基于Self-attention的文本向量表示方法，悉尼科技大学和华盛顿大学最新工作

【导读】循环神经网络（RNN）与卷积神经网络（CNN）被广泛使用在深度神经网络里来解决不同的自然语言处理（NLP）任务，但是受限于各自的缺点（即，RNN效果较好但参数较多效率较低，CNN效率高参数少但效果欠佳）。最近，来自悉尼科技大学（UTS）与华盛顿大学（UW）的科研人员提出了一种Self-attention网络用于生成Sentence Encoding（句子向量化）。在不使用任何RNN和CNN结构的情况下，此网络使用较少的参数同样可以在多个数据集上达到state-of-the-art的性能。此文章已被AAAI-18接收为Oral presentation。

论文： DiSAN: Directional Self-Attention Network for RNN/CNN-Free Language Understanding

论文链接:https://arxiv.org/abs/1709.04696

论文代码:https://github.com/taoshen58/DiSAN

张成奇，杰出教授，现任悉尼科技大学（UTS）副校长， 澳大利亚人工智能理事会理事长。他从事人工智能相关研究长达35年，并发表近300篇的学术论文，他于1992年6月在 “国际人工智能杂志（Artificial Intelligence Journal）”发表了大陆华人的第一篇论文。根据2018年1月份Google Scholar统计，文章被引用总数超过万次，H-Index为44。他曾担任ICDM和KDD等五个国际会议的大会主席，程序委员会主席和组织委员会主席等职务，并曾担任国际人工智能大会IJCAI 2017年当地组织委员会主席。自2014年6月起，任IEEE计算机学会智能信息技术委员会（TCII）主席。

▌摘要

RNN与CNN被广泛使用在NLP任务中用于分别捕捉长期（long-term）和本地（local）的依赖关系（dependencies）。注意力机制（Attention Mechanism）最近吸引了大量的关注因为它的可并行化的计算，较少的模型训练时间和长期/本地依赖捕捉的灵活性。

我们提出一种新颖的注意力机制，用于捕捉序列中不同的元素之间的attention信息。而且这种attention是有方向的并且是多维度的。然后，基于这种注意力机制，一个轻量级的网络，"Directional Self-Attention Network (DiSAN)"，被提出用于学习句子的向量（句子向量化）。DiSAN不需要基于任何的RNN或CNN结构而仅仅是注意力机制。DiSAN由directional self-attention（用于编码上下文和方向信息）和multi-dimensional attention（用于将一序列压缩成一个向量）组成。

尽管结构简单，DiSAN可以在预测效果和时间效率上超过复杂的RNN模型。DiSAN在Stanford Natural Language Inference (SNLI) 数据集上可以达到最好的效果。并且在Stanford Sentiment Treebank (SST)数据集上可以达到state-of-the-art效果。同时，文章还在其他基准数据集上达到state-of-the-art水平，包括Multi-Genre natural language inference (MultiNLI), Sentences Involving Compositional Knowledge (SICK), Customer Review, MPQA, TREC question-type classification 和 Subjectivity (SUBJ) 数据集。

▌1.动机与目标

1.1 动机

上下文依赖（Contextual dependency）在NLP任务中一直处于重要的地位，最流行的方法是使用RNN（LSTM，GRU等）或者是CNN模型来捕捉这些依赖。最近的研究工作发现，给这些基于RNN或CNN的方法加上注意力机制可以在不同的任务上达到新的state-of-the-art的效果，例如机器翻译，自然语言推断，对话生成，机器问答，机器理解等。注意力机制可以计算序列中每个元素的重要程度，并按照其重要程度把所有元素合并起来。由于这种合并是位置无关的，所以可以提供补充的信息给RNN或者CNN这类distance-aware的模型。同时，attention的计算是高度可并行的，不需要像RNN那样需要时域的迭代。

在最近的工作中，一种仅仅基于注意力机制的Seq2Seq模型被提出（“Transformer”），并在机器翻译上取得了新的state-of-the-art的翻译效果。其主要的组成，“multi-head attention”，实际上就是一种自注意力（self-attention）机制。

