赛题介绍

一、赛事背景

问答系统中包括三个主要的部分：问题理解，信息检索和答案抽取。而问题理解是问答系统的第一部分也是非常关键的一部分。问题理解有非常广泛的应用，如重复评论识别、相似问题识别等。

重复问题检测是一个常见的文本挖掘任务，在很多实际问答社区都有相应的应用。重复问题检测可以方便进行问题的答案聚合，以及问题答案推荐，自动QA等。由于中文词语的多样性和灵活性，本赛题需要选手构建一个重复问题识别算法。

二、赛事任务

本次赛题希望参赛选手对两个问题完成相似度打分。比赛链接

训练集：约5千条问题对和标签。若两个问题是相同的问题，标签为1；否则为0。

测试集：约5千条问题对，需要选手预测标签。

三、数据说明

训练集给定问题对和标签，使用\t进行分隔。测试集给定问题对，使用\t进行分隔。

eg：世界上什么东西最恐怖 世界上最恐怖的东西是什么？ 1

解析：“世界上什么东西最恐怖”与”世界上最恐怖的东西是什么“问题相同，故是重复问题，标签为1。

四、评估指标

本次竞赛的评价标准采用准确率指标，最高分为1。计算方法参考https://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.metrics.accuracy_score.html，
评估代码参考：
from sklearn.metrics import accuracy_score
y_pred = [0, 2, 1, 3]
y_true = [0, 1, 2, 3]
accuracy_score(y_true, y_pred)

ERNIE-Gram介绍

ERNIE模型是多层transformer结构的堆叠，transformer首先对输入的token进行位置编码，经过注意力机制与残差链接进行归一化，再经过多层前馈神经网络得到最终的embedding

ERNIE是对BERT的改进模型，ERNIE相比BERT模型最大的区别在于BERT是基于Token做的掩码，而ERNIE是基于词做的掩码，相当于提供了更多的先验知识，做了知识增强

模型构建

安装paddlenlp

# 安装最新版本的 paddlenlp
!pip install --upgrade paddlenlp -i https://pypi.org/simple

导入类库

import time
import os
import numpy as np
import paddle
import paddle.nn.functional as F
from paddlenlp.datasets import load_dataset
from paddlenlp.datasets import MapDataset
import paddlenlp
import pandas as pd
from paddle.io import Dataset
from sklearn.model_selection import train_test_split

定义数据类

由于训练数据量较大，通常会将数据分成小的batch喂给神经网络学习，paddle对应的api分别是paddle.io.Dataset与paddle.io.DataLoader。
构造自定义数据类步骤：

• 定义类函数，继承paddle.io.Dataset类
• 实现__init__函数
• 实现__getitem__方法
• 实现__len__方法
  对于自定义的数据集，可以在数据集的构造函数中进行数据增强方法的定义，之后对 getitem 中返回的数据进行应用，就可以完成自定义数据增强。

class MyDataset(Dataset):
    """
    构造自己的数据类，配合后面的Dataloader使用
    """
    def __init__(self, data, mode='train'):
        super(MyDataset, self).__init__()
        self.mode = mode
        self.data = self._load_data(data)

    # 改造数据集 将dataframe格式数据转换为[{},{}]形式数据
    def _load_data(self, data):
        data_set = []
        for index, row in data.iterrows():
            data_dict = {}
            data_dict['query'] = row['query']
            data_dict['title'] = row['title']
            if self.mode == 'train':
                data_dict['label'] = row['label']
            data_set.append(data_dict)
        return data_set

    def __getitem__(self, idx):
        return self.data[idx]

    def __len__(self):
        return len(self.data)   

数据导入与处理

train = pd.read_csv('/home/aistudio/data/data102337/train.csv',sep='\t', names=['query', 'title','label'])
x_train,x_dev = train_test_split(train,test_size=0.1, stratify=train['label'].iloc[:])

x_train.shape

train_ds = MapDataset(MyDataset(x_train))
dev_ds = MapDataset(MyDataset(x_dev))

# 输出训练集的前 3 条样本
for idx, example in enumerate(train_ds):
    if idx <= 3:
        print(example)

# 将 1 条明文数据的 query、title 拼接起来，根据预训练模型的 tokenizer 将明文转换为 ID 数据
# 返回 input_ids 和 token_type_ids

def convert_example(example, tokenizer, max_seq_length=512, is_test=False):

    query, title = example["query"], example["title"]

    encoded_inputs = tokenizer(
        text=query, text_pair=title, max_seq_len=max_seq_length)

    input_ids = encoded_inputs["input_ids"]
    token_type_ids = encoded_inputs["token_type_ids"]

    if not is_test:
        label = np.array([example["label"]], dtype="int64")
        return input_ids, token_type_ids, label
    # 在预测或者评估阶段，不返回 label 字段
    else:
        return input_ids, token_type_ids

# 为了后续方便使用，我们使用python偏函数（partial）给 convert_example 赋予一些默认参数
from functools import partial

# 训练集和验证集的样本转换函数，后续直接使用map生成每一行的input_id和token_type_id
trans_func = partial(
    convert_example,
    tokenizer=tokenizer,
    max_seq_length=512)

