ACL 2022 | 序列标注的小样本NER：融合标签语义的双塔BERT模型

作者 | SinGaln

这是一篇来自于 ACL 2022 的文章，总体思想就是在 meta-learning 的基础上，采用双塔 BERT 模型分别来对文本字符和对应的label进行编码，并且将二者进行 Dot Product（点乘）得到的输出做一个分类的事情。文章总体也不复杂，涉及到的公式也很少，比较容易理解作者的思路。对于采用序列标注的方式做 NER 是个不错的思路。

论文标题：

Label Semantics for Few Shot Named Entity Recognition

论文链接：

https://arxiv.org/pdf/2203.08985.pdf

模型

1.1 架构

▲图1.模型整体构架

从上图中可以清楚的看到，作者采用了双塔 BERT 来分别对文本的 Token 和每个 Token 对应的 label 进行编码。这里作者采用这种方法的思路也很简单，因为是 Few-shot 任务，没有足够的数据量，所以作者认为每个 Token 的 label 可以为 Token 提供额外的语义信息。

作者的 Meta-Learning 采用的是 metric-based 方法，直观一点理解就是首先计算每个样本 Token 的向量表征，然后与计算得到的 label 表征计算相似度，这里从图上的 Dot Product 可以直观的体现出来。然后对得到的相似度矩阵 ([batch_size,sequence_length,embed_dim]) 进行 softmax 归一化，通过 argmax 函数取最后一维中值最大的 index，并且对应相应的标签列表，得到当前 Token 对应的标签。

1.2 Detail

此外，作者在对标签进行表征时，也对每个标签进行了相应的处理，总体分为以下三步： 

1. 将词语的简写标签转为自然语言形式，例如 PER-->person，ORG-->organization，LOC-->local 等等；

2. 将标注标签起始、中间的标记转为自然语言形式，例如以 BIO 形式进行标记的就可以转为 begin、inside、other 等等，其他标注形式的类似。 

3. 按前两步的方法转换后进行组合，例如 B-PER-->begin person，I-PER-->inside person。

由于进行的是 Few-shot NER 任务，所以作者在多个 source datasets 上面训练模型，然后他们在多个 unseen few shot target datasets 上面验证经过 fine-tuning 和不经过 fine-tuning 的模型的效果。

在进行 Token 编码时，对应每个 通过 BERT 模型可以得到其对应的向量 ，如下所示：

这里需要注意的是 BERT 模型的输出取 last_hidden_state 作为对应 Token 的向量。

对标签进行编码时，对标签集合中的所有标签进行对应编码，每个完整的 label 得到的编码取 部分作为其编码向量，并且将所有的 label 编码组成一个向量集合 ，最后计算每个 与 的点积，形式如下：

由于这里使用了 label 编码表征的方式，相比于其他的 NER 方法，在模型遇到新的数据和 label 时，不需要再初始一个新的顶层分类器，以此达到 Few-shot 的目的。

1.3 Label Transfer

在文章中作者还罗列了实验数据集的标签转换表，部分如下所示：

▲图2. 实验数据集Label Transfer

1.4 Support Set Sampling Algorithm

采样伪代码如下所示：

▲图3. 采样伪代码

实验结果

▲图4. 部分实验结果

从实验结果上看，可以明显的感受到这种方法在 Few-shot 时还是有不错的效果的，在 1-50 shot 时模型的效果都优于其他模型，表明了 label 语义的有效性；但在全量数据下，这种方法就打了一些折扣了，表明了数据量越大，模型对于 label 语义的依赖越小。这里笔者还有一点想法就是在全量数据下，这种方式的标签语义引入可能会对原本的文本语义发生微小偏移，当然，这种说法在 Few-shot 下也是成立的，只不过 Few-shot 下的偏移是一个正向的偏移，能够增强模型的泛化能力，全量数据下的偏移就有点溢出来的感觉。 

