# 深度结构化语义模型 (Deep Structured Semantic Models, DSSM) DSSM使用DNN模型在一个连续的语义空间中学习文本低纬的表示向量，并且建模两个句子间的语义相似度。 本例演示如何使用 PaddlePaddle实现一个通用的DSSM 模型，用于建模两个字符串间的语义相似度， 模型实现支持通用的数据格式，用户替换数据便可以在真实场景中使用该模型。 ## 背景介绍 DSSM \[[1](##参考文献)\]是微软研究院13年提出来的经典的语义模型，用于学习两个文本之间的语义距离， 广义上模型也可以推广和适用如下场景： 1. CTR预估模型，衡量用户搜索词（Query）与候选网页集合（Documents）之间的相关联程度。 2. 文本相关性，衡量两个字符串间的语义相关程度。 3. 自动推荐，衡量User与被推荐的Item之间的关联程度。 DSSM 已经发展成了一个框架，可以很自然地建模两个记录之间的距离关系， 例如对于文本相关性问题，可以用余弦相似度 (cosin similarity) 来刻画语义距离； 而对于搜索引擎的结果排序，可以在DSSM上接上Rank损失训练处一个排序模型。 ## 模型简介 在原论文\[[1](#参考文献)\]中，DSSM模型用来衡量用户搜索词 Query 和文档集合 Documents 之间隐含的语义关系，模型结构如下



图 1. DSSM 原始结构

其贯彻的思想是， **用DNN将高维特征向量转化为低纬空间的连续向量（图中红色框部分）** ， **在上层用cosin similarity来衡量用户搜索词与候选文档间的语义相关性**。 在最顶层损失函数的设计上，原始模型使用类似Word2Vec中负例采样的方法， 一个Query会抽取正例 $D+$ 和4个负例 $D-$ 整体上算条件概率用对数似然函数作为损失， 这也就是图 1中类似 $P(D_1|Q)$ 的结构，具体细节请参考原论文。 随着后续优化DSSM模型的结构得以简化\[[3](#参考文献)\]，演变为：



图 2. DSSM通用结构

图中的空白方框可以用任何模型替代，比如全连接FC，卷积CNN，RNN等都可以， 该模型结构专门用于衡量两个元素（比如字符串）间的语义距离。 在现实使用中，DSSM模型会作为基础的积木，搭配上不同的损失函数来实现具体的功能，比如 - 在排序学习中，将 图 2 中结构添加 pairwise rank损失，变成一个排序模型 - 在CTR预估中，对点击与否做0，1二元分类，添加交叉熵损失变成一个分类模型 - 在需要对一个子串打分时，可以使用余弦相似度来计算相似度，变成一个回归模型 本例将尝试面向应用提供一个比较通用的解决方案，在模型任务类型上支持 - 分类 - [-1, 1] 值域内的回归 - Pairwise-Rank 在生成低纬语义向量的模型结构上，本模型支持以下三种： - FC, 多层全连接层 - CNN，卷积神经网络 - RNN，递归神经网络 ## 模型实现 DSSM模型可以拆成三小块实现，分别是左边和右边的DNN，以及顶层的损失函数。 在复杂任务中，左右两边DNN的结构可以是不同的，比如在原始论文中左右分别学习Query和Document的semantic vector， 两者数据的数据不同，建议对应定制DNN的结构。 本例中为了简便和通用，将左右两个DNN的结构都设为相同的，因此只有三个选项FC,CNN,RNN等。 在损失函数的设计方面，也支持三种，分类, 回归, 排序； 其中，在回归和排序两种损失中，左右两边的匹配程度通过余弦相似度（cossim）来计算； 在分类任务中，类别预测的分布通过softmax计算。 在其它教程中，对上述很多内容都有过详细的介绍，例如： - 如何CNN, FC 做文本信息提取可以参考 [text classification](https://github.com/PaddlePaddle/models/blob/develop/text_classification/README.md#模型详解) - RNN/GRU 的内容可以参考 [Machine Translation](https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/08.machine_translation/README.md#gated-recurrent-unit-gru) - Pairwise Rank即排序学习可参考 [learn to rank](https://github.com/PaddlePaddle/models/blob/develop/ltr/README.md) 相关原理在此不再赘述，本文接下来的篇幅主要集中介绍使用PaddlePaddle实现这些结构上。 如图3，回归和分类模型的结构很相似



