论文笔记--Multi-Passage Machine Reading Comprehension with Cross-Passage Answer Verification (V-Net)

Introduction

本文出自Baidu NLP Research，在MS MARCO的V1版本上是第二；V2版本上QA任务是第三，well-formed任务是第二。代码没公开，基本的思想就是提出两个辅助任务，辅助抽取更好的答案片段。

Motivation

这篇文章的动机很直接，文章对数据进行分析，提出一种假设：正确的答案往往在10个摘要中出现频率高，且具有很大的相似性；然后错误的答案通常和其他答案不一样。

Contribution

实现了一个端到端的模型，每篇文章抽取的片段之间相互监督，再算一个相似度作为验证模块，对片段的内容再做一个分析，应用多任务学习使得抽取的片段更好。

Model

下面对模型详细介绍，最主要的是Answer Content Modeling和Cross-Passage Answer Verification，其他的地方和其他模型大同小异。

Overview

整个模型是End-to-End的，输入是Question和Passages，输出是Answer，也就是抽取的span，所以说，这应该是抽取式模型里效果最好的了。

Question and Passage Modeling

把每一个token的Glove word embedding和character embedding串起来，然后过BiLSTM得到每一个sequence的表示，公式如下：

$$U_t^Q = BiLSTM_Q(u_{t-1}^Q,[e^Q_t,c^Q_t])$$ $$U_t^{P_i} = BiLSTM_P(u_{t-1}^{P_i},[e^{P_i}_t,c^{P_i}_t])$$

得到表示之后，采用BiDAF计算相似度的方式：$S_{t}^{P_i}={u^Q_t}\intercal \cdot u^{P_i}_t$，然后再喂给BiLSTM得到Matching之后的Passages表示$V_t^P$：

$$V_t^{P_i} = BiLSTM_Q(v_{t-1}^{P_i},S_{t}^{P_i})$$

Answer Boundary Prediction

该模块对每个Passage都抽取答案片段，具体的就是指针网络，输入是$V_t^P$，输出是span两端的概率，公式如下：

$$g_k^t = {w^a_1}\intercal tanh(W_2^a[V_t^P,h^a_{t-1}])$$ $$a_k^t=exp(g_k^t)/\sum\nolimits_{j=1}^{|p|}exp(g_k^j)$$ $$c_t=\sum\nolimits_{j=1}^{|p|}a_k^t V_t^P$$ $$h_a^t=LSTM(h_a^{t-1},c_t)$$

这部分的输出是片段起始位置和终止位置的$a_k^t$，对于指针网络的详细计算参见Match-LSTM。

Answer Content Modeling

该模块尝试对Passage的内容进行建模，也就是本文的动机：越正确的答案，出现频率越高，且具有很大的相似性；错误的答案通常和其他答案不一样。因此，输入是$V_t^P$，过ReLU和sigmoid函数，对每个passage的内容加一个门控，算出来的权重$p^c_k$：

$$p^c_k = sigmoid({W_1^c}\intercal ReLU(W_2^cV_t^P))$$

最后该模块会算一个综合考虑所有token的Passage表示（加权求和），增强了内容相似度分数更高的Passage表示，文中称之为Answer Content：

$$r^{A_i}=\frac{1}{P_i}\sum\nolimits_{k=1}^{|p_i|}p_k^c[e_k^{P_i},c_k^{P_i}]$$

然后将此用于计算下一部分的答案验证。

Cross-Passage Answer Verification

该模块输入每个passage的Answer Content，过Attention Pooling，综合考虑所有的passage，相互比较一下，最后用类似于Dual Attention的方式叠加，算出最终的得分：

$$s_{i,j}= \begin{cases} 0& \text{if i=j}\\ {r^{A_i}}\intercal \cdot r^{A_j}& \text{otherwise} \end{cases}$$ $$a_{i,j}=exp(s_{i,j})/\sum\nolimits_{k=1}^{n}exp(s_{i,k})$$ $$\tilde{r}^{A_i}=\sum\nolimits_{j=1}^{n}a_{i,j}{r}^{A_j}$$

得到attention权重化的答案内容的表示，和每一个篇章各自的答案内容做点积和串联操作，得到打分，归一化后就得到对每一个抽取的答案的概率分布$p^v_{y_i}$并输出，运算关系如下：

$$g_i^v={w^v}\intercal [r^{A_j},\tilde{r}^{A_i},r^{A_j}\odot\tilde{r}^{A_i}]$$ $$p^v_i=exp(g_{v,i})/\sum\nolimits_{j=1}^{n}exp(g_{v,j})$$

Training

模型的Loss由三部分组成，Model部分也介绍了每部分的输出，Multi-Loss如下：

$$L_{boundary}=-\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(log{\alpha}^1_{y_i^1}+log{\alpha}^2_{y_i^12})$$ $$L_{content}=-\frac{1}{N}\frac{1}{|P|}\sum_{i=1}^{N}\sum_{j=1}^{|P|}(y_k^clog{p}^c_k+(1-y_k^c)log(1-{p}^c_k))$$ $$L_{verity}=-\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}log{p}^v_{y_i^v}$$

综上：

$$L=L_{boundary}+\beta_1{L_{content}}+\beta_2{L_{verity}}$$

最后两项损失的系数在实验部分设置的是$0.5$，优化器使用的是Adam。

Experiment

在MAMARCO第一版上很接近人类水平，也就是说抽取式模型对数据集的处理就可以了，也从另一个方面说明有点违背了MARCO的本意，与其他模型的对比，评测指标是BLEU-1和ROUGE-L：

下图是在DuReader上的结果，中文的生成式阅读理解数据集，评测指标是BLEU-4和ROUGE-L：

Analysis

本文对自己提出的Answer Content和Verify部分进行了分析，发现综合打分的作用对一些case是有效果的，比如：

并且从下图也可以看出，span部分的Answer Content概率分布与起止位置的点很吻合：

去除实验部分，感觉都同等重要，就没有放上来。

Conclusion

通过分析，可以发现对抽出来的答案进行进一步的内容计算和验证，然后用Multi-Loss进行联合训练，是有助于抽取的片段更加准确，但是这仍不是MARCO的初衷，还是extrative MRC。因此，多任务学习还是适用性比较强的，未来MARCO的工作应该更多地向生成式发展。

References

1. Multi-Passage Machine Reading Comprehension with Cross-Passage Answer Verification. Yizhong Wang, Kai Liu, Jing Liu, Wei He, Yajuan Lyu, Hua Wu, Sujian Li and Haifeng Wang. ACL 2018.
2. MAMARCO leaderboard: http://www.msmarco.org/leaders.aspx
3. https://github.com/IndexFziQ/MSMARCO-MRC-Analysis.