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效果提升28个点!基于领域预训练和对比学习SimCSE的语义检索

作者:技术指挥2022.01.13 14:26浏览量:224

简介:基于领域预训练和对比学习SimCSE的语义检索小系统

语义检索相比传统基于字面关键词的检索有诸多优势,广泛应用于问答、搜索系统中。今天小编就手把手带大家完成一个基于领域预训练和对比学习SimCSE的语义检索小系统。

所谓语义检索(也称基于向量的检索),是指检索系统不再拘泥于用户Query字面本身(例如BM25检索),而是能精准捕捉到用户Query背后的真正意图并以此来搜索,从而向用户返回更准确的结果。

最终可视化demo如下,一方面可以获取文本的向量表示;另一方面可以做文本检索,即得到输入Query的top-K相关文档!

语义检索,底层技术是语义匹配,是NLP最基础常见的任务之一。从广度上看,语义匹配可以应用到QA、搜索、推荐、广告等各大方向;从技术深度上看,语义匹配需要融合各种SOTA模型、双塔和交互两种常用框架的魔改、以及样本处理的艺术和各种工程tricks。

比较有趣的是,在查相关资料的时候,发现百度飞桨PaddleNLP最近刚开源了类似的功能,可谓国货之光!之前使用过PaddleNLP,基本覆盖了NLP的各种应用和SOTA模型,调用起来也非常方便,强烈推荐大家试试!

接下来基于PaddleNLP提供的轮子一步步搭建语义检索系统。整体框架如下,由于计算量与资源的限制,一般工业界的搜索系统都会设计成多阶段级联结构,主要有召回、排序(粗排、精排、重排)等模块,各司其职。

  • step-1:利用预训练模型离线构建候选语料库;
  • step-2:召回模块,对于在线查询Query,利用Milvus快速检索得到top1000候选集;
  • step-3:排序模块,对于召回的top1000,再做更精细化的排序,得到top100结果返回给用户。

图片.jpg
语义检索技术框架图

整体概览

1.1 数据

数据来源于某文献检索系统,分为有监督(少量)和无监督(大量)两种。

1.2 代码

首先clone代码:
git clone git@github.com:PaddlePaddle/PaddleNLP.git cd applications/neural_search

运行环境是:

  • python3
  • paddlepaddle==2.2.1
  • paddlenlp==2.2.1
    还有一些依赖包可以参考requirements.txt。

离线建库

从上面的语义检索技术框架图中可以看出,首先我们需要一个语义模型对输入的Query/Doc文本提取向量,这里选用基于对比学习的SimCSE,核心思想是使语义相近的句子在向量空间中临近,语义不同的互相远离。

那么,如何训练才能充分利用好模型,达到更高的精度呢?对于预训练模型,一般常用的训练范式已经从『通用预训练->领域微调』的两阶段范式变成了『通用预训练->领域预训练->领域微调』三阶段范式。

具体地,在这里我们的模型训练分为几步(代码和相应数据在下一节介绍):
1.在无监督的领域数据集上对通用ERNIE 1.0 进一步领域预训练,得到领域ERNIE;
2.以领域ERNIE为热启,在无监督的文献数据集上对 SimCSE 做预训练;
3.在有监督的文献数据集上结合In-Batch Negatives策略微调步骤2模型,得到最终的模型,用于抽取文本向量表示,即我们所需的语义模型,用于建库和召回。

由于召回模块需要从千万量级数据中快速召回候选集合,通用的做法是借助向量搜索引擎实现高效 ANN,从而实现候选集召回。这里采用Milvus开源工具,关于Milvus的搭建教程可以参考官方教程
https://milvus.io/cn/docs/v1.1.1/

