[人工智能]【自然语言处理】【信息抽取】UIE：用于通用信息抽取的统一结构生成

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2203.12277.pdf

一、简介

? 信息抽取($\text{IE}$)的目标是从无结构化文本中识别和结构化用户指定的信息。$\text{IE}$任务由于不同的目标(实体、关系、事件、情感等)、不同的结构(spans、triplets、record等)和特定的需求模式而高度的多样性。当前，大多数的$\text{IE}$方法都是针对具体的任务，对于不同的$\text{IE}$任务会有专用的架构、独立的模型、特定的知识来源。

二、通用信息抽取的统一结构生成

? 信息抽取的任务可以被形式化为$\text{text-to-structure}$的问题。本文的目标是通过单个框架将不同的$\text{IE}$任务统一建模为$\text{text-to-structure}$任务，即在统一的模型中共享相同的底层操作以及不同的转换能力。正式来说，给定一个预定义模式$s$和文本$x$，通用$\text{IE}$模型需要生成一个模式$s$指明的文本中$x$所包含结构化信息。

? 这里主要存在两个挑战。首先，由于$\text{IE}$任务的多样性，有许多不同的目标结构需要抽取，例如：实体、关系和事件等。其次，$\text{IE}$任务通常针对不同的需求需要使用不同的schema，因此需要自适应的控制抽取过程。

? 本小节描述了如何在统一框架内学习和执行各种$\text{IE}$任务，称该框架为$\text{UIE}$。具体来说，设计了结构化抽取语言$\text{SEL}$来将不同的抽取结构进行统一编码，即将实体、关系和事件编码成统一表示。然后，设计了结构化schema指导器$\text{SSI}$，其是一个基于schema的prompt机制，用于控制$\text{UIE}$模型如何抽取、如何关联和如何生成。

1. 用于统一结构编码的结构化抽取语言$\text{SEL}$

? 基于上面的讨论，$\text{IE}$结构生成能够被分解为两个原子操作。

• 定位(spotting)：从文本中定位目标片段，例如：实体和事件中的触发词。
• 关联(associating)：按照预定义的期望将不同的信息片段关联在一起，例如实体对间的关系；

? 不同的$\text{IE}$结构能够通过原子结构生成操作进行组合。

? 具体来说，设计了统一结构抽取语言$\text{SEL}$，该语言能够通过$\text{spotting-associating}$结构编码不同的$\text{IE}$结构。如上图$(a)$所示，每个$\text{SEL}$表达式包含三种类型的语义单元：

? (1) $\text{SPOTNAME}$：表示原始文本中需要被定位信息的类型；

? (2) $\text{ASSONAME}$：表示原始文本中需要被抽取的、特定类型的关联；

? (3) $\text{INFOSPAN}$：表示原始文本中需要被定位或者关联的文本片段；

? 上图$(b)$展示了$\text{SEL}$如何表示实体、关系和事件的结构。其中包含三个实体，每个实体都使用一个$\text{spotting}$结构表示，即$\text{person:Steve}$、$\text{organization:Apple}$和$\text{time:1997}$。$\text{work?for}$表示实体$\text{Steve}$和$\text{Apple}$间的一个关系。此外，事件也可以被表示成关联结构。事件的$\text{trigger}$是一个$\text{spotting}$结构$\text{"start-postion:became"}$，事件的$\text{arguments}$则是被触发词关联的三个结构：$\text{(employee,Steve)}$、$\text{(employer,Apple)}$和$\text{(time,1997)}$。

? $\text{SEL}$具有如下优势：

? (1) 能够统一编码各种$\text{IE}$结构，因此能将不同的$\text{IE}$任务统一建模为$\text{text-to-structure}$过程；

? (2) 使用统一结构高效表示所有的抽取结果，天然适合执行联合抽取；

? (3) 输出结构紧密，大大减低了编码的复杂度；

? 举例来说，实体识别和事件检测两种不同的任务都可以使用相同的语法$\text{(SpotName:?InfoSpan)}$。此外，关系抽取和事件抽取分别是二元结构$\text{entity-relation-entity}$和$N$元结构$\text{event-arguments}$，但它们都能够使用语法$\text{(SpotName:?InfoSapn(AssName:?InfoSpane),...)}$。这种统一的结构化抽取语言能够在不设计任务相关结构的情况下，使$\text{UIE}$能够从不同的$\text{IE}$任务中学习。

2. 用于可控$\text{IE}$结构生成的结构化Schema指导器$\text{SSI}$

? $\text{UIE}$通过使用$\text{SEL}$来为不同的$\text{IE}$任务生成统一的结构。但是，不同的$\text{IE}$任务具有不同的schemas，因此如何在抽取过程中自适应的生成期望的信息是一个挑战。例如，给定一个句子$\text{Steve?became?CEO?of?Apple?in?1997.}$，期望生成三个实体结构$\text{((person:?Steve)(organization:?Apple)(Time:?1997))}$和一个事件结构$\text{(start?position:?became(employee:?Steve)(employer:?Apple))}$。为了能够实现这个目标，本文提出了结构化schema指导器$\text{SSI}$，其是一个基于schema的prompt机制，用于控制模型来确定哪些信息需要被定位，哪些信息需要被关联。

