機器閱讀理解Match-LSTM模型

由於 SQuAD 的答案限定於來自原文，模型只需要判斷原文中哪些詞是答案即可，因此是一種抽取式的 QA 任務而不是生成式任務。幾乎所有做 SQuAD 的模型都可以概括為同一種框架：Embed 層，Encode 層，Interaction 層和 Answer 層。Embed 層負責將原文和問題中的 tokens 對映為向量表示；Encode 層主要使用 RNN 來對原文和問題進行編碼，這樣編碼後每個 token 的向量表示就蘊含了上下文的語義資訊；Interaction 層是大多數研究工作聚焦的重點，該層主要負責捕捉問題和原文之間的互動關係，並輸出編碼了問題語義資訊的原文表示，即 query-aware 的原文表示；最後 Answer 層則基於 query-aware 的原文表示來預測答案範圍。圖1展示了一個高層的神經 QA 系統基本框架。

圖1 一個高層的神經 QA 系統基本框架

圖2展示了Match-LSTM模型架構圖。

圖2 Match-LSTM模型架構圖

在模型實現上，Match-LSTM 的主要步驟如下：

1. Embed 層使用詞向量表示原文和問題；
2. Encode 層使用單向 LSTM 編碼原文和問題 embedding；
3. Interaction層對原文中每個詞，計算其關於問題的注意力分佈，並使用該注意力分佈彙總問題表示，將原文該詞表示和對應問題表示輸入另一個 LSTM編碼，得到該詞的 query-aware 表示；
4. 在反方向重複步驟 2，獲得雙向 query-aware 表示；
5. Answer 層基於雙向 query-aware 表示使用 Sequence Model 或 Boundary Model預測答案範圍。

Match-LSTM模型的輸入由兩部分組成：段落（passage）和問題（question）。passage使用一個矩陣P[d * P]表示，其中d表示詞向量維度大小，P表示passage中tokens的個數；question使用矩陣Q[d * Q]表示，其中Q表示question中tokens的個數。

Match-LSTM模型的輸出即問題的答案有兩種表示方法，其一是使用一系列整數陣列a = (a1, a2,…)，其中ai是[1, P]中的一個整數，表示在段落中某個token具體的位置，這裡的整數陣列不一定是連續的，對應Sequence Model ；第二種表示方法是假設答案是段落中一段連續的token組合，即僅使用兩個整數來表示答案a = (as, ae)，as表示答案在段落中開始的位置，ae則表示結束位置，as和ae是[1, P]中的整數，對應Boundary Model 。

故對Match-LSTM模型的訓練集樣本來說，其可用下面的三維陣列來表示：

從圖2可知，一個基本的Match-LSTM模型應該包含以下三層結構：

1. LSTM preprocessing Layer：這層對passage和question進行預處理，得到其向量表示；
2. Match-LSTM Layer：這層試圖在passage中匹配question；
3. Answer Pointer(Ans-Ptr) Layer：使用Ptr-Net從passage中選取tokens作為question的answer， Sequence Model 和 Boundary Model的主要區別就在這一層。

LSTM preprocessing Layer

LSTM preprocessing Layer的目的是將token的上下文資訊包含到passage和question中的每個token的向量表示中。分別將passage和question輸入LSTM preprocessing Layer，經過LSTM preprocessing Layer後，passage和question表示如下矩陣：

Hp是passage的向量矩陣表示，其大小為[l * P]，l表示隱藏層的節點個數；Hq是question的向量矩陣表示，其大小為[l * Q]。

Match-LSTM Layer

將LSTM preprocessing Layer的輸出作為這一層的輸入，計算公式如下：

其中，，這些引數都是模型需要訓練的引數，是中間結果，表示第i-1個token的隱藏層輸出，表示在列方向擴充Q列。

對於Gi公式的維度變化：

[l Q] = [l l] [l Q] + ([l l] [l 1] + [l l] [l 1] + [l 1]) |Q|；

對於ai公式的維度變化：

[1 Q] = ([1 l] [l Q] + 1 * |Q|)。

ai表示在passage的第i個token對question的注意力權重向量。

將注意力權重向量與question向量的乘積和passage中第i個token的隱藏層輸出向量拼接成一維向量Zi，公式如下：

其中，向量維度分別為：

將向量Zi作為一個LSTM層的輸入，得到

其中，隱藏層向量維度為：

將P個該隱藏層向量拼接成，為了提取上下文資訊，反方向構建，將兩者拼接得到Match-LSTM Layer的輸出：

Answer Pointer Layer

將Match-LSTM Layer的輸出Hr作為這一層的輸入。

Match-LSTM 的 Answer Pointer Layer 層包含了兩種預測答案的模式，分別為 Sequence Model 和 Boundary Model。Sequence model提供的是一系列答案序列，但這些答案系列不一定在原文中是連續的；Boundary model是提供答案的開始與截止位置，在這兩個位置中間所有的字就都是答案。Sequence Model 將答案看做是一個整陣列成的序列，每個整數表示選中的 token 在原文中的位置，因此模型按順序產生一系列條件機率，每個條件機率表示基於上輪預測的 token 產生的下個 token 的位置機率，最後答案總機率等於所有條件機率的乘積。Boundary Model 簡化了整個預測答案的過程，只預測答案開始和答案結束位置，相比於 Sequence Model 極大地縮小了搜尋答案的空間，最後的實驗也顯示簡化的 Boundary Model 相比於複雜的 Sequence Model 效果更好，因此 Boundary Model 也成為後來的模型用來預測答案範圍的標配。

Sequence Model的答案定位計算公式如下：

k是[1, P+1]中某個值，當k=P+1時，表示答案迭代計算答案位置機率結束。

Boundary Model的答案定位計算公式如下：

模型引數設定如下：

• 隱藏層大小：150
• 最佳化方法：Adamax(β1 = 0.9，β2 = 0.999)
• minibatch：30
• 沒有用L2正則

實驗結果對比如圖3所示：

圖3 各模型實驗對比結果

[1] 目前（2017年）機器閱讀技術發展得如何？能達到什麼水平？有哪些應用？ [2017-05-22].

[2] Wang S, Jiang J. Machine Comprehension Using Match-LSTM and Answer Pointer[J]. 2016.