文本匹配模型实验报告-text2vec

尽管基于BERT的模型在NLP诸多下游任务中取得了成功，直接从BERT导出的句向量表示往往被约束在一个很小的区域内，表现出很高的相似度，因而难以直接用于文本语义匹配。为解决BERT原生句子表示这种“坍缩”现象，Su[21]提出了一种排序Loss的句向量表示模型——CoSENT，
通过在目标领域的监督语料上Fine-tune，使模型生成的句子表示与下游任务的数据分布更加适配。

在句子语义匹配（STS）任务的实验结果显示，同等设置下CoSENT相比此前的Sentence-BERT大幅提升了5%。

1. 背景

句向量表示学习在自然语言处理（NLP）领域占据重要地位，许多NLP任务的成功离不开训练优质的句子表示向量。特别是在文本语义匹配（Semantic Textual Similarity）、文本向量检索（Dense Text Retrieval）等任务上，
模型通过计算两个句子编码后的Embedding在表示空间的相似度来衡量这两个句子语义上的相关程度，从而决定其匹配分数。

尽管基于BERT的模型在诸多NLP任务上取得了不错的性能（通过有监督的Fine-tune），但其自身导出的句向量（不经过Fine-tune，对所有词向量求平均）质量较低，甚至比不上Glove的结果，因而难以反映出两个句子的语义相似度[1][2][3][4]。
我们在研究的过程中进一步分析了BERT导出的句向量所具有的特性，证实了以下两点：

1. BERT对所有的句子都倾向于编码到一个较小的空间区域内，这使得大多数的句子对都具有较高的相似度分数，即使是那些语义上完全无关的句子对（如下图所示），我们将此称为BERT句子表示的“坍缩（Collapse）”现象。

左：BERT表示空间的坍缩问题（横坐标是人工标注的相似度分数，纵坐标是模型预测的余弦相似度）；右：经过CoSENT方法Fine-tune之后

2. BERT句向量表示的坍缩和句子中的高频词有关。具体来说，当通过平均词向量的方式计算句向量时，那些高频词的词向量将会主导句向量，使之难以体现其原本的语义。当计算句向量时去除若干高频词时，坍缩现象可以在一定程度上得到缓解（如下图蓝色曲线所示）。

计算句向量时移除Top-K高频词后的性能变化

学习句向量的方案大致上可以分为无监督和有监督两大类，其中有监督句向量比较主流的方案是Facebook提出的InferSent，
而后的Sentence-BERT进一步在BERT上肯定了它的有效性。然而，不管是InferSent还是Sentence-BERT，它们都存在训练和预测不一致的问题，而如果直接优化预测目标cos值，效果往往特别差。

为了解决句向量方案这种训练与预测不一致的问题，分析了直接优化cos值无效的原因，并参考SimCSE的监督方法，分析了CoSENT的rank loss，该loss可以直接优化两个文本比较的cos值。实验显示，CoSENT在第一轮的收敛效果比Sentence-BERT高35%，最终效果上比Sentence-BERT高5%。

