貧窮讓我預訓練

一、要不要預先訓練

# #預訓練的效果是直接的，所需的資源常常令人望而卻步。如果存在這種預訓練方法，它的啟動所需算力、資料和人工資源很少，甚至只需要單人單卡的原始語料。經過無監督的資料處理，完成一次遷移到自己領域的預訓練之後，就能獲得零樣本的NLG、NLG和向量表示推理能力，其他向量表示的召回能力超過BM25，那麼你有興趣嘗試嗎？

#要不要做一件事，需要衡量投入產出決定。預訓練是大事，需要一些前置條件和資源，也要充足的預期效益才會實行。通常所需要的條件有：充足的語料庫建設，通常來說質量比數量更難得，所以語料庫的質量可以放鬆些，數量一定要管夠；其次是具備相應的人才儲備和人力預算，相較而言，小模型訓練更容易，障礙更少，大模型遇到的問題會多些；最後才是算力資源，根據場景和人才搭配，豐儉由人，最好有一塊大內存顯示卡。預訓練帶來的效益也直觀，遷移模型能直接帶來效果提升，提升幅度跟預訓練投入和領域差異直接相關，最終收益由模型提升和業務規模共同增益。

在我們的場景中，資料領域跟通用領域差異極大，甚至需要大幅更替詞表，業務規模也已經足夠。如果不預訓練的話，也會為每個下游任務專門微調模型。預訓練的預期效益是確定的。我們的語料庫品質上很爛，但是數量足夠。算力資源很有限，配合對應的人才儲備可彌補。此時預訓練的條件都已經具備。

直接決定我們啟動預訓練的因素是需要維護的下游模型太多了，特別佔用機器和人力資源，需要給每個任務都要準備一大堆資料訓練出一個專屬模型，模型治理的複雜度急遽增加。所以我們探索預訓練，希望能建構統一的預訓練任務，讓各個下游模型都受益。我們做這件事的時候也不是一蹴而就的，需要維護的模型多也意味著模型經驗多，結合之前多個專案經驗，包括一些自監督學習、對比學習、多任務學習等模型，經過反覆實驗迭代融合成形的。

上圖是傳統的nlp管線範式，基於現有的通用預訓練模型，在可選的遷移預訓練完成後，為每個下游任務收集資料集，微調訓練，並且需要許多人工和顯示卡維護多個下游模型和服務。

下圖是我們提出的新範式，在遷移到我們領域繼續預訓練時候，使用聯合語言建模任務和對比學習任務，使得產出模型具備零樣本的NLU、NLG、向量表示能力，這些能力是模型化的，可以按需取用。如此需要維護的模型就少了，尤其是在專案啟動時候可以直接用於調查，如果有需要再進一步微調，所需的資料量也大大降低。

二、如何預先訓練

## #########這是我們的預訓練模型架構，包括Transformer的編碼器、解碼器和向量表示頭。 ##########

預訓練的目標包括語言建模和對比表示，損失函數為Total Loss = LM Loss α CL Loss，採用語言建模任務與對比表示任務聯合訓練，其中α表示權重係數。語言建模採用遮罩模型，類似T5，只解碼遮罩部分。對比表示任務類似CLIP，在一個批次內，有一對相關訓練正樣本，其他未負樣本，對於每一條樣本對（i,I）中的i，有一個正樣本I，其他樣本為負樣本，使用對稱交叉熵損失，迫使正樣本的表示相近，負樣本的表示相遠。採用T5方式解碼可以縮短解碼長度。一個非線性向量表示頭加載編碼器上方，一是向量表示場景中要求更快，二是兩個所示函數作用遠離，防止訓練目標衝突。那麼問題來了，完形填空的任務很常見，不需要樣本，那相似性樣本對是怎麼來的呢？

#當然，作為預訓方法，樣本對一定是無監督演算法挖掘的。通常資訊檢索領域採用挖掘正樣本基本方法是逆完形填空，在一篇文件中挖掘幾個片段，假定他們相關。我們這裡將文檔拆分為句子，然後列舉句子對。我們採用最長公共子字串來判定兩個句子是否相關。如圖取兩個正負句對，最長公共子串長到一定程度判定為相似，否則不相似。閾值自取，例如長句子為三個漢字，英文字母要求多一些，短句子可以放鬆些。

