ccf问答匹配比赛（下）：如何只用“bert”夺冠

ccf问答匹配比赛也结束了一段时间了，这篇算是一个下篇吧，总结一下后期优（夺）化（冠）的心路历程。标题中的“bert”指的是bert-base系列模型，包括bert/RoBERTa/NEZHA/MacBERT/ERNIE等，而取这个有点“标题党”的标题的主要原因，也是对答辩看到有些团队使用的bert+xgb这种“大力出奇迹”做法吐个槽。

在上一篇中,笔者对比赛做了简单说明，提出了四种baseline（QA Pair/QA Point/PET/Concat),并做了部分尝试（focal loss/对抗训练/梯度惩罚/kfold/post training),没看过的同学可以先看上篇，这里只简单再介绍一下：

本次赛题的任务是：给定IM交流片段，片段包含一个客户问题以及随后的经纪人若干IM消息，从这些随后的经纪人消息中找出一个是对客户问题的回答。

• 数据示例
  对话id1客户问题您好，请问这个户型有什么优缺点经纪人回复id123经纪人回复内容你是想看看这套房子是吗在的此房房型方正 得房率高 多层不带电梯4/6楼 回复标签001对话id客户问题经纪人回复id经纪人回复内容回复标签1您好，请问这个户型有什么优缺点1你是想看看这套房子是吗02在的03此房房型方正 得房率高 多层不带电梯4/6楼 1

f1：2 * (精度 * 召回) / (精度 + 召回)

QA pair

由于回答列表是不连续的，所以不考虑问答之间的顺序关系，将其拆分为query-answer pair，然后进行判断。

QA Point

考虑对话连贯性、相关性，将所有回答顺序拼接后再与问题拼接，组成query-answer list，模型对一个问题的所有答案进行预测。此外，我们还给模型增加了“大局观”，即新增一个任务来预测全局所有回答中是否存在label为 1 的回答。

Pattern-Exploiting Training (PET)

此方案通过增加一个pattern，将任务转换为MLM任务，然后通过pattern的得分来判断对应的类别。
如本次比赛可以添加一个前缀pattern：“间接回答问题”/ “直接回答问题”，分别对应label 0 / 1，pattern的得分只需看第一个位置中“间”/“直”两个token的概率谁高即可。对于unlabel data，可以不增加pattern 进行mlm任务，这也在一定程度增加了模型的泛化能力。此外，通过多个不同pattern进行融合也能进一步提高其性能。

Concat

由于bert 中不同的transformer 层提取到的语义粒度不同，而不同粒度的信息对分类来说起到的作用也可能不同，所以可以将所有粒度的语义信息拼接后作为特征进行分类。

focal loss

由于针对性回答与非针对性回答在数量上有不小差距，大约3:1，所以也想到尝试在loss上进行调节。
最终结果是没有多少提升，猜测样本不均衡的问题影响是非常小的，所以将Binary-Crossentropy训练后的模型在train data上进行了predict，并借鉴之前focal loss中的方式分析了一下，画出对应的难易样本分布。根据图形上的分布结果，也证实了之前的猜测。

对抗训练主要尝试了FGM 方法对Embedding进行扰动，线下对比提升大约一个点上下。
线下测试结果：

post training

上一篇中，提到post training 做的效果不好，然而pet 的效果又很好，两者比较矛盾，所以我也重新阅读了几篇关于优化bert 与post training 相关的论文，重新思考了一下，这篇就从重新做post training开始。

Post Training

post training一般包括两部分：Domain-Adaptive training 和 Task-Adaptive training，通过在同领域与任务数据上继续预训练，可以让模型更适应任务，有利于提高模型在下游的性能。而bert 在训练时主要有两个任务：mlm 与nsp ，接下来针对每个任务进行讨论。

在post training 阶段尝试进一步优化的只找到刘知远老师的Train No Evil: Selective Masking for Task-Guided Pre-Training，论文里的思路是通过建立一个二分类模型，来有针对性的选择token 来进行mask，不过由于这个方法比较麻烦，需要三个中间模型，所以没有尝试，不过这个论文给出了一个结论：在继续预训练的过程中，优化mask 策略，是可以进一步提高下游性能的。
让我们回归一下bert 的mask 策略即后续的改进：