2. 研究现状和相关工作

2.1 句子表征学习

句子表征学习是一个很经典的任务，分为以下三类方法：

1. 有监督的句子表征学习方法：早期的工作[5]发现自然语言推理（Natural Language Inference，NLI）任务对语义匹配任务有较大的帮助，训练过程常常融合了两个NLI的数据集SNLI和MNLI，文本表征使用BiLSTM编码器。InferSent模型用了siamese结构，两个句子共用一个encoder，分别得到u和v的文本向量表达，然后用3种计算方式，向量拼接([u,v])，相乘(u * v)，相减(|u-v|)(为了保证对称性取绝对值），来帮助后面的全连接层提取向量间的交互信息，最后跟一个3分类的分类器。Sentence-BERT[1]借鉴了InferSent的框架，只是encoder部分替换成了BERT模型。
2. 自监督的Sentence-level预训练：有监督数据标注成本高，研究者们开始寻找无监督的训练方式。BERT提出了NSP的任务，可以算作是一种自监督的句子级预训练目标。尽管之后的工作指出NSP相比于MLM其实没有太大帮助。Cross-Thought[7]、CMLM[8]是两种思想类似的预训练目标，他们把一段文章切成多个短句，然后通过相邻句子的编码去恢复当前句子中被Mask的Token。相比于MLM，额外添加了上下文其他句子的编码对Token恢复的帮助，因此更适合句子级别的训练。SLM[9]通过将原本连贯的若干个短句打乱顺序（通过改变Position Id实现），然后通过预测正确的句子顺序进行自监督预训练。
3. 无监督的句子表示迁移：预训练模型现已被普遍使用，然而BERT的NSP任务得到的表示表现更不好，大多数同学也没有资源去进行自监督预训练，因此将预训练模型的表示迁移到任务才是更有效的方式。BERT-flow[2]：CMU&字节AI Lab的工作，通过在BERT之上学习一个可逆的Flow变换，可以将BERT表示空间映射到规范化的标准高斯空间，然后在高斯空间进行相似度匹配。BERT-whitening[10]：苏剑林提出对BERT表征进行白化操作（均值变为0，协方差变为单位矩阵）就能在STS上达到媲美BERT-flow的效果。SimCSE[11]：陈丹琦组在2021年4月份公开的工作，他们同样使用基于对比学习的训练框架，使用Dropout的数据增强方法，在维基百科语料上Fine-tune BERT。

2.2 Sentence-BERT模型

当前有监督的句子表征模型Sentence-BERT，表现出在句向量表示和文本匹配任务上SOTA的效果，证明了其有效性。Sentence-BERT的训练过程是把（u, v, |u - v|）拼接起来后接分类层，而预测过程，是跟普通的句向量模型一样，先计算mean pooling后的句向量，然后拿向量算cos得到相似度值。

Sentence-BERT的训练：

Sentence-BERT的预测：

Sentence-BERT模型为啥有效？

我们根据消融实验分析：

1. |u - v|的作用，匹配数据集中，正样本对的文本相似度是远大于负样本对的，对于初始的BERT模型，其正样本对|u - v|差值也是小于负样本对|u - v|差值，可以看出正样本对的u - v分布是一个半径较小的球面附近，
   而负样本对的u - v分布在一个较大的球面附近，也就是说，初始模型的u - v本身就有聚类倾向，我们只需要强化这种聚类倾向，使正样本对的u - v更小，负样本对的u - v更大。
   BERT-flow和BERT-whitening这类BERT后处理模型，就是用无监督方法强化这种聚类倾向的方法。而监督方法的直接做法是u - v后面接一个全连接层的分类器，但交叉熵的分类器是基于内积计算的，它没法区分两个分布在不同球面的类别，所以这里加上绝对值变成|u - v|，将球面变成锥形，此时就可以用分类器来做分类了。
2. u, v拼接的作用，从BERT-flow的工作可以知道，BERT句向量具备具备丰富的语义信息，但是句向量所在空间受到词频的影响，具备非平滑，各向异性的特点，这种特点导致未经过微调的“BERT+CLS”句向量模型直接应用在语义相似计算任务上的效果甚至不如简单的GloVe句向量，
   而|u - v|只是向量的相对差距，无法明显改善这种各向异性。而在u, v拼接之后接全连接层，利用了全连接层的类别向量是随机初始化的，相当于给了u，v一个随机的优化方向，迫使他们各自“散开”，远离当前的各向异性状态。

3. CoSENT模型介绍

3.1 基本思路

目标：在一个类似BERT的预训练语言模型基础上，监督训练一个句向量表征模型，使模型能够在文本语义匹配任务上表现最好。
其中，可以利用的标注数据是常见的句子对形式，格式是“（句子1，句子2，标签）”，按照训练encoder的思路，两个句子经过encoder后分别得到向量u，v，由于预测阶段是计算的余弦相似度cos(u，v)，所以思路是设计基于cos(u, v)的损失函数，让正样本对的相似度尽可能大、负样本对的相似度尽可能小。
如SimCSE的监督方法的损失函数：