# 我们的训练数据会返回 input_ids, token_type_ids, labels 3 个字段，对数据pad组合
# 因此针对这 3 个字段需要分别定义 3 个组 batch 操作
from paddlenlp.data import Stack, Pad, Tuple
batchify_fn = lambda samples, fn=Tuple(
    Pad(axis=0, pad_val=tokenizer.pad_token_id),  # input_ids
    Pad(axis=0, pad_val=tokenizer.pad_token_type_id),  # token_type_ids
    Stack(dtype="int64")  # label
): [data for data in fn(samples)]

# 定义分布式 Sampler: 自动对训练数据进行切分，支持多卡并行训练
batch_sampler = paddle.io.DistributedBatchSampler(train_ds, batch_size=32, shuffle=True)

# 基于 train_ds 定义 train_data_loader
# 因为我们使用了分布式的 DistributedBatchSampler, train_data_loader 会自动对训练数据进行切分
train_data_loader = paddle.io.DataLoader(
        dataset=train_ds.map(trans_func),
        batch_sampler=batch_sampler,
        collate_fn=batchify_fn,
        return_list=True)

# 针对验证集数据加载，我们使用单卡进行评估，所以采用 paddle.io.BatchSampler 即可
# 定义 dev_data_loader
batch_sampler = paddle.io.BatchSampler(dev_ds, batch_size=32, shuffle=False)
dev_data_loader = paddle.io.DataLoader(
        dataset=dev_ds.map(trans_func),
        batch_sampler=batch_sampler,
        collate_fn=batchify_fn,
        return_list=True)

加载预训练模型tokenizer

# 因为是基于预训练模型 ERNIE-Gram 来进行，所以需要首先加载 ERNIE-Gram 的 tokenizer，其他预训练模型可以参考https://github.com/PaddlePaddle/PaddleNLP/blob/develop/docs/model_zoo/transformers.rst
# 后续样本转换函数基于 tokenizer 对文本进行切分
tokenizer = paddlenlp.transformers.ErnieGramTokenizer.from_pretrained('ernie-gram-zh')

定义模型类

import paddle.nn as nn

# 我们基于 ERNIE-Gram 模型结构搭建 Point-wise 语义匹配网络
# 所以此处先定义 ERNIE-Gram 的 pretrained_model
pretrained_model = paddlenlp.transformers.ErnieGramModel.from_pretrained('ernie-gram-zh')
#pretrained_model = paddlenlp.transformers.ErnieModel.from_pretrained('ernie-1.0')


class PointwiseMatching(nn.Layer):
   
    # 此处的 pretained_model 在本例中会被 ERNIE-Gram 预训练模型初始化
    def __init__(self, pretrained_model, dropout=None):
        super().__init__()
        self.ptm = pretrained_model
        self.dropout = nn.Dropout(dropout if dropout is not None else 0.1)

        # 语义匹配任务: 相似、不相似 2 分类任务
        self.classifier = nn.Linear(self.ptm.config["hidden_size"], 2)

    def forward(self,
                input_ids,
                token_type_ids=None,
                position_ids=None,
                attention_mask=None):

        # 此处的 Input_ids 由两条文本的 token ids 拼接而成
        # token_type_ids 表示两段文本的类型编码
        # 返回的 cls_embedding 就表示这两段文本经过模型的计算之后而得到的语义表示向量
        _, cls_embedding = self.ptm(input_ids, token_type_ids, position_ids,
                                    attention_mask)

        cls_embedding = self.dropout(cls_embedding)

        # 基于文本对的语义表示向量进行 2 分类任务
        logits = self.classifier(cls_embedding)
        probs = F.softmax(logits)

        return probs

# 定义 Point-wise 语义匹配网络
model = PointwiseMatching(pretrained_model)

定义优化参数与评价函数

from paddlenlp.transformers import LinearDecayWithWarmup

epochs = 30
num_training_steps = len(train_data_loader) * epochs

# 定义 learning_rate_scheduler，负责在训练过程中对 lr 进行调度
lr_scheduler = LinearDecayWithWarmup(5E-5, num_training_steps, 0.0)

# Generate parameter names needed to perform weight decay.
# All bias and LayerNorm parameters are excluded.
decay_params = [
    p.name for n, p in model.named_parameters()
    if not any(nd in n for nd in ["bias", "norm"])
]

# 定义 Optimizer
optimizer = paddle.optimizer.AdamW(
    learning_rate=lr_scheduler,
    parameters=model.parameters(),
    weight_decay=0.0,
    apply_decay_param_fun=lambda x: x in decay_params)

