阿里妹导读：为什么聊天机器人越来越普及？聊天机器人不仅可以节省时间，提升效率，还能一天24小时提供服务，更是可以减少误差。聊天机器人背后的问题原理是什么？效率如何提升？就是今天我们要了解的内容。本篇内容已被收录于ACL2019，希望对你有所帮助。
1.背景
在Chatbot整体解决方案中， 既有面向任务型的taskbot（诸如订机票、查天气等）， 也有更偏向知识问答的qabot，而在客服场景下，最基础的类型也是这类。如果从知识库的形式来区分qabot，可以有 基于「文档」的doc-qabot、基于「知识图谱」的kg-qabot、基于「问答对」的faq-qabot等。我们这里重点关注的是最后一种faq-qabot（也简称faqbot）， 这种形式的方案对用户而言易理解易维护，也是目前chatbot解决方案中不可缺的一部分。
faqbot就是将query匹配到一条「问答对」上，从技术的角度看，有两大类方法， 一是text classification， 二是text matching，它们各有适合的场景，前者适合咨询量大且比较稳定的faq，后者适合长尾或时常变化的faq。
店小蜜是我们提供给阿里平台商家的一套智能客服解决方案。在店小蜜中， 基于Faq的问答是个很基础的部分，我们在这个领域，在文本分类和文本匹配上进行了各方面的研究和实践， 在本篇中重点对文本匹配的基础模型进行介绍。
「文本匹配」是NLP方向的一个重要研究领域，有着悠久的历史，很多NLP任务都与此相关，比如 natual language inference、parahparase identification、answer selection等，都可以归结成「文本匹配」问题。
有很多人研究这个课题， 当前优秀的匹配模型有哪些？这些模型有什么异同？这些模型存在哪些问题？这些都是我们展开这个项目需要先分析和回答的问题。我们通过分析SNLI榜单上的模型，有几个结论：
- 优秀的匹配模型都可以归纳成embed-encode-interacte-aggregate-predict五个步骤， interact部分主要是做inter-sentence alignment；
- 在interact步骤中的对齐操作，设计会比较复杂；而且很多模型只有一次interact步骤；
- 也有些更深的模型结构，会做多次的inter-sentence alignment， 但因为较深的模型面临着梯度消失、难以训练的问题；
- 不管是参数量还是响应时间，支撑像店小蜜这样对实时性能要求比较高的场景，都不是很理想。
所以我们在设计的时候， 要求我们的模型在更少的参数量、更简洁的模型结构、更少的inference cost， 保证更容易训练、更适合部署到生产环境， 在这几个前提下， 我们也希望能借鉴深层网络的优势，让我们可以很方便地加深我们的网络层次， 让模型有更强的表达能力。
2.模型
我们通过对学术界提出的各种模型，诸如Decomposable Attention Model、CAFE、DIIN等， 归纳总结，一个匹配模型的整体框架基本上有Embedding Layer、Encoder Layer、Interaction Layer、Aggregation Layer和Prediction Layer五层， 只是每一层都有不同的设计，我们实现一种可插拔的匹配模型框架， 每层都有一些典型的实现。
为了增强我们模型框架的表达能力， 我们将Encoder+Interaction Layer打包成一个Block， 通过堆叠多个Block， 通过多次的inter-sentence alignment，可以让我们的模型更充分地理解两句文本之间的匹配关系。
我们基于这种框架，通过大量试验得到一个模型结构RE2， 可以在各类公开数据集、和我们自己的业务数据上都能得到最优的结果，如下图所示。
RE2包括有N个Block， 多个Block的参数完全独立。在每个Block内有一个encoder产出contextual representation， 然后将encoder的输入和输出拼在一起，做inter-sentence alignment，之后通过fusion得到Block的输出。第i个Block的输出，会通过Augmented Residual Connection的方式与这个Block的输入进行融合， 作为第i+1个Block的输入。
下面我们详细介绍每个部分：
2.1 Augmented Residual Connection
连续的Block之间用Augmented Residual Connection来连接， 我们将第n个Block第i个位置的输出记作：是个全零的向量。
第一个Block的输入为, 也就是Embeddling Layer的输出， 在Augmented Residual Connection中，第n个block的输入为：
其中 [;] 表示拼接操作；
在interaction layer的输入中，存在三种信息， 一是original point-wise information, 在这里就是原始的词向量，在每个Block中都会使用这份信息；二是通过encoder编码得到的contextual information；三是之前两层Block经过对齐加工过的信息。这三份信息，对最终的结果都有不可替代的作用， 在试验分析中会展显这一点。在我们这里encoder使用两层CNN（SAME padding）。
2.2 Alignment Layer
这块我们使用Decomposable Attention Model(Parikh et al., 2016)的对齐机制：
2.3 Fusion Layer
这块我们参考CAFE中对concat、multiply、sub三个操作分别通过FM计算三个scalar特征值， 我们针对这三个操作， 用独立的三个全连接网络计算三个vector特征， 之后将三个vector拼接并用进行projection。
2.4 Prediction Layer
输出层就比较常规，针对文本相似度匹配这类任务， 我们使用对称的形式：
针对文本蕴含、问答匹配这类任务， 我们使用
其中H表示多层全联接网络；
3.试验
3.1 数据集
要验证模型效果，我们选择三类NLP任务， Nature Language Inference、Paraphrase Identification、Question Answering， 选用SNLI、MultiNLI、SciTail、Quora Question Pair、Wikiqa这样几份公开数据集。评估指标，前两个任务选用Acc， 后一个任务选择MAP／MRR。
3.2 实现细节