Attention能够比RNN/CNN更灵活地处理不同长度的句子，而且在捕捉依赖的时候更加的数据/任务驱动（task/data-driven）。不同于序列模型，attention可以更好的利用当前的并行和分布式运算来加速。

但是，据我们所知，除了用于Seq2seq模型的Transformer，还没有其他模型仅仅使用attention被提出用于解决其他NLP任务。另外，self-attention过程中不会考虑两个元素的位置关系，所以如何在self-attention过程中引入时域顺序信息一直是重要的问题。“multi-head attention”引入positional encoding直接与输入的序列相加来解决这个问题。

1.2 目标

这篇文章的主要目的是开发出一可以被广泛使用的和RNN/CNN-free的self-attention网络，可以用于在不同NLP任务中的自然语句编码上，其中任务包括自然语言推断（natural language inference），情感分析（sentiment analysis），语句分类（sentence classification），语义相关（semantic relatedness）等。

我们提出了一种新颖的self-attention机制，在以下两点不同于以前的工作：

（1）多维度的，也就是说attention是基于每个特征的（feature）；

（2）有方向的，使用“位置掩码(Positional Masks)”来提供元素间的非对称attention，用于捕捉位置信息。

我们计算feature级别的Attention，因为在神经网络中，NLP中的每个token都以特征向量(low-dimension feature vector representation)的形式存在。在不同特征上的attention可以包含不同的依赖信息，因此可以更有效地处理同一个单词上下文的变化，即，一词多义。另外，此attention使用位置掩码来建模先验的结构信息，例如时域顺序或依赖关系。这使得提出的attention机制可以克服现有的Attention无法捕捉序列的时域顺序的缺点。

基于上述的attention机制，一个轻量和不依赖RNN/CNN的网络，“Directional Self-Attention Network (DiSAN)”，被提出。在DiSAN中，输入首先被directional(前向和后向) self-attentions 处理，来得到每个元素的上下文感知的（context-aware）向量表达，然后用multi-dimensional attention来压缩这些元素来得到整个序列的向量表达，完成sentence encoding的目标。

在实验中，我们在不同的NLP任务上对比DiSAN与现在最流行的方法。实验结果表明，DiSAN可以再自然语言推断，情感分析，语句分类，语义相关等任务上取得最好或者state-of-the-art的预测质量。并且使用较少的参数和拥有更高的计算效率。

▌2.提出的模型

2.1 Multi-dimensional Attention

图1：(a)传统的Attention，和(b)multi-dimensional attention. 表示alignment scores, 在(a)中是标量但在(b)中是向量。

图1对比了一般的attention与提出的Multi-dimensional Attention的区别，即，Multi-dimensional Attention中由兼容性函数(compatibility function)计算得出的每个元素的attention分数（alignment score）与输入是同维向量，而传统的方法仅生成一个标量。

Multi-dimensional Attention兼容性函数为：

因此attention的结果可以写成：

2.2 Two Types of Multi-dimensional Self-Attention

“token2token” self-attention

token2token self-attention目的是为序列中的每个元素生成上下文感知的向量表达，这里简单的将上文提到的兼容性函数中的query替换为输入序列的中的某个元素，即：

因此，此兼容性函数可以建模同个序列两个不同元素的依赖关系，并根据这个依赖关系来建立两个元素间的attention.

“source2token” self-attention

source2token self-attention 目的是压缩序列为一个向量表达而不是通过一般的max-pooling来完成这一步骤。这里简单的将query去掉，这更加体现了attention的任务驱动性（task-driven）。兼容函数变为：

2.3 Directional Self-Attention(DiSA)

图2：Directional self-attention (DiSA)机制。这里用表示公式15中的

图2展示了DiSA的结构图，其中包含了两个关键组成部分：

图3：三种positional masks：(a)为diag-disable mask；(b)和(c)分别为前向和后向的masks,和

Positional Masks(位置掩码)