双塔 BERT 代码实现（没有采用 metric-based 方法）：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
# @Time    : 2022/5/23 13:49
# @Author  : SinGaln

import torch
import torch.nn as nn
from transformers import BertModel, BertPreTrainedModel


class SinusoidalPositionEmbedding(nn.Module):
    """定义Sin-Cos位置Embedding
    """

    def __init__(
            self, output_dim, merge_mode='add'):
        super(SinusoidalPositionEmbedding, self).__init__()
        self.output_dim = output_dim
        self.merge_mode = merge_mode

    def forward(self, inputs):
        input_shape = inputs.shape
        batch_size, seq_len = input_shape[0], input_shape[1]
        position_ids = torch.arange(seq_len, dtype=torch.float)[None]
        indices = torch.arange(self.output_dim // 2, dtype=torch.float)
        indices = torch.pow(10000.0, -2 * indices / self.output_dim)
        embeddings = torch.einsum('bn,d->bnd', position_ids, indices)
        embeddings = torch.stack([torch.sin(embeddings), torch.cos(embeddings)], dim=-1)
        embeddings = embeddings.repeat((batch_size, *([1] * len(embeddings.shape))))
        embeddings = torch.reshape(embeddings, (batch_size, seq_len, self.output_dim))
        if self.merge_mode == 'add':
            return inputs + embeddings.to(inputs.device)
        elif self.merge_mode == 'mul':
            return inputs * (embeddings + 1.0).to(inputs.device)
        elif self.merge_mode == 'zero':
            return embeddings.to(inputs.device)


class DoubleTownNER(BertPreTrainedModel):
    def __init__(self, config, num_labels, position=False):
        super(DoubleTownNER, self).__init__(config)
        self.position = position
        self.num_labels = num_labels
        self.bert = BertModel(config=config)
        self.fc = nn.Linear(config.hidden_size, self.num_labels)

        if self.position:
            self.sinposembed = SinusoidalPositionEmbedding(config.hidden_size, "add")

    def forward(self, sequence_input_ids, sequence_attention_mask, sequence_token_type_ids, label_input_ids,
                label_attention_mask, label_token_type_ids):
        # 获取文本和标签的encode
        # [batch_size, sequence_length, embed_dim]
        sequence_outputs = self.bert(input_ids=sequence_input_ids, attention_mask=sequence_attention_mask,
                                     token_type_ids=sequence_token_type_ids).last_hidden_state
        # [batch_size, embed_dim]
        label_outputs = self.bert(input_ids=label_input_ids, attention_mask=label_attention_mask,
                                  token_type_ids=label_token_type_ids).pooler_output
        label_outputs = label_outputs.unsqueeze(1)

        # 位置向量
        if self.position:
            sequence_outputs = self.sinposembed(sequence_outputs)
        # Dot 交互
        interactive_output = sequence_outputs * label_outputs
        # full-connection
        outputs = self.fc(interactive_output)
        return outputs

if __name__=="__main__":
    pretrain_path = "../bert_model"
    from transformers import BertConfig

    token_input_ids = torch.randint(1, 100, (32, 128))
    token_attention_mask = torch.ones_like(token_input_ids)
    token_token_type_ids = torch.zeros_like(token_input_ids)

    label_input_ids = torch.randint(1, 10, (1, 10))
    label_attention_mask = torch.ones_like(label_input_ids)
    label_token_type_ids = torch.zeros_like(label_input_ids)
    config = BertConfig.from_pretrained(pretrain_path)
    model = DoubleTownNER.from_pretrained(pretrain_path, config=config, num_labels=10, position=True)

    outs = model(sequence_input_ids=token_input_ids, sequence_attention_mask=token_attention_mask, sequence_token_type_ids=token_token_type_ids, label_input_ids=label_input_ids,
                label_attention_mask=label_attention_mask, label_token_type_ids=label_token_type_ids)
    print(outs, outs.size())

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