我们用Tensorflow实现模型， 用Nvidia P100 GPU 训练模型， 英文数据集使用NLTK分词并统一转小写、去除所有标点。序列长度不做限制，每个batch中的序列统一pad到这个batch中最长序列长度，词向量选用840B-300d Glove向量，在训练过程中fix住，所有OOV词初始化为0向量，训练中不更新这些参数。所有其他参数使用He initialization， 并用Weight normalization归一化；每个卷积层或全联接层之后，有dropout层，keep rate设为0.8；输出层是两层前馈网络；Block数量在1-5之间调参。
在这几份公开数据集上， 隐层大小设为150；激活函数使用GeLU激活函数。优化算法选用Adam，学习率先线性warmup然后指数方式衰减，初始学习率在1e-4~ 3e-3之间调参；batch size在64～512之间调参。
3.3 结果
我们在这几份公开数据集上，均取得state-of-art的结果（不使用BERT的情况下）：
同样这个模型性能上也有很良好的表现，参数量和inference speed都有很强的竞争力， 从而可以在我们店小蜜这样的工业场景中得到广泛应用，给我们匹配准确率这样的业务指标上带来显著的提升。
3.4 结果分析
3.4.1 Ablation study
我们构造了四个baseline模型， 分别是：
1) w/o enc-in: alignment layer只使用encoder的输出；
2) w/o residual：去除所有block之间的residual 连接；
3) w/o enc-out: 去除所有encoder，alignment layer只使用block的输入；
4) highway: 使用highway 网络融合encoder的输入和输出，而不是直接拼接。
在SNLI上得到的结果如图所示。通过1）3）和完整模型的对比， 我们发现alignment layer只使用encoder的输出或只使用encoder的输入，都会得到很差的结果，说明原始的词向量信息、之前Block产出的align信息、当前Block中encoder产出的上下文信息，对最终的结果都是缺一不可的。通过2）和完整模型的对比，我们发现Block之间residual连接发挥了作用；而4）和完整模型的对比显示，我们直接拼接的方式是个更优解。
3.4.2 Block数量的影响
如上图所示，通过Augmented Residual Connection连接的网络，更容易在深层网络中生效，能够支撑更深的网络层次，而其他baseline 模型，在Block数量大于3时， 效果会有很明显的下降，并不能支撑更深层模型的应用。
3.4.3 Occlusion sensitivity
前面讲过， 在alignment layer的输入中，其实是三类信息的拼接：原始的词向量信息、之前Block产出的align信息、当前Block中encoder产出的上下文信息， 为了更好地理解这三份信息对最终结果的影响，我们参照机器视觉中相关工作， 进行了Occlusion sensitivity的分析。我们在SNLI-dev数据上，使用包含3个Block的一个RE2模型，分别将某层Block中alignment layer输入特征的某部分mask成0向量，然后观察在entailment、neutral 、 contradiction三个类别上的准确率变化：
可以得到几个分析结论：
- mask原始的词向量信息， 会对neutral和contradiction类的识别带来比较大的损失， 说明原始词向量信息在判断两个句子差异性上发挥着重要作用；
- mask之前Block产出的alignment信息， 会对neutral和contradiction类带来比较大的影响，尤其是最后一层Block的这部分信息对最终的结果影响最大， 说明residual connection使得当前Block能更准确地关注应该关注的部分；
- mask住Encoder的输出结果， 对entailment的影响更大，因为encoder是对phrase-level 的语义进行建模， encoder的产出更有助于entailment的判断；
3.4.4 Case study
我们选了一个具体的case分析多层Block的作用。
这个case中， 两句话分别是“A green bike is parked next to a door”“The bike is chained to the door”。在第一层Block中，是词汇／短语级别的对齐， 而“parked next to”和“chained to”之间只有很弱的连接，而在第三层Block中， 可以看到两者已经对齐， 从而模型可以根据“parked next to”和“chained to”之间的关系，对两句话整体的语义关系做出判断。从中也可以看到，随着Block的递增， 每层Block的alignment关注的信息都随之进行着调整，通过不止一次的alignment， 可以让模型更好地理解两句话之间的语义关系。
4. 业务结果
在店小蜜中，自定义知识库是由商家维护，我们提供知识定位方案；在店小蜜无法给出准确回复时， 我们会推荐相关知识，这里的文本匹配模型，也主要用在店小蜜的这两个业务模块。我们重点优化了7个大类行业模型（服饰、美妆洗护、鞋、电器、茶酒零食、母婴、数码）、一个大盘基础模型和相关知识推荐模型。在保证覆盖率的情况下， 7类主营行业准确率从不到80%提升到89.5%，大盘基础模型准确率提升到84%，知识推荐有效点击从14%左右提升到19.5%。
店小蜜自定义知识库后台配置：
店小蜜旺旺咨询示例：
总结展望
我们在工业场景下，实现了一个简洁同时具有很强表达能力的模型框架，并在公开数据集和业务数据集上取得很好的结果。
- 这种「通用」的语义匹配模型，已经对当前的业务带来很大的提升， 但是，针对店小蜜这样的业务场景， 是否在不同行业不同场景下可以得到更合适更有特色的解决方案，比如融合进商品知识、活动知识等外部知识做文本匹配。
- 怎么进一步完善FaqBot的技术体系，比如在文本分类、Fewshot分类等方向，也是我们团队的一个重点工作。
- 随着BERT模型的出现，NLP各项任务都达到了新的SOTA。然而BERT过于庞大，对计算资源的需求很高，因此我们想利用Teacher-Student框架将BERT模型的能力迁移到RE2模型上。
最后， 我们是达摩院-智能服务-小蜜FAQ算法团队， 如果想了解更多最新进展，欢迎邮件联系 gaoxing.gx@alibaba-inc.com ，也欢迎业界优秀青年加入我们，用AI重塑服务～