# 使用预训练模型 Fine-tune 完成中文文本匹配任务

随着深度学习的发展，模型参数的数量飞速增长。为了训练这些参数，需要更大的数据集来避免过拟合。然而，对于大部分 NLP 任务来说，构建大规模的标注数据集非常困难（成本过高），特别是对于句法和语义相关的任务。相比之下，大规模的未标注语料库的构建则相对容易。为了利用这些数据，我们可以先从其中学习到一个好的表示，再将这些表示应用到其他任务中。最近的研究表明，基于大规模未标注语料库的预训练模型（Pretrained Models, PTM) 在 NLP 任务上取得了很好的表现。

近年来，大量的研究表明基于大型语料库的预训练模型（Pretrained Models, PTM）可以学习通用的语言表示，有利于下游 NLP 任务，同时能够避免从零开始训练模型。随着计算能力的发展，深度模型的出现（即 Transformer）和训练技巧的增强使得 PTM 不断发展，由浅变深。

百度的预训练模型 ERNIE 经过海量的数据训练后，其特征抽取的工作已经做的非常好。借鉴迁移学习的思想，我们可以利用其在海量数据中学习的语义信息辅助小数据集（如本示例中的医疗文本数据集）上的任务。

<center> <img width="600px" src="https://ai-studio-static-online.cdn.bcebos.com/d96c602338044ee8bcd4171f38ea6d49506d1f3253f3496b802ec56cb654ecf5" /> </center>

使用预训练模型 ERNIE 完成文本匹配任务，大家可能会想到将 query 和 title 文本拼接，之后输入 ERNIE 中，取`CLS`特征（pooled_output），之后输出全连接层，进行二分类。如下图 ERNIE 用于句对分类任务的用法：

<p align="center">
<img src="https://ai-studio-static-online.cdn.bcebos.com/45440029c07240ad89d665c5b176e63297e9584e1da24e02b79dd54fb990f74a" width='30%'/> <br />
</p>

然而，以上用法的问题在于，**ERNIE 的模型参数非常庞大，导致计算量非常大，预测的速度也不够理想**。从而达不到线上业务的要求。针对该问题，可以使用 PaddleNLP 工具搭建 Sentence Transformer 网络。

<p align="center">
<img src="https://ai-studio-static-online.cdn.bcebos.com/103998703e134a7184883511a538620e16fed045e2614dcc8afacec446600438" width='30%'/> <br />
</p>

Sentence Transformer 采用了双塔（Siamese）的网络结构。Query 和 Title 分别输入 ERNIE，共享一个 ERNIE 参数，得到各自的 token embedding 特征。之后对 token embedding 进行 pooling（此处教程使用 mean pooling 操作），之后输出分别记作 u，v。之后将三个表征（u,v,|u-v|)拼接起来，进行二分类。网络结构如上图所示。

更多关于 Sentence Transformer 的信息可以参考论文：https://arxiv.org/abs/1908.10084

**同时，不仅可以使用 ERNIR 作为文本语义特征提取器，可以利用 BERT/RoBerta/Electra 等模型作为文本语义特征提取器**

**那么 Sentence Transformer 采用 Siamese 的网路结构，是如何提升预测速度呢？**

**Siamese 的网络结构好处在于 query 和 title 分别输入同一套网络。如在信息搜索任务中，此时就可以将数据库中的 title 文本提前计算好对应 sequence_output 特征，保存在数据库中。当用户搜索 query 时，只需计算 query 的 sequence_output 特征与保存在数据库中的 title sequence_output 特征，通过一个简单的 mean_pooling 和全连接层进行二分类即可。从而大幅提升预测效率，同时也保障了模型性能。**

关于匹配任务常用的 Siamese 网络结构可以参考：https://blog.csdn.net/thriving_fcl/article/details/73730552

PaddleNLP 提供了丰富的预训练模型，并且可以便捷地获取 PaddlePaddle 生态下的所有预训练模型。下面展示如何使用 PaddleNLP 一键加载 ERNIE，优化文本匹配任务。

## 模型简介

本项目针对中文文本匹配问题，开源了一系列模型，供用户可配置地使用：

+ BERT([Bidirectional Encoder Representations from Transformers](https://arxiv.org/abs/1810.04805))中文模型，简写`bert-base-chinese`， 其由12层 Transformer 网络组成。
+ ERNIE([Enhanced Representation through Knowledge Integration](https://arxiv.org/abs/1904.09223))，支持 ERNIE 1.0中文模型（简写`ernie-1.0`）和 ERNIE Tiny 中文模型（简写`ernie-tiny`)。
   其中`ernie`由12层 Transformer 网络组成，`ernie-tiny`由3层 Transformer 网络组成。
+ RoBERTa([A Robustly Optimized BERT Pretraining Approach](https://arxiv.org/abs/1907.11692))，支持12层 Transformer 网络的`roberta-wwm-ext`。

| 模型  | dev acc | test acc |
| ---- | ------- | -------- |
| bert-base-chinese  | 0.86537 | 0.84440 |
| bert-wwm-chinese | 0.86333 | 0.84128 |
| bert-wwm-ext-chinese | 0.86049 | 0.83848 |
| ernie-1.0  | 0.87480  | 0.84760  |
| ernie-tiny  | 0.86071 | 0.83352 |
| roberta-wwm-ext  | 0.87526 | 0.84904 |
| rbt3 | 0.85367 | 0.83464 |
| rbtl3 | 0.85174 | 0.83744 |