这里笔者思考后认为，不同的mask 策略本质区别是对更多的“固定搭配”进行同时mask，从而降低模型对局部、浅层信息的过拟合，增加任务的难度，提高模型的泛化能力。
所谓“固定搭配”，不仅仅包含词，或者说是更广义的“词”。字的固定搭配可以构成词，进一步固定搭配又可以形成短语。比如考虑“好好学习，天天向上”，“08北京奥运会”，如果只mask 其中一部分，是比较“容易”通过剩余的部分来还原的。
既然“固定搭配”是更广义的词，这里我们就可以来挖掘这些“固定搭配”了。最简单的方式就是新词/短语挖掘，而新词/短语挖掘最常用的方法是计算左右熵和紧密度，不过这种方式计算量较大，这次比赛笔者舍弃了这种方式，采用借鉴苏神的博客最小熵原理（二）：“当机立断”之词库构建中的思路，用PMI表征紧密度，用相邻两个字之间的紧密度判断两者是否存在“固定搭配”,最终未被切分的为一个整体。最后将挖掘出的新词通过jieba 过滤掉已在词库内的，并只保留长度2~5的新词，添加到jieba的词库内。这里选择用jieba 做分词工具的原因是因为笔者用的是NEZHA，而NEZHA在训练时使用的就是jieba 处理的数据，这里与他保持一致，而长度选择上，主要借鉴spanBert中的结论。
最后挖掘了2736个新词，而如果是实际工作中，则可以进一步将积累的词也加入。

以上的方式中全程没有人为参与，所以新词的质量是无法保证的，即存在词的边界不准确。而此时的全词mask 退化为n-gram mask，依然是一种有效的提升方案。

原始bert 在训练时，句子级别的任务为nsp，而RoBERTa 中给出的结论是句子级别的任务没什么用，所以取消了句子级别的任务；而albert 中则将句子级别的任务切换为sop，而SpanBERT中则切换为sbo。这里笔者认为下游任务是句子级别的分类任务，所以句子级别的任务是有用的，不过由于nsp 会引入大量噪音，所以这里选择sop/aop：在qa pair格式的样本下互换qa(sop)，在q a-list格式的样本下，保持query 在最前面，只shuffle a-list(aop)。

model-adaptive

由于样本的组织方式有qa pair 和 q a-list两种方式，而task 相关的数据是相对较小的，所以这里笔者认为两个阶段的样本组织方式相同的情况下，性能会更好，即：用qa pair格式post training后的模型，来微调qa pair格式的baseline，q a-list格式post training后的模型微调q a-list格式的baseline。

这里参考邱锡鹏老师的How to Fine-Tune BERT for Text Classification?，实验时每10 个epochs保存一次模型，最后通过在下游任务上的表现，得出与论文中基本一致的结论：更新10K steps左右模型在下游的表现是最好的。

此时我们认为已经将bert的能力最大化了，于是这里也尝试了在bert 后面接一些复杂的分类层（cnn/rnn/dgcnn/..),发现都无法进一步提高，所以也证实了之前的判断。

既然从“内部”已经无法进一步提高bert的能力，所以此时尝试融入外部知识来增强。而融合的方式主要尝试了两种：

• 最底层注入
  在Embedding 层融入外部的embedding。优点：更多的交互

• 最顶层注入
  在transformer output 层融入外部Embedding。优点：更灵活，不局限外部知识的形式（可以是Embedding，也可以说是其他特征，如手工特征）。

在知识选择上，首先想到的是Graph EMbedding，参考VGCN-BERT: Augmenting BERT with Graph Embedding for Text Classification,我们重跑了一下论文的代码，发现无法重现其中的结论，而我对Graph Embedding也不熟，所以放弃了这个方案。
然后尝试简单的embedding，即用gensim 在task data上训练了一版词向量(dims=100),作为外部知识来实验。
线下测试结果：

可以看到，两种方式都是无法进一步提高的，主要原因可能是：1.词向量的质量较差；2.词向量也是bert的“内部”知识；3.融入的方式或者调参没做好。

在模型上，还能通过增加新的任务来尝试提高性能。而今年比较热的一个思路就是对比学习，所以这里尝试通过增加一个对比学习任务来提高性能。
对比学习的主要思路是拉近到正样本之间的距离，拉远到负样本之间的距离。

对比学习主要又分为两种：监督对比学习和分监督对比学习。监督对比学习中，将相同label的样本看做是正例，其他的为负例；而非监督对比学习中，则通过对每个样本构造一对view，view之间互为正例，其他的为负例。

非监督对比学习

非监督对比学习中，通过互换QA位置，同时随机mask 15% 的token，来构造一对view。

• 对应的loss：

• 对应的模型：

监督对比学习

这里主要follow Supervised Contrastive Learning for Pre-trained Language Model Fine-tuning,修改对应loss.

