聊聊chatbot那些事

1. 生活中的chatbot

现在社会，随着AI的迅猛发展，各种新技术层出不穷，大大改变了我们的生活，其中，有很多技术已经走入了我们的日常生活，比如CV领域的人脸识别，NLP 领域的智能助手等。本次，我们就来聊聊智能助手中会涉及到的技术，也就是chatbot。

chatbot，其实是有很多分类的，目前，最常见的是把它分为一下几类：

Chit-Chat-oriented Dialogue Systems：闲聊型对话机器人，产生有意义且丰富的回复。
Task-oriented：任务驱动类，我们日常生活中常用的智能助手就是这类。

这两类其实技术方面是互通的。虽然深度学习以及强化学习等技术发展迅速，不过，在目前的智能助手中，占据主要地位的还是基于规则的，智能助手对话经过预定义的规则（关键词、if-else、机器学习方法等）处理，然后执行相应的操作，产生回复。这种方式虽然生成的对话质量较高，不过，缺点是规则的定义，系统越复杂规则也越多，而且其无法理解人类语言，也无法生成有意义的自然语言对话。处在比较浅层的阶段（最重要的是，这种方式并不好玩！！！），而基于生成式的chatbot，则可以生成更加丰富、有意义、特别的对话响应。但是，该类bot存在许多问题，比如沉闷的回应、agent没有一个固定的风格、多轮对话等等。不过，尽管有问题，后续还是可以提高的嘛，对于我们AI工程师来说，我们还是希望能运用上我们掌握技术，去做一个生成式的chatbot，这样，才有成就感啊。

2. 基于seq2seq的chatbot

图1 seq2seq结构

seq2seq应该是序列到序列模型中最经典的了，基础的seq2seq模型包含了三个部分，即Encoder、Decoder以及连接两者的中间状态向量，Encoder通过学习输入，将其编码成一个固定大小的状态向量S，继而将S传给Decoder，Decoder再通过对状态向量S的学习来进行输出。

seq2seq的两个基本结构都是一类rnn单元，而rnn天然适合变长序列任务，不过，最初的rnn饱受梯度弥散的困扰，因而，后续发展出的rnn通过状态的引入来减缓了这种现象，目前，最常用的rnn结构便是lstm以及gru。

3. 基于attention-seq2seq的chatbot

近年来，深度学习中的Attention机制的引入，提高了各种模型的成功率，在sota的模型中，Attention仍然是无处不在的组成部分。因此，非常有必要关注Attention机制。不过，在这篇文章中，我们主要关注两种最经典的attention结构，即：

Bahdanau Attention
Luone Attention

这两种attention虽然年代久远，不过，对于我们理解attention的作用还是很有裨益的。

3.1 attention为何物？

当我们看到 "Attention "这个词时，脑海里想到的意思便是将你的注意力引导到某件事情上，并给予更大的注意。而深度学习中的Attention机制就是基于这种引导你的注意力的概念，它在处理数据时，会对某些因素给予更大的关注。

广义来讲，attention是网络结构的一个部件，它负责管理和量化下面两种相互依赖关系：

输入与输出元素之间，即General Attention
输入元素之间，即Self-Attention

attention为何有效呢？回到图1，我们知道seq2seq的encoder是把整个句子压缩成了一个高维向量，而句子是变化多端的，一个长句子被压缩一个向量，会存在比较大的信息缺失现象，更合理的做法是，针对句子层面以及单词层面同时考量，这样能大大缓解这种信息缺失，提高模型的效果，举个例子来说，在做机器翻译的时候，输入句子为：“chatbot is interesting！”，翻译结果为“聊天机器人很有趣", 那么，在翻译“聊天机器人”这个单词的时候，就会对“chatbot”这个单词给予更大的关注，从而提高了翻译的准确性。

