提速不掉点：基于词颗粒度的中文WoBERT

当前，大部分中文预训练模型都是以字为基本单位的，也就是说中文语句会被拆分为一个个字。中文也有一些多颗粒度的语言模型，比如创新工场的 ZEN 和字节跳动的 AMBERT ，但这类模型的基本单位还是字，只不过想办法融合了词信息。目前以词为单位的中文预训练模型很少，据笔者所了解到就只有腾讯 UER 开源了一个以词为颗粒度的BERT模型，但实测效果并不好。

那么，纯粹以词为单位的中文预训练模型效果究竟如何呢？有没有它的存在价值呢？最近，我们预训练并开源了以词为单位的中文BERT模型，称之为 WoBERT （Word-based BERT，我的BERT！ ），实验显示基于词的WoBERT在不少任务上有它独特的优势，比如速度明显的提升，同时效果基本不降甚至也有提升。在此对我们的工作做一个总结。

开源地址： https://github.com/ZhuiyiTechnology/WoBERT

究竟是“字”好还是“词”好？这是中文NLP一个很让人抓狂的问题，也有一些工作去系统地研究这个问题。比较新的是香侬科技在ACL2019上发表的 《Is Word Segmentation Necessary for Deep Learning of Chinese Representations?》 ，里边得到了字几乎总是优于词的结论。前面也说了，现在中文预训练模型确实也基本上都是以字为单位的。所以，看上去这个问题已经解决了？就是字更好？

事情远没有这么简单。就拿香侬科技的这篇论文来说，它的实验结果是没有错，但却是没有代表性的。为什么这样说呢？因为它比较的是大家的Embedding层都是随机初始化的情况下的效果，这样一来，对于同样的任务，以词为单位的模型Embedding层参数更多，自然就更容易过拟合，效果容易变差，这不用做实验都能猜个大概。问题是，我们用基于词的模型的时候，通常并不是随机初始化的，往往都是用预训练好的词向量的（下游任务看情况选择是否微调词向量），这才是分词的NLP模型的典型场景，但论文里边却没有比较这个场景，所以论文的结果并没有什么说服力。

事实上，“过拟合”现象具有两面性，我们要防止过拟合，但过拟合也正好说明了模型拥有比较强的拟合能力，而如果我们想办法抑制过拟合，那么就能够在同样复杂度下得到更强的模型，或者在同样效果下得到更低复杂度的模型。而缓解过拟合问题的一个重要手段就是更充分的预训练，所以不引入预训练的比较对以词为单位的模型来说是不公平的，而我们的WoBERT正是证实了以词为单位的预训练模型的可取性。

一般认为，以字为单位的好处是：

1、参数更少，不容易过拟合；
2、不依赖于分词算法，避免边界切分错误；
3、没那么严重的稀疏性，基本上不会出现未登录词。

至于以词为单位的理由是

1、序列变短，处理速度更快；
2、在文本生成任务上，能缓解Exposure Bias问题；
3、词义的不确定性更低，降低建模复杂度。

对于词的好处，大家可能会有些疑惑。比如第2点，词能缓解Exposure Bias，这是因为理论上来说，序列越短Exposure Bias问题就越不明显（词的模型单步预测出一个$n$字词，相当于字的模型预测了$n$步，这$n$步都递归依赖，所以字的模型Exposure Bias问题更严重）。至于第3点，虽然有多义词的存在，但是多数词的含义还是比较确定的，至少比字义更加明确，这样一来可能只需要一个Embedding层就能把词义建模好，而不是像字模型那样，要通用多层模型才能把字组合成词。

看起来不相伯仲，但事实上以字为单位的好处，并非就是以词为单位的缺点了，只要多一些技巧，以词为单位也能一定程度上避免这几个问题。比如：

1、以词为单位的参数多了，但是可以通过预训练来缓解过拟合，所以这个问题不会很严重；
2、依赖分词算法是个问题，如果我们只保留最常见的一部分词，那么不管哪个分词工具分出来的结果都是差不多的，差异性不大；
3、至于边界切分错误，这个难以避免，但是需要准确的边界的，只是序列标注类任务而已，文本分类、文本生成其实都不需要准确的边界，因此不能就此否定词模型；
4、如果我们把大部分字也加入到词表中，也不会出现未登录词。

所以，其实用词的好处是相当多的，除了需要非常精确边界的序列标注类型的任务外，多数NLP任务以词为单位都不会有什么问题。因此，我们就去做了以词为单位的BERT模型了。

往BERT里边加入中文词，首先得让Tokenizer能分出词来。只需要把词加入到字典vocab.txt里边就行了吗？并不是。BERT自带的Tokenizer会强行把中文字符用空格隔开，因此就算你把词加入到字典中，也不会分出中文词来。此外，BERT做英文word piece的分词的时候，使用的是最大匹配法，这对中文分词来说精度也不够。

为了分出词来，我们修改了一下BERT的Tokenizer，加入了一个“前分词（pre_tokenize）”操作，这样我们就可以分出中文词来，具体操作如下：

1、把中文词加入到vocab.txt；
2、输入一个句子$s$，用pre_tokenize先分一次词，得到$[w_1,w_2,\dots,w_l]$；
3、遍历各个$w_i$，如果$w_i$在词表中则保留，否则将$w_i$用BERT自带的tokenize函数再分一次；
4、将每个$w_i$的tokenize结果有序拼接起来，作为最后的tokenize结果。