# 采用交叉熵 损失函数
criterion = paddle.nn.loss.CrossEntropyLoss()

# 评估的时候采用准确率指标
metric = paddle.metric.Accuracy()

# 因为训练过程中同时要在验证集进行模型评估，因此我们先定义评估函数

@paddle.no_grad()
def evaluate(model, criterion, metric, data_loader, phase="dev"):
    model.eval()
    metric.reset()
    losses = []
    for batch in data_loader:
        input_ids, token_type_ids, labels = batch
        probs = model(input_ids=input_ids, token_type_ids=token_type_ids)
        loss = criterion(probs, labels)
        losses.append(loss.numpy())
        correct = metric.compute(probs, labels)
        metric.update(correct)
        accu = metric.accumulate()
    print("eval {} loss: {:.5}, accu: {:.5}".format(phase,
                                                    np.mean(losses), accu))
    model.train()
    metric.reset()

# 接下来，开始正式训练模型，训练时间较长，可注释掉这部分

global_step = 0
tic_train = time.time()

for epoch in range(1, epochs + 1):
    for step, batch in enumerate(train_data_loader, start=1):

        input_ids, token_type_ids, labels = batch
        probs = model(input_ids=input_ids, token_type_ids=token_type_ids)
        loss = criterion(probs, labels)
        correct = metric.compute(probs, labels)
        metric.update(correct)
        acc = metric.accumulate()

        global_step += 1
        
        # 每间隔 10 step 输出训练指标
        if global_step % 10 == 0:
            print(
                "global step %d, epoch: %d, batch: %d, loss: %.5f, accu: %.5f, speed: %.2f step/s"
                % (global_step, epoch, step, loss, acc,
                    10 / (time.time() - tic_train)))
            tic_train = time.time()
        loss.backward()
        optimizer.step()
        lr_scheduler.step()
        optimizer.clear_grad()

        # 每间隔 100 step 在验证集和测试集上进行评估
        if global_step % 100 == 0:
            evaluate(model, criterion, metric, dev_data_loader, "dev")
            
# 训练结束后，存储模型参数
save_dir = os.path.join("checkpoint", "model_%d" % global_step)
os.makedirs(save_dir)

save_param_path = os.path.join(save_dir, 'model_state.pdparams')
paddle.save(model.state_dict(), save_param_path)
tokenizer.save_pretrained(save_dir)

# 定义预测函数
def predict(model, data_loader):
    
    batch_probs = []

    # 预测阶段打开 eval 模式，模型中的 dropout 等操作会关掉
    model.eval()
    with paddle.no_grad():
        for batch_data in data_loader:
            input_ids, token_type_ids = batch_data
            input_ids = paddle.to_tensor(input_ids)
            token_type_ids = paddle.to_tensor(token_type_ids)
            
            # 获取每个样本的预测概率: [batch_size, 2] 的矩阵
            batch_prob = model(
                input_ids=input_ids, token_type_ids=token_type_ids).numpy()

            batch_probs.append(batch_prob)
        batch_probs = np.concatenate(batch_probs, axis=0)

        return batch_probs

## 定义数据dataloader
# 预测数据的转换函数
# predict 数据没有 label, 因此 convert_exmaple 的 is_test 参数设为 True
trans_func = partial(
    convert_example,
    tokenizer=tokenizer,
    max_seq_length=512,
    is_test=True)

# 预测数据的组 batch 操作
# predict 数据只返回 input_ids 和 token_type_ids，因此只需要 2 个 Pad 对象作为 batchify_fn
batchify_fn = lambda samples, fn=Tuple(
    Pad(axis=0, pad_val=tokenizer.pad_token_id),  # input_ids
    Pad(axis=0, pad_val=tokenizer.pad_token_type_id),  # segment_ids
): [data for data in fn(samples)]

# 加载预测数据
test = pd.read_csv('/home/aistudio/data/data102337/test.csv',sep='\t', names=['query', 'title'])
test_ds = MapDataset(MyDataset(test,mode='test'))

batch_sampler = paddle.io.BatchSampler(test_ds, batch_size=32, shuffle=False)

# 生成预测数据 data_loader
predict_data_loader =paddle.io.DataLoader(
        dataset=test_ds.map(trans_func),
        batch_sampler=batch_sampler,
        collate_fn=batchify_fn,
        return_list=True)

save_param_path

通过保存参数加载模型并预测

#定义模型
pretrained_model = paddlenlp.transformers.ErnieGramModel.from_pretrained('ernie-gram-zh')

model = PointwiseMatching(pretrained_model)


state_dict = paddle.load(save_param_path)
model.set_dict(state_dict)

# 执行预测函数
y_probs = predict(model, predict_data_loader)

# 根据预测概率获取预测 label
y_preds = np.argmax(y_probs, axis=1)

y_preds

# 保存结果文件
res = pd.DataFrame({'label':y_preds})
dle.load(save_param_path)
model.set_dict(state_dict)

# 执行预测函数
y_probs = predict(model, predict_data_loader)

# 根据预测概率获取预测 label
y_preds = np.argmax(y_probs, axis=1)

y_preds

# 保存结果文件
res = pd.DataFrame({'label':y_preds})
res.to_csv('./baseline.csv',index=False)

结果提交

后续改进

• 更换其他的预训练模型
• 模型融合
• 参数调优