图 3. DSSM for REGRESSION or CLASSIFICATION

最重要的组成部分包括词向量，图中`(1)`,`(2)`两个低纬向量的学习器（可以用RNN/CNN/FC中的任意一种实现）， 最上层对应的损失函数。 而Pairwise Rank的结构会复杂一些，类似两个 图 4. 中的结构，增加了对应的损失函数： - 模型总体思想是，用同一个source(源)为左右两个target(目标)分别打分——`(a),(b)`，学习目标是(a),(b)间的大小关系 - `(a)`和`(b)`类似图3中结构，用于给source和target的pair打分 - `(1)`和`(2)`的结构其实是共用的，都表示同一个source，图中为了表达效果展开成两个



图 4. DSSM for Pairwise Rank

下面是各个部分具体的实现方法，所有的代码均包含在 `./network_conf.py` 中。 ### 创建文本的词向量表 ```python def create_embedding(self, input, prefix=''): ''' Create an embedding table whose name has a `prefix`. ''' logger.info("create embedding table [%s] which dimention is %d" % (prefix, self.dnn_dims[0])) emb = paddle.layer.embedding( input=input, size=self.dnn_dims[0], param_attr=ParamAttr(name='%s_emb.w' % prefix)) return emb ``` 由于输入给词向量表(embedding table)的是一个句子对应的词的ID的列表 ，因此词向量表输出的是词向量的序列。 ### CNN 结构实现 ```python def create_cnn(self, emb, prefix=''): ''' A multi-layer CNN. @emb: paddle.layer output of the embedding layer @prefix: str prefix of layers' names, used to share parameters between more than one `cnn` parts. ''' def create_conv(context_len, hidden_size, prefix): key = "%s_%d_%d" % (prefix, context_len, hidden_size) conv = paddle.networks.sequence_conv_pool( input=emb, context_len=context_len, hidden_size=hidden_size, # set parameter attr for parameter sharing context_proj_param_attr=ParamAttr(name=key + 'contex_proj.w'), fc_param_attr=ParamAttr(name=key + '_fc.w'), fc_bias_attr=ParamAttr(name=key + '_fc.b'), pool_bias_attr=ParamAttr(name=key + '_pool.b')) return conv logger.info('create a sequence_conv_pool which context width is 3') conv_3 = create_conv(3, self.dnn_dims[1], "cnn") logger.info('create a sequence_conv_pool which context width is 4') conv_4 = create_conv(4, self.dnn_dims[1], "cnn") return conv_3, conv_4 ``` CNN 接受 embedding table输出的词向量序列，通过卷积和池化操作捕捉到原始句子的关键信息， 最终输出一个语义向量（可以认为是句子向量）。 本例的实现中，分别使用了窗口长度为3和4的CNN学到的句子向量按元素求和得到最终的句子向量。 ### RNN 结构实现 RNN很适合学习变长序列的信息，使用RNN来学习句子的信息几乎是自然语言处理任务的标配。 ```python def create_rnn(self, emb, prefix=''): ''' A GRU sentence vector learner. ''' gru = paddle.layer.gru_memory(input=emb,) sent_vec = paddle.layer.last_seq(gru) return sent_vec ``` ### FC 结构实现 ```python def create_fc(self, emb, prefix=''): ''' A multi-layer fully connected neural networks. @emb: paddle.layer output of the embedding layer @prefix: str prefix of layers' names, used to share parameters between more than one `fc` parts. ''' _input_layer = paddle.layer.pooling( input=emb, pooling_type=paddle.pooling.Max()) fc = paddle.layer.fc(input=_input_layer, size=self.dnn_dims[1]) return fc ``` 在构建FC时需要首先使用`paddle.layer.pooling` 对词向量序列进行最大池化操作，将边长序列转化为一个固定维度向量， 作为整个句子的语义表达，使用最大池化能够降低句子长度对句向量表达的影响。 ### 多层DNN实现 在 CNN/DNN/FC提取出 semantic vector后，在上层可继续接多层FC来实现深层DNN结构。 ```python def create_dnn(self, sent_vec, prefix): # if more than three layers exists, a fc layer will be added. if len(self.dnn_dims) > 1: _input_layer = sent_vec for id, dim in enumerate(self.dnn_dims[1:]): name = "%s_fc_%d_%d" % (prefix, id, dim) logger.info("create fc layer [%s] which dimention is %d" % (name, dim)) fc = paddle.layer.fc( input=_input_layer, size=dim, act=paddle.activation.Tanh(), param_attr=ParamAttr(name='%s.w' % name), bias_attr=ParamAttr(name='%s.b' % name), name=name, ) _input_layer = fc return _input_layer ``` ### 分类或回归实现 分类和回归的结构比较相似，因此可以用一个函数创建出来 ```python def _build_classification_or_regression_model(self, is_classification): ''' Build