论文阅读_自然语言模型加知识图谱_DKPLM

英文题目：DKPLM: Decomposable Knowledge-enhanced Pre-trained Language Model for Natural Language Understanding
中文题目：DKPLM:可分解的利用知识增强的预训练语言模型
论文地址：https://arxiv.org/abs/2112.01047
领域：自然语言处理, 知识图谱
发表时间：2021.12
作者：Taolin Zhang等，华东师范大学，阿里团队
出处：AAAI-2022
代码和数据：https://github.com/alibaba/EasyNLP（集成于EasyNLP）
阅读时间：2022.09.11

读后感

自然语言和知识图结合的一种新尝试，几种优化方法比较有意思。尤其是他对长尾信息的分析，很有启发性：即使在无监督学习的情况下，也要尽量使用重要的数据训练模型。另外，还给出了具体方法，比如实体出现频率高于均值，则忽略它…

介绍

加入知识增强的自然语言模型简称KEPLM，它将知识图中的三元组注入NLP模型，以提升模型对语言的理解能力。在模型使用时需要知识搜索和编码，运算量大。

本文提出可分解的知识增强名为DKPLM，具体方法是使用长尾实体作为知识注入的目标，还在训练时设计了重建知识三元组的知识解码任务。它只在预测训练时注入了知识，在精调模型和预测时用法与BERT一致，相对节省资源。如图-1所示：

在预训练时使用以下主要技术：

• 基于知识的长尾实体探测
• 利用知识图中三元组做成伪实体替换长尾实体训练模型，模型无需增加参数。
• 利用三元组中的关系，通过对实体及其谓词来解码对应实体中的每个token。

实验证明对于zero_shot任务，以及预测速度都有明显提升。

方法

整体架构如图-2所示：

长尾实体检测

通过对wiki数据分析可以看到实体出现的频率服从幂律分布，如图-3所示：

只有很少的实体高频出现，多数实体出现次数少，这使用自然语言模型难以从上下文中有效学习。之前论文提到注入高频三元组不总是有利于对下游任务，反而更容易注入负面知识。因此更好的方法是注入长尾实体，同时还需要考虑实体在知识图中和句中的重要性。具体考虑以下三点（图-2第二层右侧）：

• 实体频率：实体在预训练数据集中出现的频率，记作：Freq(e)。
• 语义重要性：实体在句中的重要性，记作：SI(e)。计算SI可以使用语义相似度，通过去掉句中的实体e后的编码hrep与原句编码ho比较，识别该实体的重要性。

• 知识连接：实体在知识图中多跳邻居的个数，记作：KC(e)。如下式所示，其中Rmax，Rmin是预定义的阈值，|N|表示邻居个数，Hop指跳数。

最终基于知识的长尾系数KLT计算如下：

其I{x}为布尔性的指示函数，当实体出现频率高于均值时，则忽略该实体。
（我理解是：在训练集中出现次数太多的去掉，在知识图中邻居太多的去掉，在句子里有它没它都一样的去掉）

伪Token嵌入的注入

为了提升模型对长尾实体的理解，将知识图中的关系代入模型训练。如果预测训练数据中出现了头实体eh，则用它相关的关系谓词和尾实体替换它的嵌入：

同理，如果出现尾实体，则用谓词加头实体来表示。
以替换头实体为例，对关系和尾实体编码：

其中F(e)是预训练模型PLM的输出，fsp是自注意力池化，LN是标准化层，W是模型参数。
由于尾实体和关系谓词通常都比较短，生成的表示可能是无效的，因此还加入了对头实体的描述文本记作e_h^des，使用预训练模型对其编码，最终的伪实体表示如下：

这里的⊕表示串联。通过上述方法，促进模型学习知识图中的三元组。

相关知识解码

为了更确定地让模型学习注入信息，又调整了解码层逻辑。在最后一层，利用自注意力池化获取跨实体的实体掩码表示。

用头实体本身通过上述方式生成表示h_eh^{o，再加入hr，目标是解码尾实体，用h_d}i表示预测尾实体的第i个token。

上式中δ是缩放因子，h_d^0等于h_eh_o作为初始的启发。

由于词表较大，使用采样的SoftMax来对比预测值与实际值。损差函数计算方法如下：

这里yi是实际token，yn是采样的负token，Q是负采样函数，N为负例个数。

训练目标包含两项任务：相关的知识解码和BERT自带掩码模型任务，最终损失函数计算如下：

实验

模型底层框架基于RoBERTa，使用英文Wikipedia作训练数据，知识图包含3085345个实体，822种关系。由于实体太多，使用PEPR算法选择负实体，并将N设为20，λ1最终取值为0.5。主实验结果如下：

从表-4可以看到，DKPLM速度明显优于其它知识注入模型：

从图-5的消融实验可以看到，三种优化方法各自的贡献：