我們採用相關性作為樣本對，而不是語意等價性，是因為二者目標是衝突的。如上圖所示，貓抓老鼠跟老鼠抓貓，語意相反卻相關。我們的場景搜尋為主，更專注於相關性。而且相關性比語意等價性更廣泛，語意等價更適合在相關性基礎上繼續微調。

有些句子篩選多次，有些句子沒有被篩選。我們限制句子入選頻次上限。對於落選句子，可以複製作為正樣本，可以拼接到入選句子中，也可以用逆向完型填空作為正樣本。

傳統的遮罩方式如SpanBert，採用幾何分佈取樣遮罩長度，短遮罩機率高，長掩碼機率低，適用於長句子。但我們的語料是支離破碎的，當面對一二十個字的短句子時，傳統傾向掩碼兩個單字勝過遮蔽一個雙字，這不符合我們期望。所以我們改進了這個分佈，讓他取樣最優長度的機率最大，其他長度機率逐次降低，就像一個駱駝的駝峰，成為駝峰幾何分佈，在我們短句富集的場景中更加健壯。

三、實驗效果

#我們做了對照實驗。包括GUR-FULL，用到了語言建模和向量對比表示；UR-LCS的樣本對沒有經過LCS篩選過濾；UR-CL沒有對比表示學習，相當於傳統的語言模型；GUR-LM只有向量對比表示學習，沒有語言建模學習，相當於專門為下游任務微調；NLPC是百度場內的一個word2vec算符。

實驗從一個T5-small開始繼續預訓練。訓練語料包括維基百科、維基文庫、CSL和我們的自有語料。我們的自有語料從物料庫抓來的，品質很差，品質最佳的部分是物料庫的標題。所以在其他文檔中挖正樣本時是近乎任意文字對篩選，而在我們語料庫中是用標題來匹配正文的每一個句子。 GUR-LCS沒有經過LCS選，如果不這樣幹的話，樣本對太爛了，這麼做的話，跟GUR-FULL差別就小多了。

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我們在幾個檢索任務中評測模型的向量表示效果。左圖是幾個模型在召回中的表現，我們發現經過向量表示學習的模型表現都是最好的，勝過BM25。我們也比較了排序目標，這回BM25扳回一局。這顯示密集模型的泛化能力強，稀疏模型的確定性強，二者可以互補。實際上在資訊檢索領域的下游任務中，密集模型和稀疏模型經常搭配使用。

#上圖是不同訓練樣本量的NLU評測任務，每個任務有數十到幾百個類別，以ACC得分評估效果。 GUR模型也將分類的標籤轉換為向量，來為每個句子找到最近的標籤。上圖由左至右依據訓練樣本量遞增分別是零樣本、小樣本和足夠微調評測。右圖是經過充足微調之後的模型表現，顯示了各個子任務的本身難度，也是零樣本和小樣本表現的天花板。可見GUR模型可以依靠向量表示就可以在一些分類任務中實現零樣本推理。且GUR模型的小樣本能力表現最為突出。

#這是NLG的零樣本表現。我們在做標題生成和query擴展中，挖掘優質流量的標題，將關鍵字保留，非關鍵字隨機掩碼，經過語言建模訓練的模型表現都不錯。這種自動prompt效果跟人工構造的目標效果差不多，多樣性更廣泛，能夠滿足大量生產。經過語言建模任務的幾個模型表現差不多，上圖採用GUR模型範例。

四、結語

#本文提出了一個新的預訓練範式，上述對照實驗顯示了，聯合訓練不會造成目標衝突。 GUR模型在繼續預訓練時，可以在維持語言建模能力的基礎上，增加向量表示的能力。一次預訓練，到處零原樣本推理。適合業務部門低成本預訓練。

#上述連結記載了我們的訓練細節，參考文獻詳見論文引用，程式碼版本比論文新一點。希望能給AI民主化做一點微小貢獻。大小模型有各自應用場景，GUR模型除了直接用於下游任務之外，還可以結合大模型使用。我們在管線中先用小模型辨識再用大模型指令任務，大模型也可以給小模型生產樣本，GUR小模型可以提供大模型向量檢索。

論文中的模型為了探討多個實驗選用的小模型，實踐中若選用更大模型增益明顯。我們的探索還很不夠，需要有進一步工作，如果有意願的話可以聯絡laohur@gmail.com，期待能與大家共同進步。

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