## 快速开始

### 代码结构说明

以下是本项目主要代码结构及说明：

```text
sentence_transformers/
├── model.py # Sentence Transformer 组网文件
├── README.md # 文本说明
└── train.py # 模型训练评估
```

### 模型训练

我们以中文文本匹配公开数据集 LCQMC 为示例数据集，可以运行下面的命令，在训练集（train.tsv）上进行模型训练，并在开发集（dev.tsv）验证
```shell
$ unset CUDA_VISIBLE_DEVICES
$ python -m paddle.distributed.launch --gpus "0" train.py --device gpu --save_dir ./checkpoints
```

可支持配置的参数：

* `save_dir`：可选，保存训练模型的目录；默认保存在当前目录 checkpoints 文件夹下。
* `max_seq_length`：可选，ERNIE/BERT 模型使用的最大序列长度，最大不能超过512, 若出现显存不足，请适当调低这一参数；默认为128。
* `batch_size`：可选，批处理大小，请结合显存情况进行调整，若出现显存不足，请适当调低这一参数；默认为32。
* `learning_rate`：可选，Fine-tune 的最大学习率；默认为5e-5。
* `weight_decay`：可选，控制正则项力度的参数，用于防止过拟合，默认为0.00。
* `epochs`: 训练轮次，默认为3。
* `warmup_proption`：可选，学习率 warmup 策略的比例，如果0.1，则学习率会在前10%训练 step 的过程中从0慢慢增长到 learning_rate, 而后再缓慢衰减，默认为0.1。
* `init_from_ckpt`：可选，模型参数路径，热启动模型训练；默认为 None。
* `seed`：可选，随机种子，默认为1000.
* `device`: 选用什么设备进行训练，可选 cpu 或 gpu。如使用 gpu 训练则参数 gpus 指定 GPU 卡号。

代码示例中使用的预训练模型是 ERNIE，如果想要使用其他预训练模型如 BERT，RoBERTa，Electra 等，只需更换`model` 和 `tokenizer`即可。

```python
# 使用 ERNIE 预训练模型
# ernie-3.0-medium-zh
model = AutoModel.from_pretrained('ernie-3.0-medium-zh')
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('ernie-3.0-medium-zh')

# ernie-1.0
# model = AutoModel.from_pretrained('ernie-1.0-base-zh')
# tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('ernie-1.0-base-zh')

# ernie-tiny
# model = AutoModel.Model.from_pretrained('ernie-tiny')
# tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('ernie-tiny')


# 使用 BERT 预训练模型
# bert-base-chinese
# model = AutoModel.Model.from_pretrained('bert-base-chinese')
# tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('bert-base-chinese')

# bert-wwm-chinese
# model = AutoModel.from_pretrained('bert-wwm-chinese')
# tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('bert-wwm-chinese')

# bert-wwm-ext-chinese
# model = AutoModel.from_pretrained('bert-wwm-ext-chinese')
# tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('bert-wwm-ext-chinese')


# 使用 RoBERTa 预训练模型
# roberta-wwm-ext
# model = AutoModel..from_pretrained('roberta-wwm-ext')
# tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('roberta-wwm-ext')

# roberta-wwm-ext
# model = AutoModel.from_pretrained('roberta-wwm-ext-large')
# tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('roberta-wwm-ext-large')

```
更多预训练模型，参考[transformers](https://paddlenlp.readthedocs.io/zh/latest/model_zoo/index.html#transformer)

程序运行时将会自动进行训练，评估，测试。同时训练过程中会自动保存模型在指定的`save_dir`中。
如：
```text
checkpoints/
├── model_100
│   ├── model_config.json
│   ├── model_state.pdparams
│   ├── tokenizer_config.json
│   └── vocab.txt
└── ...
```

**NOTE:**
* 如需恢复模型训练，则可以设置`init_from_ckpt`， 如`init_from_ckpt=checkpoints/model_100/model_state.pdparams`。
* 如需使用 ernie-tiny 模型，则需要提前先安装 sentencepiece 依赖，如`pip install sentencepiece`

### 模型预测

启动预测：
```shell
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=0
python predict.py --device gpu --params_path checkpoints/model_400/model_state.pdparams
```

将待预测数据如以下示例：

```text
世界上什么东西最小   世界上什么东西最小？
光眼睛大就好看吗  眼睛好看吗？
小蝌蚪找妈妈怎么样   小蝌蚪找妈妈是谁画的
```

可以直接调用`predict`函数即可输出预测结果。

如

```text
Data: ['世界上什么东西最小', '世界上什么东西最小？']      Label: similar
Data: ['光眼睛大就好看吗', '眼睛好看吗？']      Label: dissimilar
Data: ['小蝌蚪找妈妈怎么样', '小蝌蚪找妈妈是谁画的']      Label: dissimilar
```


## Reference

关于 Sentence Transformer 更多信息参考[www.SBERT.net](https://www.sbert.net)以及论文：
- [Sentence-BERT: Sentence Embeddings using Siamese BERT-Networks](https://arxiv.org/abs/1908.10084) (EMNLP 2019)
- [Making Monolingual Sentence Embeddings Multilingual using Knowledge Distillation](https://arxiv.org/abs/2004.09813) (EMNLP 2020)
- [Augmented SBERT: Data Augmentation Method for Improving Bi-Encoders for Pairwise Sentence Scoring Tasks](https://arxiv.org/abs/2010.08240) (arXiv 2020)