3.2 Bahdanau Attention

这个attention提出于2014年，就今天来说是个相当古老的模型了，不过，也因为它早，所以显出其经典性。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-lzKIidZY-1632883561244)(https://blog.floydhub.com/content/images/2019/09/Slide38.JPG)]

图2 Bahdanau Attention

这种Attention，通常被称为Additive Attention。该Attention的提出旨在通过将解码器与相关输入句子对齐，并实现Attention，来改进机器翻译中的序列到序列模型。论文中应用Attention的整个步骤如图：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QEZqvyWA-1632883561246)(https://blog.floydhub.com/content/images/2019/09/Slide50.JPG)]

当时的经典模型，随着时间的流逝，看起来也不在多高大上了，不得不感叹技术的发展啊！

3.3 Luong Attention

该类Attention通常被称为 Multiplicative Attention，是建立在Bahdanau提出的注意机制之上。Luong Attention和Bahdanau Attention的两个主要区别在于：

对齐得分的计算方式
attention机制被引入decoder的位置

这两种Attention的score的计算方式如下：

Bahdanau Attention：

$scorealignment=Wcombined⋅tanh(Wdecoder⋅Hdecoder+Wencoder⋅Hencoder)score_{alignment} = W_{combined} \cdot tanh(W_{decoder} \cdot H_{decoder} + W_{encoder} \cdot H_{encoder})$

Luong Attention：

dot

$scorealignment=Hencoder⋅Hdecoderscore_{alignment} = H_{encoder} \cdot H_{decoder}$
general

$scorealignment=W(Hencoder⋅Hdecoder)score_{alignment} = W(H_{encoder} \cdot H_{decoder})$
concat

$scorealignment=W⋅tanh(Wcombined(Hencoder；Hdecoder))score_{alignment} = W \cdot tanh(W_{combined}(H_{encoder}； H_{decoder}))$

4. 来做一个自己的chatbot吧！

讲了那么多无聊的理论，是时候展示一些真正的技术了，毕竟，talk is cheap嘛，现在，让我们开始自己的表演！

4.1 数据集

万里之行，始于足下。要想有个比较好的bot，语料是必不可少的，现在有很多开源的chatbot数据集，其质量也有好有坏，要注意甄别。因为我想做个能自然对话的机器人，所以我选择了传闻中的小黄鸡数据集，不过其数据量很大，大约有45w个对话的样子，这么大的量级下，要训练出一个收敛的效果，除非你的计算资源非常强大，要不然会很费时，所以，为了简便起见，我从中抽取了4w条对话用来做训练，在双gpu 24G显存下，设置batch size为400，一个晚上基本可以跑完。

4.2 评价指标

所谓模型好不好，用指标说话，不过，在chatbot领域，这个就比较尴尬，因为chatbot领域不存在很适用的评价指标，这是因为chatbot的聊天内容是很开放的，对于一个query，可能存在非常多的合适的answer，而且，这种多变的answer也是我们希望的，这样显得我们的模型有非常好的多样性。目前，chatbot常用的指标多是从机器翻译，摘要生成等领域提出来的，其常用的指标为PPL（至少我是这样的…)

不过，指标虽多，并没有一个可以很好的解决对话系统的问题，就像“How NOT To Evaluate Your Dialogue System”论文中说到的那样，当下的这些评价指标都跟人工评价成弱相关或者完全没有关系，相关程度跟具体的数据集有关。所以，要想知道chatbot究竟好不好，最终是离不开人工评价的，这也是为何目前的成熟的智能助手都是基于规则的原因。

