之前沒認真打過煉丹的比賽，這次機緣巧合碰上了三個牛逼又靠譜的隊友，就堅持把這次比賽打完了。剛開始的時候沒想到這次能拿下第一，趁著剛答辯完就順帶把這次NLP賽道的方案開源出來，歡迎各位同學(xué)參考和討論。

賽題分析

賽題介紹

這次的比賽由NLP和推薦兩部分組成，推薦的特征工程實在是做不明白，這次主要還是做NLP的部分。

抄一下官網(wǎng)的NLP賽題介紹：面向?qū)嶓w對象的文本描述情感極性及色彩強度分析。情感極性和強度分為五種情況：極正向、正向、中立、負向、極負向。選手需要針對給定的每一個實體對象，從文本描述的角度，分析出對該實體的情感極性和強度。

NLP任務(wù)的評價指標為macro-F1，在計算準確和召回的時候，是按照分析的實體數(shù)進行計數(shù)的，而非樣本數(shù)。

拿一條數(shù)據(jù)來舉例子（截取部分文本）：

{ "content": "離婚之后的林慶昆本以為會有一番更大的天地，沒想到離開了吳敏自己什么都不是......", "entity": {"吳敏": 1, "林慶昆": -1} }

這條數(shù)據(jù)里有一段文本和兩個實體，需要預(yù)測出這兩個實體在文本中的情感極性，情感標簽為-2, -1, 0, 1, 2五個。

簡單分析可以知道這題可以定義為Aspect-level Sentiment Classification。

數(shù)據(jù)分析

在正式建模之前需要進行一些簡單的數(shù)據(jù)分析來挖掘賽題的特點。在這里截取一張和隊友一起做的PPT的圖：

數(shù)據(jù)分析

我們對數(shù)據(jù)中的文本長度、實體數(shù)量和標簽分布進行了簡單的分析，這提示我們：

有部分文本長度超過BERT的512最大長度，或許可以考慮長文本處理的常用技巧；

實體的情感標簽分布不平衡，最少的類只有2%左右，或許可以考慮不平衡分類問題的技巧。

但實驗證明上面這些考慮最后都只會成為掉分點，具體的思考在后文論述。

模型構(gòu)建

Baseline

官方公布了賽題的Baseline，NLP賽道的Baseline大致是如下思路：將一段文本和文本中的一個實體拼成一條數(shù)據(jù)，一段文本對應(yīng)N個實體就會有N條數(shù)據(jù)。將一條數(shù)據(jù)輸入BERT-based分類器后輸出一個實體。

仍然以上一節(jié)的case為例，按Baseline的做法這條數(shù)據(jù)會被拆成兩條數(shù)據(jù)輸入到BERT：

[CLS] 吳敏 [SEP] 離婚之后的林慶昆本以為會有一番更大的天地，沒想到離開了吳敏自己什么都不是... [SEP] [CLS] 林慶昆 [SEP] 離婚之后的林慶昆本以為會有一番更大的天地，沒想到離開了吳敏自己什么都不是... [SEP]

然后以BERT輸出的[CLS]位置的語義向量通過MLP分類器得到情感極性。

實際上我想思路的時候我還沒看到Baseline，看到Baseline的做法之后我就搖頭。

這里再截一張PPT的圖說明Baseline有什么問題：

就是說，一方面預(yù)期效果不好，因為Baseline構(gòu)造數(shù)據(jù)的方式使分布發(fā)生了變化（有一個實體的文本模型會看它一次，有30個實體的文本模型就會看它30次，但是這點也存疑，因為答辯過程中有選手表示發(fā)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的leak，后續(xù)的方法可能是使用了這個leak所以效果才會好的）；另一方面把一段文本復(fù)制了好多遍顯然會導(dǎo)致效率大大下降；還有一點在PPT里沒說的是沒有考慮到實體之間可能存在的潛在關(guān)系。

設(shè)計思路

再從PPT里截一張圖：

在做這題的時候我就會思考如何做得優(yōu)雅，最好方法是simple yet effective的。最好就是使用以預(yù)訓(xùn)練BERT為backbone的分類器，不對模型結(jié)構(gòu)做太大修改，而且還要能在一次輸入之內(nèi)就并行分類所有實體。