• 输入样本是 $(x^i,x^{i+},x^{i-})$，其中 $x^{i+}$ 是与 $x^i$ 蕴含关系，而 $x^{i-}$ 是与 $x^i$ 矛盾关系
• $h^i$ 是 $x^i$ 的句子embedding
• $N$ 是 batch size
• $sim$ 是求余弦相似性（cosine similarity）
• $t$ 是温度系数，作为超参数，取值为 0.05

3.2 基于cos的排序损失函数

我们记正样本对 $(x^i,x^{i+})$ ，负样本对 $(x^i,x^{i-})$，目标是希望对于任意的正样本对和负样本对都有如下关系：

$$\cos (h^i,h^{i+})>\cos (h^i,h^{i-})$$

至于正样本对的相似度比负样本对大多少，就是越多越好。所以可以设该cos结果的差值为损失，则优化该损失。借鉴Circle Loss和SimCSE的监督损失函数，
设计下面基于cos的排序损失函数：

$$\log \left(1+\sum _{\cos (h^i,h^{i+})>\cos (h^i,h^{i-})}{e}^{(\cos (h^i,h^{i-})-\cos (h^i,h^{i+}))/t}\right)$$

CoSENT的损失函数

• 正样本对是 $(x^i,x^{i+})$ ，负样本对是 $(x^i,x^{i-})$。
• $h^i$ 是 $x^i$ 句子向量。
• $t$ 表示 temperature，是温度系数，超参数。

模型结构：

训练与预测同模型结构

3.3 融合监督和无监督信号

除了有监督训练以外，我们还可以进一步融合监督信号的策略：
先做有监督再无监督（sup-unsup）：先使用有监督损失训练模型，再使用SimCSE的无监督的方法进行表示迁移也是可以的，具体效果下面有分析，大家可以自行实验，可以在领域迁移学习快速应用。

4. 实验分析

我们主要在文本语义匹配（Semantic Textual Similarity，STS）任务上进行了实验，主要是STS-B数据集，为STS benchmark，来自于SemEval2017评测赛，
该数据集中的样本均包含两个短文本text1和text2，以及人工标注的位于0～5之间的分数，代表text1和text2语义上的匹配程度（5表示最匹配，即“两句话表达的是同一个语义”；
0表示最不匹配，即“两句话表达的语义完全不相关”）。

下面给出了两条样本作为示例：

text1	text2	score
A black and white photo of an old train station.	A black and white photo of a motorcycle laying on the ground.	0.2
a woman is dancing in the rain .	a woman dances in the rain out side .	5.0

中文STS-B数据集，是英文STS-B数据集的中文翻译版本，示例case如下：

text1	text2	score
一个男人在玩电子键盘。	一个人在吹长笛。	1
女人剥土豆。	一个女人在剥土豆。	5

在测试时，为了跟之前的文本匹配工作保持一致，选择了斯皮尔曼相关系数（Spearman correlation）作为评测指标，
它将用于衡量两组值（模型预测的余弦相似度和人工标注的语义相似度）之间的相关性，结果将位于[-1, 1]之间，仅当两组值完全正相关时取到1。
对于每个数据集，我们将其测试样本全部融合计算该指标。考虑到简洁性，会在表格中报告乘以100倍的结果。

4.1 英文匹配数据集

Arch	Backbone	Model Name	English-STS-B
GloVe	glove	Avg_word_embeddings_glove_6B_300d	61.77
BERT	bert-base-uncased	BERT-base-cls	20.29
BERT	bert-base-uncased	BERT-base-first_last_avg	59.04
BERT	bert-base-uncased	BERT-base-first_last_avg-whiten(NLI)	63.65
SBERT	sentence-transformers/bert-base-nli-mean-tokens	SBERT-base-nli-cls	73.65
SBERT	sentence-transformers/bert-base-nli-mean-tokens	SBERT-base-nli-first_last_avg	77.96
CoSENT	bert-base-uncased	CoSENT-base-first_last_avg	69.93
CoSENT	sentence-transformers/bert-base-nli-mean-tokens	CoSENT-base-nli-first_last_avg	79.68