4.3 模型搞起

聊完了数据集和评价指标，就到了激动人心的时刻，让我们开始搭建我们的模型吧。

1）数据预处理

预处理属于流程化的东西，所幸也有流程化的包，我们这里采用torchtext包来处理数据：

# 设置field，用来负责处理指定列的文本数据
SRC_TEXT = Field(sequential=True, init_token=SOS_TOKEN, eos_token=EOS_TOKEN, tokenize=tokenize,include_lengths=True)# src和target使用同样的field，因为它们处理的都是中文文本，如果是翻译任务则需要针对不同的语言构造不同的field
train_data, val_data = TabularDataset.splits(path='./datasets/', train='small_train.tsv',validation='demo.tsv', format='tsv',skip_header=True,fields=[('src', SRC_TEXT), ('target', SRC_TEXT)])# SRC_TEXT会用它负责的列的文本构造词典，上面就是用src和target列
SRC_TEXT.build_vocab(train_data)

2）encoder构造

没啥说的，注意pack_padded_sequence的使用。

class EncoderRNN(nn.Module):def __init__(self, input_size, hidden_size, n_layers=1, dropout=0.1):super(EncoderRNN, self).__init__()self.input_size = input_sizeself.hidden_size = hidden_sizeself.n_layers = n_layersself.dropout = dropoutself.embedding = nn.Embedding(input_size, hidden_size)self.gru = nn.GRU(hidden_size, hidden_size, n_layers, bidirectional=True, dropout=self.dropout)def forward(self, input_seqs, input_lengths, hidden=None):total_length = input_seqs.size()[0]embedded = self.embedding(input_seqs)packed = torch.nn.utils.rnn.pack_padded_sequence(embedded, input_lengths)self.gru.flatten_parameters()outputs, hidden = self.gru(packed, hidden)# unpack (back to padded)outputs, output_lengths = torch.nn.utils.rnn.pad_packed_sequence(outputs, total_length=total_length)outputs = outputs[:, :, :self.hidden_size] + outputs[:, :, self.hidden_size:]  # Sum bidirectional outputsreturn outputs, hidden

3）attention的实现，该实现可以实现batch计算

class Attn(nn.Module):def __init__(self, method, hidden_size):super(Attn, self).__init__()self.method = methodself.hidden_size = hidden_sizeif self.method == 'general':self.attn = nn.Linear(self.hidden_size, hidden_size)elif self.method == 'concat':self.attn = nn.Linear(self.hidden_size * 2, hidden_size)self.v = nn.Parameter(torch.FloatTensor(1, hidden_size))torch.nn.init.xavier_normal_(self.v)def forward(self, hidden, encoder_outputs):# Create variable to store attention energiesattn_energies = self.score(hidden, encoder_outputs)# Normalize energies to weights in range 0 to 1, resize to 1 x B x Sreturn F.softmax(attn_energies, dim=-1)def score(self, hidden, encoder_output):'''compute an attention score, 注意，多层的gru只有最底层需要计算attention score:param hidden:  (n_layers, batch_size,hidden_dim) deocder的hidden:param encoder_output: max_len x batch_size x hidden_size:param decoder_output: 1 * batch * hidden_size:return: a score (batch_size,1, max_len)'''if self.method == 'dot':energy = hidden[0].unsqueeze(1).bmm(encoder_output.permute(1, 2, 0))  # B 1 D * B D S = B 1 Sreturn energyelif self.method == 'general':max_len, batch_size, _ = encoder_output.size()encoder_output = encoder_output.view(batch_size * max_len, -1)encoder_output = self.attn(encoder_output)encoder_output = encoder_output.view(max_len, batch_size, -1).transpose(0, 1)  # S B D->B S Denergy = hidden[0].unsqueeze(1).bmm(encoder_output.transpose(1, 2))  # B 1 D * B D S   = B 1 Sreturn energyelif self.method == 'concat':hidden = hidden[0].unsqueeze(1).repeat(1, encoder_output.size()[0], 1)  # B max_len hidden_dimconcated = torch.cat((hidden, encoder_output.transpose(0, 1)), dim=-1).view((-1, hidden.size()[-1] * 2))energy = self.attn(concated)energy = energy.view(hidden.size())energy = energy.transpose(1, 2)return self.v.matmul(energy)  # B ! D * B D  S = B 1 S

