强化学习新模型Jumper，让神经网络学习在阅读中何时做决定

雷锋网按：本文原作者为深度好奇研究组，原发表于公众号“深度好奇AI”（deeplycurious）。雷锋网已获授权转载。

论文题目：JUMPER: Learning When to Make Classification Decisions in Reading

文本理解是自然语言处理领域的一个核心目标，最近取得了一系列的进展，包括机器翻译、问答等。不过之前的工作大多数是关心最终的效果，而人们对于模型何时做出决定（或做决定的原因）却知之甚少，这是一个对于理论研究和实际应用都非常重要的课题。深度好奇（DeeplyCurious.AI） 最近在IJCAI-2018上展示了一个学习何时做分类决策的强化学习模型：Jumper， 该论文将文本分类问题建模成离散的决策过程，并通过强化学习来优化，符号化表征模型的决策过程具有很好的可解释性，同时分类效果也达到最高水平。

本文提供了一种新的框架，将文本理解建模为一个离散的决策过程。通常在阅读过程中，人们寻找线索、进行推理，并从文本中获取信息；受到人类认知过程的启发，我们通过将句子逐个地递送到神经网络来模仿这个过程。在每个句子中，网络基于输入做出决策（也称为动作），并且在该过程结束时，该决策序列可以视为是对文本有了一些“理解”。

特别一提的是，我们专注于几个预定义子任务的文本分类问题。当我们的神经网络读取一个段落时，每个子任务在开始时具有默认值“无”（None）。 在每个决策步骤中，段落的句子按顺序被递送到神经网络；之后，网络来决定是否有足够的信心“跳转”到非默认值作为特定时间的预测。我们施加约束，即每次跳转都是最终决定，它不可以在后面的阅读中被更改。如图1所示，给定一段话，有多个预先定义好的问题等待回答；模型按句子阅读，在阅读过程中，问题的答案陆续被找到。模型从默认决策到非默认决策都是一个“跳转”的过程，正因此我们称模型为Jumper。在人类阅读的过程中，人们通常会获得一致的阅读理解的结果，但是阅读理解过程中的很多环节却经常是微妙和难以捉摸的。同样，我们也假设我们的训练标签仅包含最终结果，并且没有给出关于模型应该做出决定的步骤的监督信号。也就是说，我们通过强化学习在弱监督信号情况下训练Jumper模型。

图1 Jumper模型在阅读段落的决策过程

Jumper模型主要由编码层、控制器、符号输出层构成。编码层将句子编码成定长的向量，控制器根据历史和当前输入产生当前的决定，符号输出层使模型的输出满足跳转约束，即每个决策过程最多只能有一次跳转。

图2 Jumper模型的基本框架

跳转约束的作用在于使模型更加慎重地决定何时跳转。因此，Jumper模型的优化目标有两个，第一个是尽可能早地“跳转”，第二个是尽可能预测准。假设t* 是最佳的跳转时间，那么如果模型在t* 时刻之前跳转，则模型还没有看到真正的pattern，那么得到的答案等同于随机猜；如果模型在t* 时刻之后跳转，而t* +1句话可能不存在，因此没有机会跳转从而预测错误。

通过上述建模，论文把文本分类问题转化为离散的决策过程，训练好的Jumper输出的离散决策过程就可以表达模型对文本的理解过程；而决策过程本身并没有标签，因此我们用policy gradient强化学习算法来训练，如果最终的决定和分类标签一致，就奖励整个决策动作，如果不一致，则惩罚。

我们对三个任务评估了Jumper，包括两个基准数据集和一个实际工业应用。我们首先分析了Jumper的分类准确性，并与几个基线进行了比较。表1显示Jumper在所有这些任务上实现了相当或更好的性能，这表明将文本分类建模为顺序决策过程不仅不会损害、甚至提高了分类准确性。

表1 在电影评论数据集（MR）、新闻数据集（AG）和工伤数据集（OI）的测试集上的准确率

我们想指出，“准确性”并不是我们关注的唯一表现。更重要的是，提出的模型能够减少阅读过程，或者找到文本分类的关键支撑句。只要在阅读过程中基于“跳转约束”限制而看到足够的证据，Jumper就能做出决定，并且在预测之后不需要再阅读之后的句子。在表2中可以看到，我们的模型与强基线相比达到了相似或更高的性能，与此同时，它还将文本读取的长度缩减了30-40％，从而加速了推断预测。

表2

除了准确率高和推断速度快以外，我们更好奇Jumper是否能够在信息提取式任务（例如工伤级别分类任务）中找到正确的位置做出决策。我们在400个数据点中标注关键支撑句（即最佳跳转位置）作为测试基础。需要注意的是，在这个实验中我们仍然没有跳转位置的训练标签。我们将Jumper与使用相同神经网络的层级CNN-GRU模型进行比较，但在训练方法方面有所不同；层级CNN-GRU在训练时，用段落末尾的交叉熵作为损失函数。在测试期间，我们将预测器应用于每个步骤并找到它做出预测的第一个位置。我们还列出了一个经典CNN的结果作为基线模型，并使用了最大池化操作（max-pooling）选择的单词最多的那些句子来作为测试数据。我们使用了跳转动作的准确率来评测Jumper。通过表3可知，Jumper准确地找到了测试集中所有关键支撑句的位置，说明我们的单跳约束迫使模型更仔细地思考何时做出决策，也验证了强化学习是学习决策正确位置的有效方法。

表3 各模型在工伤等级分类任务（OI-Level）上寻找关键支撑句的效果统计。该任务的关键支撑句在文本中通常聚集于一处，不存在歧义，便于衡量各模型效果。CA：分类准确率，JA：跳跃准确率，OA：在分类准确条件下的跳跃准确率

图3则显示了Jumper在阅读时做出决策的过程。其中，Jumper在前六个句子中保持默认决策（不做跳转），而在到达关键支撑句时突然跳转，这体现了Jumper可以识别关键支撑句，从而找到最佳跳跃位置。因此，在这类关键支撑语句集中出现时，Jumper可以在完成分类任务的同时找到关键支撑句，因此具有较强的可解释性。

图3 Jumper决策序列展示

总结

我们提出了一种新的模型Jumper，它在阅读段落时将文本分类建模为逐个句子的顺序决策过程。我们通过强化学习训练带有跳转约束的Jumper，实验表明：1) Jumper的性能与基线相当或更高；2) 它在很大程度上减少了文本阅读量；3) 如果所需信息在文中的分布是局域性的，它可以找到关键的支撑句子，具有很好的可解释性。