英文数据集的实验结果

在英文匹配任务实验中，我们基于预训练的BERT在STS数据上进行Fine-tune。
在有监督实验中，我们没有使用额外的SNLI和MNLI训练数据，仅使用了STSb的训练数据，CoSENT在backbone为bert-base-uncased和bert-base-nli-mean-tokens下，实现结果得分均超过了基线。

结果显示，CoSENT方法在完全一致的设置下超过Sentence-BERT，达到了2%的相对性能提升。

4.2 中文匹配数据集

Arch	Backbone	Model Name	ATEC	BQ	LCQMC	PAWSX	STS-B	Avg
SBERT	bert-base-chinese	SBERT-bert-base	46.36	70.36	78.72	46.86	66.41	61.74
SBERT	hfl/chinese-macbert-base	SBERT-macbert-base	47.28	68.63	79.42	55.59	64.82	63.15
SBERT	hfl/chinese-roberta-wwm-ext	SBERT-roberta-ext	48.29	69.99	79.22	44.10	72.42	62.80
CoSENT	bert-base-chinese	CoSENT-bert-base	49.74	72.38	78.69	60.00	79.27	68.01
CoSENT	hfl/chinese-macbert-base	CoSENT-macbert-base	50.39	72.93	79.17	60.86	79.30	68.53
CoSENT	hfl/chinese-roberta-wwm-ext	CoSENT-roberta-ext	50.81	71.45	79.31	61.56	79.96	68.61

中文数据集的实验结果

在中文匹配任务实验中，我们在五个数据集中做了实验，包括：ATEC、BQ、LCQMC、PAWSX、STS-B，并且报告了五个数据集的平均结果，结果显示，
CoSENT方法在在相同的MacBERT预训练模型下Fine-tune，其得分超过Sentence-BERT，达到了5%的相对性能提升。

4.3 BackBone选择的实验分析

我们对比了CoSENT在不同的BackBone下的中文STS-B的实验结果，包括bert-base-chinese、hfl/chinese-macbert-base、nghuyong/ernie-3.0-base-zh等多种中文预训练模型。

backbone	Chinese-STS-B (spearman, test)
bert-base-chinese	0.7927
hfl/chinese-bert-wwm-ext	0.7635
hfl/chinese-roberta-wwm-ext	0.7996
hfl/chinese-macbert-base	0.7930
hfl/chinese-macbert-large	0.7495
nghuyong/ernie-3.0-nano-zh	0.6677
nghuyong/ernie-3.0-base-zh	0.8153
nghuyong/ernie-3.0-xbase-zh	0.7827

在中文STS-B的实验中，我们发现CoSENT在不同的BackBone下的实验结果相差不大，这说明CoSENT方法对于不同的BackBone都有很好的适应性，
该实验显示同等参数量模型size下，Backbone最佳是nghuyong/ernie-3.0-base-zh。

4.4 Pooling策略的实验分析

我们对比了CoSENT使用不同pooling策略的实验结果，包括MEAN、CLS、FIRST_LAST_AVG等多种pooling策略，其他实验设置是一样的：
Backbone为nghuyong/ernie-3.0-base-zh，训练集为Chinese-STS-B，batch size为64，t为0.05。

pooling	Chinese-STS-B (spearman, test)
CLS	0.8020
POOLER	0.7379
FIRST_LAST_AVG	0.7931
MEAN	0.8153

在中文STS-B的实验中，我们发现MEAN pooling 效果最好，但和CLS、FIRST_LAST_AVG相差不大，我们还发现个有趣的现象，用FIRST_LAST_AVG训练，再用MEAN预测，效果损失很小，或者换过来也一样，
pooling策略对中文匹配影响较小。pooling策略最佳选择MEAN。