Milvus是一款国产高性能检索库, 和Facebook开源的Faiss功能类似。
离线建库的代码位于

PaddleNLP/applications/neural_search/recall/milvus
|—— scripts
    |—— feature_extract.sh  #提取特征向量的bash脚本
├── base_model.py # 语义索引模型基类
├── config.py  # milvus配置文件
├── data.py # 数据处理函数
├── embedding_insert.py # 插入向量
├── embedding_recall.py # 检索topK相似结果 / ANN
├── inference.py # 动态图模型向量抽取脚本
├── feature_extract.py # 批量抽取向量脚本
├── milvus_insert.py # 插入向量工具类
├── milvus_recall.py # 向量召回工具类
├── README.md
└── server_config.yml # milvus的config文件,本项目所用的配置

2.1 抽取向量

依照Milvus教程搭建完向量引擎后,就可以利用预训练语义模型提取文本向量了。运行feature_extract.py即可,注意修改需要建库的数据源路径。
运行结束会生成1000万条的文本数据,保存为corpus_embedding.npy。

2.2 插入向量

接下来,修改config.py中的Milvus ip等配置,将上一步生成的向量导入到Milvus库中。

embeddings=np.load('corpus_embedding.npy') 
embedding_ids = [i for i in range(embeddings.shape[0])]

client = VecToMilvus()
collection_name = 'literature_search'
partition_tag = 'partition_2'
data_size=len(embedding_ids)
batch_size=100000
for i in tqdm(range(0,data_size,batch_size)):
    cur_end=i+batch_size
    if(cur_end>data_size):
        cur_end=data_size
    batch_emb=embeddings[np.arange(i,cur_end)]
    status, ids = client.insert(collection_name=collection_name, vectors=batch_emb.tolist(), ids=embedding_ids[i:i+batch_size],partition_tag=partition_tag)

抽取和插入向量两步,如果机器资源不是很”富裕”的话,可能会花费很长时间。这里建议可以先用一小部分数据进行功能测试,快速感知,等真实部署的阶段再进行全库的操作。

插入完成后,我们就可以通过Milvus提供的可视化工具[1]查看向量数据,分别是文档对应的ID和向量。
图片.jpg

文档召回

召回阶段的目的是从海量的资源库中,快速地检索出符合Query要求的相关文档Doc。出于计算量和对线上延迟的要求,一般的召回模型都会设计成双塔形式,Doc塔离线建库,Query塔实时处理线上请求。

召回模型采用Domain-adaptive Pretraining + SimCSE + In-batch Negatives方案。

另外,如果只是想快速测试或部署,PaddleNLP也贴心地开源了训练好的模型文件,下载即可用,这里直接贴出模型链接:
领域预训练ERNIE:
https://bj.bcebos.com/v1/paddlenlp/models/ernie_pretrain.zip
无监督SimCSE:
https://bj.bcebos.com/v1/paddlenlp/models/simcse_model.zip
有监督In-batch Negatives:
https://bj.bcebos.com/v1/paddlenlp/models/inbatch_model.zip

3.1 领域预训练

Domain-adaptive Pretraining的优势在之前文章已有具体介绍,不再赘述。直接给代码,具体功能都标注在后面。

domain_adaptive_pretraining/
|—— scripts
    |—— run_pretrain_static.sh # 静态图与训练bash脚本
├── ernie_static_to_dynamic.py # 静态图转动态图
├── run_pretrain_static.py # ernie1.0静态图预训练
├── args.py # 预训练的参数配置文件
└── data_tools # 预训练数据处理文件目录

3.2 SimCSE无监督预训练

双塔模型,采用ERNIE 1.0热启,引入 SimCSE 策略。训练数据示例如下代码结构如下,各个文件的功能都有备注在后面,清晰明了。

simcse/
├── model.py # SimCSE 模型组网代码
|—— deploy
    |—— python
        |—— predict.py # PaddleInference
        ├── deploy.sh # Paddle Inference的bash脚本
|—— scripts
    ├── export_model.sh # 动态图转静态图bash脚本
    ├── predict.sh # 预测的bash脚本
    ├── evaluate.sh # 召回评估bash脚本
    ├── run_build_index.sh  # 索引的构建脚本
    ├── train.sh # 训练的bash脚本
|—— ann_util.py # Ann 建索引库相关函数
├── data.py # 无监督语义匹配训练数据、测试数据的读取逻辑
├── export_model.py # 动态图转静态图
├── predict.py # 基于训练好的无监督语义匹配模型计算文本 Pair 相似度
├── evaluate.py # 根据召回结果和评估集计算评估指标
|—— inference.py # 动态图抽取向量
|—— recall.py # 基于训练好的语义索引模型,从召回库中召回给定文本的相似文本
└── train.py # SimCSE 模型训练、评估逻辑