用于捕捉时域顺序信息和model非对称Attention。融入DiSA的方式就是将其直接加在兼容性函数的结果（即Attention分数）上。其定义如下（或如图3）。Mask的值为0或因为兼容性函数的结果将会输入至Softmax函数中值mask可以保持原有的Attention分数，而值mask可以直接抑制对应的元素。

Fusion Gate(融合门)

用于结合此self-attention的输入（原始表达）和输出（上下文特征），为了得到上下文感知的向量表达。其定义如下。

其中h是self-attention输入；s为self-attention输出（仅包含了contextual features）。F是element-wise的融合门的值。

2.4 Directional Self-Attention Network (DiSAN)

图4：Directional self-attention network (DiSAN)

图四表示了文章的语句编码（Sentence Encoding）模型，其包含前向与后向的DiSA（即 DiSA with forward and backward positional masks）；最后，source2token self-attention用于将序列压缩称为一个向量来表征整个句子。

▌3.实验结果

Baselines:

词向量 + 传统的Attention机制

词向量 + 文章提出的source2token self-attention

multi-head attention + source2token self-attention

Bi-LSTM + source2token self-attention

没有positional masks的DiSAN

3.1 自然语言推断（Natural Language Inference）

表1：SNLI数据集上的实验结果参数数量（除去word embeddings部分）。T(s)/epoch：训练中平均每个epoch的时间消耗。Train Accu(%)和Test Accu(%)表示在训练集和测试集上的预测精度。

与其他sentence-encoding模型进行对比，在拥有较高时间效率和使用较少参数的情况下，比之前基于RNN，CNN或更加复杂的的model效果更好。

3.2 情感分析（Sentiment Analysis）

情感分析的实验使用的是Stanford Sentiment Treebank (SST) 数据集，并在细粒度（5分类）的数据上进行了实验。实验结果见表2。

表2：Stanford Sentiment Treebank数据集上细粒度情感分类的效果。

在SST的测试集上，不同长度的句子的预测正确率的折线图如图5，其对比了LSTM，Bi-LSTM和Tree-LSTM。

图5：细粒度情感分析精度 vs. 句子长度。

3.3 Multi-Genre Natural Language Inference

因为官方没有像SNLI一样提供针针对sentence-encoding专门的leaderboard，所以这里只与官方提供的sentence-encoding的baselines进行对比，结果如下：

表3：在MultiNLI数据集上的实验结果。

3.4 Semantic Relatedness

在语句相关性分析任务中的Sentences Involving Compositional Knowledge (SICK)数据集上，DiSAN与其他的方法对比如表4。

表4：在SICK数据集上的实验结果。报告的实验结果为5次运行的平均值（括号内为方差）。

3.5 Sentence Classifications

文章在以下四个Sentence Classification的benchmark数据集上做了实验：

1）CR:Customer review；

2）MPQA；

3）SUBJ:Subjectivity dataset；

4）TREC:TREC question-type classification dataset。

实验结果如表5。

表5：在不同的句子分类的benchmark上的实验结果。在CR，MPQA，和SUBJ报告的精度为10次交叉验证的平均结果；在TREC上报告的为5次平均的结果。（括号中的值为标准差）

3.6 Case Study

文章最后给出了case study分析，这里仅简要地把attention的热力图给出，具体地分析请参考原文的对应章节。

1. 前向与后向的Attention分数

图6：两个句子在前向/后向DiSA模块中的Attention概率值。

2. 融合门的值

图7：两个句子在前向/后向DiSA模块中Fusion Gate的值。

3. Source2token attention的每个维度的Attention分数

图8：两对同一单词在不同语境下的attention概率值的对比。其中，Pair 1 为 【The glass bottle is big；A man is pouring a glass of tea】，Pair 2为【The restaurant is about to close；A biker is close to the fountain】

▌4.后记

这篇文章详细地介绍了目前主流的Attention和self-attention的方法，并在前人的基础上提出了两种新的Attention方式，在NLP的句子向量化领域成功地超越了目前比较流行的RNN、CNN或者其他复杂的方法。文章的实验也比较饱满，提出的模型在8个benchmark数据集上达到了competitive的结构。

参考文献：https://arxiv.org/abs/1709.04696

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