4.5 Temperature超参的实验分析

在实验中，我们发现对比学习损失函数中的温度超参数（t）对于结果有很大影响。从下面CoSENT模型的分析实验中可以看到，当t值在0.01到0.05之间时会得到最优结果。

这个现象再次证明了BERT表示的坍缩问题，因为在句子表示都很接近的情况下，t过大会使句子间相似度更平滑，编码器很难学到知识。而t如果过小，任务就太过简单，所以需要调整到一个合适的范围内。

不同超参数t下的性能

temperature	Chinese-STS-B (spearman, test)	first-epoch-spearman(dev)	best_epoch_num
0.2	0.7711	0.8158	2
0.1	0.7945	0.8291	5
0.05	0.8051	0.8277	2
0.03	0.8061	0.8255	3
0.025	0.8065	0.8181	2
0.0125	0.8105	0.7982	9
0.01	0.8127	0.7838	9
0.005	0.7846	0.6399	4

在中文STS-B的实验中，温度超参数（t）最佳的是0.01，需要9个epoch训练，而设置t为0.05时，仅需要2个epoch即可达到最佳性能，
而且模型收敛速度更快，第一个epoch的dev结果就有0.8277，相较t=0.01的0.7838有0.04的提升。另外，Sentence-BERT第一个epoch的dev结果只有0.4630。

4.6 Batch size超参的实验分析

NLP的transformer框架下的模型，Batch size会对结果有影响，因此我们也对比了不同Batch size下在Chinese-STS-B数据集CoSENT模型的表现。

不同Batch size下的性能

batch size	Chinese-STS-B (spearman, test)	first-epoch-spearman(dev)	best_epoch_num
16	0.7891	0.8295	5
32	0.7957	0.8339	4
64	0.8051	0.8306	2
128	0.8011	0.8251	2
192	0.8018	0.8191	7

实验结果，可以看到batch size和spearman得分两者基本是成正比的，但提升很有限。该实验显示最佳batch size是64。

4.7 融合无监督信号的实验分析

无监督句子表征的模型有较大突破，为了提升模型的表征效果，我们希望能在有监督模型之后融合无监督信号，下面对比实验了Whitening、SimCSE等无监督方法。

arch	backbone	model	Chinese-STS-B (spearman)
SBERT	bert-base-chinese	SBERT-bert-chinese-finetune-ChineseSTS	0.7723
RoFormer-Sim	RoFormer-base-chinese	chinese_roformer-sim-char-ft_L-12_H-768_A-12	0.7827
SimBERT	bert-base-chinese	chinese_simbert_L-12_H-768_A-12	0.7098
SimBERT	chinese_simbert_L-12_H-768_A-12	SimBERT-base-chinese-SimCSE-cls-unsup	0.7562
SimBERT	chinese_simbert_L-12_H-768_A-12	SimBERT-base-chinese-SimCSE-first-last-avg-unsup	0.7264
BERT	bert-base-chinese	BERT-base-chinese-SimCSE-cls-unsup	0.6699
BERT	bert-base-chinese	BERT-base-chinese-SimCSE-cls-sup	0.7613
BERT	bert-base-chinese	BERT-base-chinese-mean_pooling	0.5473
BERT	bert-base-chinese	BERT-base-chinese-first_last_avg	0.5446
BERT	bert-base-chinese	BERT-base-chinese-first_last_avg-whiten(768)	0.6808
BERT	bert-base-chinese	BERT-base-chinese-sup-finetune-ChineseSTS	0.7755
CoSENT	bert-base-chinese	CoSENT-bert-base-chinese-first_last_avg	0.7942
CoSENT	hfl/chinese-macbert-base	CoSENT-macbert-base-chinese-first_last_avg	0.8051
CoSENT	hfl/chinese-macbert-base	CoSENT-macbert-base-chinese-first_last_avg-whiten(768)	0.7642
CoSENT	hfl/chinese-macbert-base	CoSENT-macbert-base-chinese-first_last_avg-whiten(384)	0.7708
CoSENT	hfl/chinese-macbert-base	CoSENT-macbert-base-chinese-first_last_avg-simcse	0.8133