• model

• 线下结果：

• 非监督对比学习结果可视化

• 监督对比学习结果可视化

可以看到，两种方式都没有带来提升，而可视化图中可以看到，非监督对比学习的效果并不好，存在大量重叠但颜色不同的点，说明对比学习任务的结果不好，这里的原因猜测主要有两点：1.模型的设计与调参时有问题，batch size（32）太小，没有BN 层等，都有可能是性能不好的原因；2.构造view 的方式过于简单粗暴，由于样本长度大多较短，随机mask 后即有可能引入错误的label 信息，又可能引起view 间语义的gap过大，无法互为正例。
监督学习效果图中，不同label的数据被分到了不同的簇中，说明对比学习的还是相当不错，不过由于此次比赛中的label 代表的是“是否是针对问题的回答”，label 相同但内涵不同，所以强行将相同label的样本聚合，并不能带来提升。

数据增强主要尝试了两种方式：EDA 和伪标签。

EDA主要包括四种方式：随机替换、随机删除、随机重复和随机互换。
由于词向量质量较差，所以操作时选择从当前句子中随机选取一个词作为“同义词”进行操作。
操作比例为10%，每个样本构造四个样本。
用训练过的模型对数据进行过滤，保留置信度高(>0.7)的样本。

用训练过的模型在test data 上进行预测，对预测结果按0.5 为阈值计算置信度并进行排序，保留前30%的样本加入训练集。 这里没有单纯按置信度过滤样本，是因为模型预测结果大多数大于0.95或小于0.05，而过多的测试数据进入训练集，会导致模型最终的结果是在拟合训练集中的label，而无法带来提高（充分学习后的模型在训练数据上的预测结果自然是训练时的label）。

借助知识蒸馏，我们尝试了自蒸馏方案：即Teacher 与 Student 为同一个模型，Teacher模型先学习一遍后，对训练样本打上soft labels，Student 同时学习true labels 与 soft labels.

• soft labels：

  qi=exp(ziT)∑jexp(zjT)qi=exp(ziT)∑jexp(zjT)

• 线下测试结果：

  without KD0.831with KD0.84without KDwith KD0.8310.84

shuffle 解码

对于q a-list 的模型，可以在预测时，对answer list 进行全排列，然后将结果投票，一来可以将answer label之间的影响降低，二来可以在非常小的成本下融合，也算是一种trick。不过此次比赛的数据对顺序比较敏感，shuffle后大多数情况下会降低模型的性能，所以最终融合后结果没提升反而降低了。

为了提高模型的稳定性与泛化能力，我们进行了模型融合。融合时，我们期望模型间能“和而不同”：每个单模型的性能之间差异小（都要接近最优单模型），且模型之间差异尽量大(架构或者优化方案上差异尽量大）。根据以上策略，对QA Pair 与 QA Point两种模型进行融合。

• 能work的方案

  task-adaptive training加入新词加入sop/aopmodel-adaptive对抗训练EDA模型融合+1.5%~3%+0.5%~1%+0.1%~0.3%+0.5%~0.7%+0.5%~0.9%+0.3%~0.5%+0.5%~0.7%task-adaptive training+1.5%~3%加入新词+0.5%~1%加入sop/aop+0.1%~0.3%model-adaptive+0.5%~0.7%对抗训练+0.5%~0.9%EDA+0.3%~0.5%模型融合+0.5%~0.7%

• 不能work的方案

  external-embedding bottomexternal-embedding topself-supervised contrastive learningsupervised contrastive learningfocal lossshuffle trick-0.2%~0%-0.1%~0%-0.4%~-0.2%-0.1%~0%0%-0.15%~0external-embedding bottom-0.2%~0%external-embedding top-0.1%~0%self-supervised contrastive learning-0.4%~-0.2%supervised contrastive learning-0.1%~0%focal loss0%shuffle trick-0.15%~0

• 线下有效但未提交

  自蒸馏伪标签+0.5%~1%+0.1%~0.3%自蒸馏+0.5%~1%伪标签+0.1%~0.3%

对于PET ，在post training后的效果并不是很好，不过由于没有时间了，所以没有继续优化。这里提一下可以优化的点：1.可以增加解码空间；2.增加多个pattern 进行融合的方式尝试优化。笔者本人是比较喜欢PET 这个思路的，统一了两个阶段，所以可做的事还有很多。

比赛最终的线上成绩在A/B 榜均是第一，答辩阶段也得到了第一。

• A榜得分：
• B榜得分：
• 答辩得分：

比赛相关思路的代码开源在github上：
ccf_2020_qa_match
欢迎大家尝试使用，有问题或者想法可以提issue，一起讨论。

本文主要总结了此次ccf 问答匹配中的实验思路，而其中提出的四种baseline ，可以横向推广至所有的文本分类相关的任务中，而优化相关的方案，则可以应用在所有bert-base 模型上。 从最初打算“白嫖”一份数据，到最终拿到第一，算起来这应该是笔者第一次参加NLP的比赛，所以很幸运也很惊喜。
Enjoy！