在bert4keras>=0.8.8版本中，实现上述改动只需要在构建Tokenizer的时候传入一行参数，例如：

tokenizer = Tokenizer(
    dict_path,
    do_lower_case=True,
    pre_tokenize=lambda s: jieba.cut(s, HMM=False)
)

其中 pre_tokenize 为外部传入的分词函数，如果不传入则默认为 None 。简单起见，WoBERT使用了结巴分词，删除了BERT自带词表的冗余部分（比如带##的中文词），然后加入了20000个额外的中文词（结巴分词自带的词表词频最高的两万个），最终WoBERT的vocab.txt规模是33586。

目前开源的WoBERT是Base版本，在哈工大开源的 RoBERTa-wwm-ext 基础上进行继续预训练，预训练任务为MLM。初始化阶段，将每个词用BERT自带的Tokenizer切分为字，然后用字embedding的平均作为词embedding的初始化。

到这里，WoBERT的技术要点基本上都说清楚了，剩下的就是开始训练了。我们用单张24G的RTX训练了100万步（大概训练了10天），序列长度为512，学习率为5e -6 ，batch_size为16，累积梯度16步，相当于batch_size=256训练了6万步左右。训练语料大概是30多G的通用型语料。训练代码已经在文章开头的链接中开源了。

此外，我们还提供了WoNEZHA，这是基于华为开源的 NEZHA 进行再预训练的，训练细节跟WoBERT基本一样。NEZHA的模型结构跟BERT相似，不同的是它使用了相对位置编码，而BERT用的是绝对位置编码，因此理论上NEZHA能处理的文本长度是无上限的。这里提供以词为单位的WoNEZHA，就是让大家多一个选择。

最后，说一下WoBERT的效果。简单来说，在我们的评测里边，WoBERT相比于BERT，在不需要精确边界的NLP任务上基本都没有变差的，有些还会有一定的提升，而速度上则有明显提升，所以一句话就是“提速不掉点”。

比如中文榜单上的两个分类任务：

\begin{array}{c}

\text{WoBERT与BERT的文本分类效果对比}\\

{\begin{array}{c|cc}

\hline

& \text{IFLYTEK} & \text{TNEWS} \\

\hline

\text{BERT} & 60.29\% & 56.58\% \\

\text{WoBERT} & \textbf{61.15%} & \textbf{57.05%} \\

\hline

\end{array}}

\end{array}

我们内部还测了不少任务，结果都是类似的，表明这些NLU任务上WoBERT和BERT基本上都差不多的。但是速度上，WoBERT就比BERT有明显优势了，下表是两个模型在处理不同字数的文本时的速度比较：

\begin{array}{c}

\text{WoBERT与BERT的速度对比}\\

{\begin{array}{c|ccc}

\hline

& \text{128} & \text{256} & \text{512} \\

\hline

\text{BERT} & \text{1.0x} & \text{1.0x} & \text{1.0x} \\

\text{WoBERT} & \textbf{1.16x} & \textbf{1.22x} & \textbf{1.28x} \\

\hline

\end{array}}

\end{array}

我们还测了WoBERT+UniLM的方式Seq2Seq任务（CSL标题生成），结果是比以字为单位的模型有明显提升：

\begin{array}{c}

\text{WoBERT与BERT的文本生成效果对比}\\

{\begin{array}{c|c|cccc}

\hline

& \text{beam size} & \text{Rouge-L} & \text{Rouge-1} & \text{Rouge-2} & \text{BLEU} \\

\hline

\text{BERT} & 1 & 63.81 & 65.45 & 54.91 & 45.52 \\

\text{WoBERT} & 1 & \textbf{66.38} & \textbf{68.22} & \textbf{57.83} & \textbf{47.76} \\

\hline

\text{BERT} & 2 & 64.44 & 66.09 & 55.75 & 46.39 \\

\text{WoBERT} & 2 & \textbf{66.65} & \textbf{68.68} & \textbf{58.5} & \textbf{48.4} \\

\hline

\text{BERT} & 3 & 64.75 & 66.34 & 56.06 & 46.7 \\

\text{WoBERT} & 3 & \textbf{66.83} & \textbf{68.81} & \textbf{58.67} & \textbf{48.6} \\

\hline

\end{array}}

\end{array}

这说明以词为单位来做文本生成其实是更有优势的。要是生成更长的文本，这个优势还能进一步放大。

当然，我们也不否认，用WoBERT去做NER等序列标注任务时，可能会有明显的掉点，比如做人民日报的NER，掉了3%左右，可能让人意外的是，经过bad case分析，我们发现掉点的原因并不是因为切分错误，而是因为稀疏性（平均来说每个词的样本更少，所以训练得没那么充分）。

不管怎么说，我们把我们的工作开源出来，给大家在使用预训练模型的时候，多一个尝试的选择把。

在这篇文章里，我们开源了以词为单位的中文BERT模型（WoBERT），并讨论了以词为单位的优缺点，最后通过实验表明，以词为单位的预训练模型在不少NLP任务（尤其是文本生成）上有它独特的价值，一方面它有速度上的优势，一方面效果上能媲美以字为单位的BERT，欢迎大家测试。

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