除了BERT還考慮使用XLNet，因為XLNet使用了相對位置編碼，可以原生支持超長文本的輸入，而且XLNet的Tokenizer是字詞結(jié)合的，可以適應(yīng)本次比賽文本長度較長的情況。

模型架構(gòu)

大概想了不到一個小時，想到了如下的方案：

如圖所示，模型的整體架構(gòu)就是一個普通的分類模型，在預(yù)訓(xùn)練的BERT或XLNet模型基礎(chǔ)上增加了簡單的MLP分類器。這個思路的要點在于改變數(shù)據(jù)輸入的方式，利用BERT和XLNet作為Masked Language Model的性質(zhì)，以[SEP]符號為界，第一段為文本輸入，第二段按順序輸入所有實體，實體之間以[MASK]進行分隔，這個[MASK]標簽通過BERT Encoder得到的語義向量就代表對應(yīng)實體的情感極性。將所有[MASK]位置的語義向量通過分類器即可并行對所有的實體進行分類。

這套思路不加Trick的情況下線上F1就可以到69+，讓我在比賽前期就能超過大部分使用Baseline的團隊。

另外根據(jù)線下指標推測最終Accuracy在90+，說明這題訓(xùn)練和測試集基本上同分布。

一些補充的思考

要說這個方法為什么會有用，我一開始推測是因為考慮了實體之間的潛在關(guān)系，而且對數(shù)據(jù)分布的假設(shè)更加合理。

后來決賽答辯的時候聽到有選手提到這個數(shù)據(jù)存在leak，也就是在數(shù)據(jù)中標簽非0的實體會被排在前面，標簽為0的實體會被排在后面。我突然就覺得這可能就是這個方法提升巨大的真正原因，用了這個方法之后，相當(dāng)于模型從中學(xué)到了一個bias，就是靠近文本末尾的實體，標簽為0的可能性更大。

另外，在比賽中期，“靈境”組在討論區(qū)公開了一個方案，我們發(fā)現(xiàn)該方案的核心思路和我們不謀而合。在該方案公開后很多隊伍的分數(shù)都追上來了，在決賽答辯過程中我也發(fā)現(xiàn)很多高分團隊都搬運了這套方案。公開的方案和我們做法基本一致，不過使用了一個含有MLM的全套BERT類模型，第二段文本（在該方案中被稱為Prompt）的形式為：“在這句話中，<實體1>是[MASK]，<實體2>是[MASK]......”，然后MLM頭輸出詞表大小維度（21128）的向量，取五個Token作為Verbalizer（壞、差、平、行、好），分別對應(yīng)五個情感極性標簽，忽略其他的Token。

然而，這套方案和我們的做法還存在一定差別，這也是我認為該方案在這個任務(wù)上存在的一些問題：

我們不稱輸入的第二段文本為"Prompt"，因為這容易和Prompt Tuning概念中的Prompt混淆。該任務(wù)并不適合Prompt Tuning范式，而仍然是采用普通的對全模型進行參數(shù)更新的Full Tuning范式。因此在該題中，“Prompt”的形式如何并不重要，增加一些沒什么用的詞反而會擠占第一段文本的輸入長度。

該方案使用了BERT的MLM頭進行分類，21128維的詞表中只有五個Token映射到有效標簽，其余Token都被忽略。這和我們的方案在結(jié)構(gòu)上基本等價，唯一的區(qū)別是該方案有MLM頭的參數(shù)初始化而我們的分類層為隨機初始化，這個區(qū)別是否會帶來性能提升不知道，但是直觀的是模型增加了至少768*21123=16M（或者1024*21123=22M）的無用參數(shù)量，在題目有模型總大小限制的情況下這意味著可以融合的模型變少了。

模型優(yōu)化

針對上述提出的模型，我們進行了很多優(yōu)化嘗試，下面主要討論上分較多的技巧，沒什么用的東西就在最后放一小節(jié)補充說明。很多優(yōu)化技巧都會導(dǎo)致訓(xùn)練或測試階段時空開銷大大提升，比賽時還是應(yīng)該視情況使用。

線下數(shù)據(jù)劃分方式

隊友發(fā)現(xiàn)，初賽階段使用前90%數(shù)據(jù)訓(xùn)練，后10%驗證，可以取得最好的線上效果，隨機10%效果會變差一些，增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)也不能使效果變好。復(fù)賽階段使用了同樣的數(shù)據(jù)劃分方式。

