì)進(jìn)一步檢驗(yàn)24層TransformerEncoder結(jié)構(gòu)的BERT模型的分類效果，可以期待，BERT模型的分類效果應(yīng)該會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的加深而進(jìn)一步有所提高。

5. 結(jié)語

本文分析了BERT模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與原理，并在文本分類任務(wù)上檢驗(yàn)了模型效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，BERT模型的文本分類效果在許多中/英文數(shù)據(jù)集上都超過了現(xiàn)有方法，體現(xiàn)出了很強(qiáng)的泛用性。后續(xù)我們將繼續(xù)檢驗(yàn)BERT模型在其它NLP任務(wù)中的效果，并研究提升模型訓(xùn)練效率的方法，歡迎大家批評與指正！

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