从实验结果中可以看，后接whitening操作使模型效果降低了0.035，而接SimCSE模型效果提升0.008。

表明在监督模型后直接硬接无监督训练，提升不大，基于SimCSE无监督训练会有小幅提升。

5. Release Model

我们基于以上实验结果，按最优参数训练了文本表征的CoSENT模型，在中文匹配评测集上取得了SOTA效果，并具备s2s(sentence to sentence)和s2p(sentence to paraphrase)的文本相似度计算、相似文本检索能力。

训练参数

• arch: CoSENT
• backbone: nghuyong/ernie-3.0-base-zh
• pooling: MEAN
• temperature: 0.05
• batch_size: 64
• max_seq_length: 256

评测结果：

Arch	BackBone	Model	ATEC	BQ	LCQMC	PAWSX	STS-B	SOHU-dd	SOHU-dc	Avg	QPS
Word2Vec	word2vec	w2v-light-tencent-chinese	20.00	31.49	59.46	2.57	55.78	55.04	20.70	35.03	23769
SBERT	xlm-roberta-base	sentence-transformers/paraphrase-multilingual-MiniLM-L12-v2	18.42	38.52	63.96	10.14	78.90	63.01	52.28	46.46	3138
Instructor	hfl/chinese-roberta-wwm-ext	moka-ai/m3e-base	41.27	63.81	74.87	12.20	76.96	75.83	60.55	57.93	2980
CoSENT	hfl/chinese-macbert-base	shibing624/text2vec-base-chinese	31.93	42.67	70.16	17.21	79.30	70.27	50.42	51.61	3008
CoSENT	hfl/chinese-lert-large	GanymedeNil/text2vec-large-chinese	32.61	44.59	69.30	14.51	79.44	73.01	59.04	53.12	2092
CoSENT	nghuyong/ernie-3.0-base-zh	shibing624/text2vec-base-chinese-sentence	43.37	61.43	73.48	38.90	78.25	70.60	53.08	59.87	3089
CoSENT	nghuyong/ernie-3.0-base-zh	shibing624/text2vec-base-chinese-paraphrase	44.89	63.58	74.24	40.90	78.93	76.70	63.30	63.08	3066

• shibing624/text2vec-base-chinese模型，是用CoSENT方法训练，基于hfl/chinese-macbert-base在中文STS-B数据训练得到，并在中文STS-B测试集评估达到较好效果，模型文件已经上传HF model hub，中文通用语义匹配任务推荐使用
• shibing624/text2vec-base-chinese-sentence模型，是用CoSENT方法训练，基于nghuyong/ernie-3.0-base-zh用人工挑选后的中文STS数据集训练得到，并在中文各NLI测试集评估达到较好效果，模型文件已经上传HF model hub，中文s2s语义匹配任务推荐使用
• shibing624/text2vec-base-chinese-paraphrase模型，是用CoSENT方法训练，基于nghuyong/ernie-3.0-base-zh用人工挑选后的中文STS数据集，并加入了s2p数据，强化了其长文本的表征能力，并在中文各NLI测试集评估达到SOTA，模型文件已经上传HF model hub，中文s2p语义匹配任务推荐使用
• 为测评模型的鲁棒性，加入了未训练过的SOHU测试集，用于测试模型的泛化能力

6. 总结

在此工作中，我们分析了BERT句向量表示空间坍缩的原因，并分析了基于排序loss的句子表示CoSENT模型的优势。CoSENT在有监督训练的实验中表现出了优秀的性能，在中英文数据集上都超越了基线模型，表现出模型对句子表征的有效性。

目前，相关代码已经放Github上：shibing624/text2vec，欢迎大家使用。

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