對抗訓(xùn)練（FGM）

在各類文本分類任務(wù)中，常用的提升NLP模型訓(xùn)練魯棒性和泛化能力的有效方法。簡單來說是在Embedding層的參數(shù)有一定程度擾動時也盡量保證模型能分類正確。事后估計初賽線上提升1%左右。

參考了這篇知乎文章的實現(xiàn)方法：Nicolas：【煉丹技巧】功守道：NLP中的對抗訓(xùn)練 + PyTorch實現(xiàn)

模型平均 （SWA）

對訓(xùn)練過程中的多個checkpoint進行權(quán)重平均，或許可以有助于模型收斂到loss landscape平坦區(qū)域的中心，提升模型的泛化能力。具體而言，我們在驗證指標的最高點開始，將這一輪和到Early Stopping之前的各輪驗證時，驗證指標與最高點差值小于一定值的模型權(quán)重放進來平均。事后估計初賽線上提升1%左右。

模型融合

沒什么好說的，幾個模型預(yù)測的logits平均得到最終結(jié)果。值得注意的是這題有2G的模型總大小限制，因此我們需要考慮融合模型的異構(gòu)度不能盲目做K折，最后融合了2個稍微異構(gòu)的XLNet-Mid + 1個MacBERT-Large + 1個RoBERTa-Large，全部保存為FP16格式，模型文件總大小2043M正好小于2G。估計初賽提升大約1%，復(fù)賽提升大約2%。

偽標簽

在模型融合的基礎(chǔ)上，使用融合模型預(yù)測的測試集標簽作為偽標簽，將測試集數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練集中再次訓(xùn)練模型。在復(fù)賽中，我們?yōu)榱吮苊舛嗄Ｐ驮跍y試集上的預(yù)測結(jié)果失去異構(gòu)性，我們沒有把全部測試數(shù)據(jù)都加入訓(xùn)練集，而是四個模型預(yù)測結(jié)果投票，大于等于三個模型預(yù)測一致的數(shù)據(jù)才會被加入訓(xùn)練集。這個訓(xùn)練集會重新被用于訓(xùn)練四個模型，然后重新進行融合。復(fù)賽在模型融合基礎(chǔ)上還有1%左右的提升。

復(fù)賽數(shù)據(jù)適配

如圖所示。在復(fù)賽開始的時候，起初我們使用初賽訓(xùn)練集+復(fù)賽訓(xùn)練集的全量訓(xùn)練數(shù)據(jù)對模型進行訓(xùn)練，結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果不好。后來發(fā)現(xiàn)復(fù)賽數(shù)據(jù)相比初賽數(shù)據(jù)的分布可能發(fā)生了較大的偏移，因此我們考慮用初賽訓(xùn)練好的模型的權(quán)重來對模型進行初始化，然后只在復(fù)賽數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練。相比全量數(shù)據(jù)訓(xùn)練提升近3%，驗證了我們的猜想。

沒什么用的

R-Drop：在有了FGM，SWA等東西的情況下沒有什么提升，而且還慢。

PGD：慢而且相比FGM沒什么提升。

EMA：有了SWA之后也顯得沒用。

數(shù)據(jù)增強：嘗試了EDA和AEDA，本來以為會有用實際上沒用。

長文本處理：估計是沒有什么用，某次偶然發(fā)現(xiàn)設(shè)置最大長度512的XLNet和最大長度800的XLNet相比效果基本沒有差別，用MacBERT和RoBERTa訓(xùn)的模型和XLNet比效果也相差不大。推測可能是因為前半段文本的信息量已經(jīng)足夠?qū)^大多數(shù)實體正確分類了。

標簽不平衡處理：嘗試過Focal Loss和類別重加權(quán)，也沒有什么用。猜測可能是因為數(shù)據(jù)中2和-2的數(shù)據(jù)量也相對充足（各有幾千個實體），在普通Cross Entropy下充分學(xué)習(xí)也可以對這些類大部分樣本正確分類了，而修改Loss反而會扭曲模型學(xué)習(xí)到的分布，對于訓(xùn)練和測試同分布的情況下反而不利。

評測結(jié)果

初賽、復(fù)賽和決賽評測均為NLP賽道第一。

審核編輯 ：李倩