a classification/regression model, and the cost is returned. A Classification has 3 inputs: - source sentence - target sentence - classification label ''' # prepare inputs. assert self.class_num source = paddle.layer.data( name='source_input', type=paddle.data_type.integer_value_sequence(self.vocab_sizes[0])) target = paddle.layer.data( name='target_input', type=paddle.data_type.integer_value_sequence(self.vocab_sizes[1])) label = paddle.layer.data( name='label_input', type=paddle.data_type.integer_value(self.class_num) if is_classification else paddle.data_type.dense_input) prefixs = '_ _'.split( ) if self.share_semantic_generator else 'left right'.split() embed_prefixs = '_ _'.split( ) if self.share_embed else 'left right'.split() word_vecs = [] for id, input in enumerate([source, target]): x = self.create_embedding(input, prefix=embed_prefixs[id]) word_vecs.append(x) semantics = [] for id, input in enumerate(word_vecs): x = self.model_arch_creater(input, prefix=prefixs[id]) semantics.append(x) concated_vector = paddle.layer.concat(semantics) prediction = paddle.layer.fc( input=concated_vector, size=self.class_num, act=paddle.activation.Softmax()) cost = paddle.layer.classification_cost( input=prediction, label=label) if is_classification else paddle.layer.mse_cost( prediction, label) return cost, prediction, label ``` ### Pairwise Rank实现 Pairwise Rank复用上面的DNN结构，同一个source对两个target求相似度打分， 如果左边的target打分高，预测为1，否则预测为 0。 ```python def _build_rank_model(self): ''' Build a pairwise rank model, and the cost is returned. A pairwise rank model has 3 inputs: - source sentence - left_target sentence - right_target sentence - label, 1 if left_target should be sorted in front of right_target, otherwise 0. ''' source = paddle.layer.data( name='source_input', type=paddle.data_type.integer_value_sequence(self.vocab_sizes[0])) left_target = paddle.layer.data( name='left_target_input', type=paddle.data_type.integer_value_sequence(self.vocab_sizes[1])) right_target = paddle.layer.data( name='right_target_input', type=paddle.data_type.integer_value_sequence(self.vocab_sizes[1])) label = paddle.layer.data( name='label_input', type=paddle.data_type.integer_value(1)) prefixs = '_ _ _'.split( ) if self.share_semantic_generator else 'source left right'.split() embed_prefixs = '_ _'.split( ) if self.share_embed else 'source target target'.split() word_vecs = [] for id, input in enumerate([source, left_target, right_target]): x = self.create_embedding(input, prefix=embed_prefixs[id]) word_vecs.append(x) semantics = [] for id, input in enumerate(word_vecs): x = self.model_arch_creater(input, prefix=prefixs[id]) semantics.append(x) # cossim score of source and left_target left_score = paddle.layer.cos_sim(semantics[0], semantics[1]) # cossim score of source and right target right_score = paddle.layer.cos_sim(semantics[0], semantics[2]) # rank cost cost = paddle.layer.rank_cost(left_score, right_score, label=label) # prediction = left_score - right_score # but this operator is not supported currently. # so AUC will not used. return cost, None, None ``` ## 数据格式 在 `./data` 中有简单的示例数据 ### 回归的数据格式 ``` # 3 fields each line: # - source's word ids # - target's word ids # - target \t \t ``` 比如： ``` 3 6 10 \t 6 8 33 \t 0.7 6 0 \t 6 9 330 \t 0.03 ``` ### 分类的数据格式 ``` # 3 fields each line: # - source's word ids # - target's word ids # - target \t \t