? 上图展示了整个$\text{UIE}$框架。正式来说，$\text{UIE}$将$\text{SSI(s)}$和文本序列$\text{(x)}$作为输入，并生成一个$\text{SEL(y)}$
$$y=\text{UIE}(s\oplus x)\text{\hspace{1em}(1)}$$
其中，$x=[x_1,\dots ,x_{|x|}]$是文本序列，$s=[s_1,\dots ,s_{|s|}]$是结构化schema指导器，且$y=[y_1,\dots ,y_{|y|}]$是$\text{SEL}$序列。

2.1 结构化Schema指导器$\text{SSI}$

? 结构化Schema指导器$\text{SSI}$是由基于schema的prompt构成，并使用其作为生成的前缀。

? 具体来说，与$\text{spotting-association}$结构相对于，$\text{SSI}$包含三种类型的片段。

? (1) $\text{SPOTNAME}$：特定信息抽取任务中的需要被定位信息的名称，例如$\text{NER}$任务中的"person"；

? (2) $\text{ASSONAME}$：关联名称，例如关系抽取中的"work for"；

? (3) 特殊符号$\text{[spot],[asso],[text]}$：这些符号被添加到$\text{SPOTNAME}$、$\text{ASSONAME}$和输入文本之前；

$\text{SSI}$中的所有tokens都会被拼接并放在原始序列之前。如上图所示，对于$\text{UIE}$的整个输入形式为
$$\begin{array}{rl}s\oplus x=& [s_1,s_2,\dots ,s_{|s|},x_1,x_2,\dots ,x_{|x|}]\\ =& [\text{[spot]},\dots ,\text{[spot]},\dots ,\\ & \text{[asso]},\dots ,\text{[asso]},\dots ,\\ & \text{[text]},x_1,x_2,\dots ,x_{|x|}]\end{array}\text{\hspace{1em}(2)}$$
举例来说，若按照关系模型"the person work for the company"来从句子中抽取信息，那么$\text{SSI}$就位$\text{[spot]?person?[spot]?company?[asso]?work?for?[text]}$。给定一个记为$s$的$\text{SSI}$，那么$\text{UIE}$首先会编码输入文本$x$，然后通过编码器-解码器风格的架构，以线性化$\text{SEL}$的方式来生成目标结构$y$。

? 基于schema的prompt能够：

? (1) 能够高效的指导$\text{UIE}$进行$\text{SEL}$生成，因此通用的$\text{IE}$能够能够被转移到新的$\text{IE}$任务中；

? (2) 能够自适应的控制定位哪些信息、关联哪些信息和生成哪些信息，所以不同类型任务和标签的知识可以被更好的共享；

2.2 基于$\text{UIE}$的结构生成

? 给定$\text{SSI}$ s和文本x作为输入，$\text{UIE}$通过生成线性化的$\text{SEL}$来抽取目标信息。本文使用编码器-解码器风格的架构来执行$\text{text-to-SEL}$的过程。给定一个文本序列$x$和schema指导器$s$，$\text{UIE}$首先会计算每个token的隐藏表示$\text{H}=[s_1,\dots ,s_{|s|},x_1,\dots ,x_{|x|}]$：
$$\text{H}=\text{Encoder}(s_1,\dots ,s_{|s|},x_1,\dots ,x_{|x|})\text{\hspace{1em}(3)}$$
其中，$\text{Encoder}(?)$是一个Transformer编码器。然后，$\text{UIE}$会以自回归的方式将输入解码为线性化的$\text{SEL}$。解码的第$i$步，$\text{UIE}$会生成$\text{SEL}$序列中的第$i$个token $y_i$，并解码出状态${\text{h}}_i^d$
$$y_i,{\text{h}}_i^d=\text{Decoder}([\text{H};{\text{h}}_1^d,\dots ,{\text{h}}_{i?1}^d])\text{\hspace{1em}(4)}$$
其中，$\text{Decoder}(?)$是一个Transformer解码器，其预测条件概率$p(y_i|y_{<i},x,s)$。最终，当输出为$\text{<eos>}$时$\text{Decoder}(?)$就完成了预测。然后，将预测的$\text{SEL}$转换为需要抽取的信息。

? 先前的$\text{IE}$将标签看作是具体的符号，$\text{UIE}$则通过$\text{text-to-structure}$生成范式将标注转换成了自然语言中的token。通过将标签和结构转换为语言，$\text{UIE}$能够有效的将预训练语言模型$\text{BART}$和$\text{T5}$中的知识进行迁移，并且相关的任务能够轻易的共享这些知识。

三、预训练

? 本小节主要包括：(1) 如何预训练大规模的$\text{UIE}$模型，其能够为不同的$\text{IE}$任务捕获通用的$\text{IE}$能力；(2) 如何微调$\text{UIE}$来适应不同类型的$\text{IE}$任务。