对于训练、评估和预测分别运行scripts目录下对应的脚本即可。训练得到模型,我们一方面可以用于提取文本的语义向量表示,另一方面也可以用于计算文本对的语义相似度,只需要调整下数据输入格式即可。

3.3 有监督微调

对上一步的模型进行有监督数据微调,训练数据示例如下,每行由一对语义相似的文本对组成,tab分割,负样本来源于引入In-batch Negatives采样策略。
图片.jpg
关于In-batch Negatives 的细节,可以参考文章:
大规模搜索+预训练,百度是如何落地的?
https://mp.weixin.qq.com/s/MyVK6iKTiI-VpP1LKf4LIA

整体代码结构如下:

    |—— data.py # 数据读取、数据转换等预处理逻辑
    |—— base_model.py # 语义索引模型基类
    |—— train_batch_neg.py # In-batch Negatives 策略的训练主脚本
    |—— batch_negative
        |—— model.py # In-batch Negatives 策略核心网络结构
    |—— ann_util.py # Ann 建索引库相关函数
    |—— recall.py # 基于训练好的语义索引模型,从召回库中召回给定文本的相似文本
    |—— evaluate.py # 根据召回结果和评估集计算评估指标
    |—— predict.py # 给定输入文件,计算文本 pair 的相似度
    |—— export_model.py # 动态图转换成静态图
    |—— scripts
        |—— export_model.sh  # 动态图转换成静态图脚本
        |—— predict.sh  # 预测bash版本
        |—— evaluate.sh # 评估bash版本
        |—— run_build_index.sh # 构建索引bash版本
        |—— train_batch_neg.sh  # 训练bash版本
    |—— deploy
        |—— python
            |—— predict.py # PaddleInference
            |—— deploy.sh # Paddle Inference部署脚本
    |—— inference.py # 动态图抽取向量

训练、评估、预测的步骤和上一步无监督的类似,聪明的你肯定一看就懂了!

3.4 语义模型效果

前面说了那么多,来看看几个模型的效果到底怎么样?对于匹配或者检索模型,常用的评价指标是Recall@K,即前TOP-K个结果检索出的正确结果数与全库中所有正确结果数的比值。
图片.jpg

对比可以发现,首先利用ERNIE 1.0做Domain-adaptive Pretraining,然后把训练好的模型加载到SimCSE上进行无监督训练,最后利用In-batch Negatives 在有监督数据上进行训练能获得最佳的性能。

3.5 向量召回

终于到了召回,回顾一下,在这之前我们已经训练好了语义模型、搭建完了召回库,接下来只需要去库中检索即可。代码位于

PaddleNLP/applications/neural_search/recall/milvus/inference.py
def search_in_milvus(text_embedding):
    collection_name = 'literature_search'  # 之前搭建好的Milvus库
    partition_tag = 'partition_2'
    client = RecallByMilvus()
    status, results = client.search(collection_name=collection_name, vectors=text_embedding.tolist(),
                                    partition_tag=partition_tag)

    corpus_file = "../../data/milvus/milvus_data.csv"
    id2corpus = gen_id2corpus(corpus_file)
    for line in results:
        for item in line:
            idx = item.id
            distance = item.distance
            text = id2corpus[idx]
            print(idx, text, distance)

以输入 国有企业引入非国有资本对创新绩效的影响——基于制造业国有上市公司的经验证据 为例,检索返回效果如下
图片.jpg

返回结果的最后一列为相似度,Milvus默认使用的是欧式距离,如果想换成余弦相似度,可以在Milvus的配置文件中修改。

文档排序

不同于召回,排序阶段由于面向的打分集合相对小很多,一般只有几千级别,所以可以使用更复杂的模型,这里采用 ERNIE-Gram 预训练模型,loss选用 margin_ranking_loss。