4）decoder

class LuongAttnDecoderRNN(nn.Module):def __init__(self, attn_model, hidden_size, output_size, n_layers=1, dropout=0.1):super(LuongAttnDecoderRNN, self).__init__()# Keep for referenceself.attn_model = attn_modelself.hidden_size = hidden_sizeself.output_size = output_sizeself.n_layers = n_layersself.dropout = dropout# Define layersself.embedding = nn.Embedding(output_size, hidden_size)self.gru = nn.GRU(hidden_size, hidden_size, n_layers,dropout=dropout)self.embedding_dropout = nn.Dropout(dropout)self.concat = nn.Linear(hidden_size * 2, hidden_size)self.out = nn.Linear(hidden_size, output_size)# Choose attention modelif attn_model != 'none':self.attn = Attn(attn_model, hidden_size)def forward(self, input_seq, context, encoder_outputs):# Get the embedding of the current input word (last output word)input_seq = input_seq.unsqueeze(0)embedded = self.embedding(input_seq)embedded = self.embedding_dropout(embedded)self.gru.flatten_parameters()rnn_output, hidden = self.gru(embedded, context)# Calculate attention from current RNN state and all encoder outputs;# apply to encoder outputs to get weighted averageattn_weights = self.attn(hidden, encoder_outputs)  # B 1 Scontext = attn_weights.bmm(encoder_outputs.transpose(1, 0))  # B 1 H# Attentional vector using the RNN hidden state and context vector# concatenated together (Luong eq. 5)context = context.transpose(0, 1)  # 1 x B x Nconcat_input = torch.cat((rnn_output, context), -1).squeeze(0)  # B × 2*Nconcat_output = torch.tanh(self.concat(concat_input))# Finally predict next token (Luong eq. 6, without softmax)output = self.out(concat_output)rnn_output = self.out(rnn_output.squeeze(0))return output, hidden, attn_weights

整合成seq2seq模型

class Seq2Seq(nn.Module):def __init__(self, vocabs, hidden_size, n_layers, dropout, max_len, attn_model='concat',sos=0, eos=0, **kwargs):super(Seq2Seq, self).__init__()encoder = EncoderRNN(len(vocabs['src_vocab']), hidden_size, n_layers, dropout)decoder = LuongAttnDecoderRNN(attn_model, hidden_size, len(vocabs['tgt_vocab']), n_layers, dropout)self.encoder = encoderself.decoder = decoderself.sos = sosself.eos = eosself.max_len = max_lenassert encoder.hidden_size == decoder.hidden_size, \"Hidden dimensions of encoder and decoder must be equal!"assert encoder.n_layers == decoder.n_layers, \"Encoder and decoder must have equal number of layers!"def forward(self, src, tgt=None, src_lengths=None, tgt_lengths=None, teacher_forcing_ratio=1):if src_lengths is not None and len(src.size())>1:src_lengths = src_lengths.squeeze(0)encoder_outputs, encoder_hidden = self.encoder(src, src_lengths, None)# Prepare input and output variablesif tgt is not None:decoder_input = tgt[0, :]else:this_batch_size = src.size()[1]decoder_input = torch.LongTensor([self.sos] * this_batch_size).cuda()# 对于多层的gru，要排除掉后向的hidden，只使用前向的hiddendecoder_hidden = encoder_hidden[-self.decoder.n_layers * 2::2].contiguous()  # Use last (forward) hidden statemax_target_length = tgt.size()[0] if tgt is not None else self.max_lendecoder_outputs = []# Run through decoder one time step at a timeuse_teacher_forcing = random.random() < teacher_forcing_ratiofor t in range(max_target_length):decoder_output, decoder_hidden, decoder_attn = self.decoder(decoder_input, decoder_hidden, encoder_outputs)decoder_outputs.append(decoder_output)decoder_input = tgt[t] if use_teacher_forcing else decoder_output.argmax(-1)return torch.stack(decoder_outputs)