训练数据示例如下,三列,分别为(query,title,neg_title),tab分割。对于真实搜索场景,训练数据通常来源业务线上的点击日志,构造出正样本和强负样本。
图片.jpg

代码结构如下

ernie_matching/
├── deply # 部署
    └── python
        ├── deploy.sh # 预测部署bash脚本
        └── predict.py # python 预测部署示例
|—— scripts
    ├── export_model.sh # 动态图参数导出静态图参数的bash文件
    ├── train_pairwise.sh # Pair-wise 单塔匹配模型训练的bash文件
    ├── evaluate.sh # 评估验证文件bash脚本
    ├── predict_pairwise.sh # Pair-wise 单塔匹配模型预测脚本的bash文件
├── export_model.py # 动态图参数导出静态图参数脚本
├── model.py #  Pair-wise 匹配模型组网
├── data.py #  Pair-wise 训练样本的转换逻辑 、Pair-wise 生成随机负例的逻辑
├── train_pairwise.py # Pair-wise 单塔匹配模型训练脚本
├── evaluate.py # 评估验证文件
├── predict_pairwise.py # Pair-wise 单塔匹配模型预测脚本,输出文本对是相似度

训练运行sh scripts/train_pairwise.sh即可。

同样,PaddleNLP也开源了排序模型:
https://bj.bcebos.com/v1/paddlenlp/models/ernie_gram_sort.zip

对于预测,准备数据为每行一个文本对,最终预测返回文本对的语义相似度。

是文化差异。', 'pred_prob': 0.85112214}
{'query': '中西方语言与文化的差异', 'title': '跨文化视角下中国文化对外传播路径琐谈跨文化,中国文化,传播,翻译', 'pred_prob': 0.78629625}
{'query': '中西方语言与文化的差异', 'title': '从中西方民族文化心理的差异看英汉翻译语言,文化,民族文化心理,思维方式,翻译', 'pred_prob': 0.91767526}
{'query': '中西方语言与文化的差异', 'title': '中英文化差异对翻译的影响中英文化,差异,翻译的影响', 'pred_prob': 0.8601749}
{'query': '中西方语言与文化的差异', 'title': '浅谈文化与语言习得文化,语言,文化与语言的关系,文化与语言习得意识,跨文化交际', 'pred_prob': 0.8944413}

总结

本文基于PaddleNLP提供的Neural Search功能自己快速搭建了一套语义检索系统。相对于自己从零开始,PaddleNLP非常好地提供了一套轮子。如果直接下载PaddleNLP开源训练好的模型文件,对于语义相似度任务,调用现成的脚本几分钟即可搞定!对于语义检索任务,需要将全量数据导入Milvus构建索引,除训练和建库时间外,整个流程预计30-50分钟即可完成。

在训练的间隙还研究了下,发现GitHub上的文档也很清晰详细啊,对于小白入门同学,做到了一键运行,不至于被繁杂的流程步骤困住而逐渐失去兴趣;模型全部开源,拿来即用;对于想要深入研究的同学,PaddleNLP也开源了数据和代码,可以进一步学习,赞!照着跑下来,发现PaddleNLP太香了!赶紧Star收藏一下,持续跟进最新能力吧,也表示对开源社区的一点支持~
https://github.com/PaddlePaddle/PaddleNLP

另外我们还可以基于这些功能进行自己额外的开发,譬如开篇的动图,搭建一个更直观的语义向量生成和检索服务。Have Fun!

在跑代码过程中也遇到一些问题,非常感谢飞桨同学的耐心解答。并且得知针对这个项目还有一节视频课程已经公开,点击链接即可观看课程:
https://aistudio.baidu.com/aistudio/course/introduce/24902

最后附上本次实践项目的代码:
https://github.com/PaddlePaddle/PaddleNLP/tree/develop/applications/neural_search

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