? 具体来说，作者先收集了几个大规模的数据集(包括：结构化的知识库、无结构化的文本以及平行语料)；然后，将这些异构的数据集进行统一并预训练$\text{UIE}$模型；最后，通过请求式的微调来使预训练模型$\text{UIE}$适应下游的各种$\text{IE}$任务。

1. 语料构建

? $\text{UIE}$需要编码文本，映射文本到结构，并解码出有效的结构。因此，作者从网络中收集了大规模的预训练语料：

? ${\mathcal{D}}_{pair}$是一个$\text{text-structure}$平行语料，每个实例都是一个平行对，即token序列$x$和结构化记录$y$。作者通过使用英文$\text{Wikipedia}$与$\text{Wikidata}$进行对齐，从而收集了大规模的平行$\text{text-structure}$对。${\mathcal{D}}_{pair}$被用于预训练$\text{UIE}$的$\text{text-to-structure}$迁移能力。

? ${\mathcal{D}}_{record}$是一个结构化的数据集，每个实例都是一个结构化的记录$y$。作者从$\text{ConceptNet}$和$\text{Wikidata}$中收集结构化数据。${\mathcal{D}}_{record}$被用来预训练$\text{UIE}$的结构化解码能力。

? ${\mathcal{D}}_{text}$是无结构化文本数据集。作者使用英文$\text{Wikipedia}$中的所有普通文本。${\mathcal{D}}_{text}$被用来预训练$\text{UIE}$的语义编码能力。

2. 预训练

2.1 使用${\mathcal{D}}_{pair}$进行$\text{text-to-structure}$预训练

? 为了能够使模型捕获基本的$\text{text-to-structure}$映射能力，这里是以 D p a i r = { ( x , y ) } \mathcal{D}_{pair}=\{(x,y)\} Dpair?={(x,y)}来预训练模型$\text{UIE}$。具体来说，对于给定的平行样本对$(x,y)$，抽取需要定位的类型$s_{s+}$和$y$中的关联类型$s_{a+}$来构成正样本$s_{+}=s_{s+}\cup s_{a+}$。然而，仅使用这样的正样本来训练$\text{UIE}$，模型仅仅会简单的记住预训练数据中的三元组。为了能够学习到通用的映射能力，这里也自动构造了负样本。即采样负的定位类型$s_{s?}$和负的关联类型集合$s_{a?}$，然后拼接出最终的数据集$s_{meta}=s_{+}\cup s_{s?}\cup s_{a?}$。

? 举例来说，"person"和“word”在记录$\text{"((person:?Steve)(work?for:?Apple))"}$中是正样本，并且采样"vehicle"和"located in"作为样样本。最后，$\text{text-to-structure}$预训练目标函数为
$${\mathcal{L}}_{Pair}=\sum _{(x,y)\in {\mathcal{D}}_{pair}}?\text{log}p(y|x,s_{meta};{\theta }_e,{\theta }_d)\text{\hspace{1em}(5)}$$
其中，${\theta }_e$和${\theta }_d$是编码器和解码器的参数。

2.2 使用${\mathcal{D}}_{record}$进行结构化生成预训练

? 为了预训练$\text{UIE}$对于由$\text{SEL}$和$\text{schema}$定义结构的生成能力，这里使用${\mathcal{D}}_{record}$来预训练$\text{UIE}$。将$\text{UIE}$的解码器作为一个结构化语言模型，且${\mathcal{D}}_{record}$中的每个记录都是一个$\text{SEL}$表达式，则
$${\mathcal{L}}_{Record}=\sum _{y\in {\mathcal{D}}_{record}}?\text{log}p(y_i|y_{<i};{\theta }_d)\text{\hspace{1em}(6)}$$
通过为结构化生成进行预训练，解码器能够捕获$\text{SEL}$的规律性和不同标签间的交互。

2.3 使用${\mathcal{D}}_{text}$改进语义表示

? 在$\text{text-to-structure}$预训练的过程中，继续在${\mathcal{D}}_{text}$上使用$\text{MLM}$来预训练$\text{UIE}$，从而改进$\text{UIE}$的语义表示能力。
$${\mathcal{L}}_{Text}=\sum _{x\in {\mathcal{D}}_{text}}?\text{log}p(x^{\prime \prime }|x^{\prime };{\theta }_e,{\theta }_d)\text{\hspace{1em}(7)}$$
其中，$x^{\prime }$是被遮蔽部分token的原文本，$x^{\prime \prime }$是被遮蔽的token片段。这个预训练能够有效的缓解特殊语义符号$\text{SPOTNAME}$和$\text{ASSONAME}$的语义的灾难性遗忘。

2.4 最终的预训练损失函数

? 使用$\text{T5-v1.1-base}$和$\text{T5-v1.1-large}$来初始化$\text{UIE-base}$和$\text{UIE-large}$。最终的目标函数合并了上面的所有任务
$$\mathcal{L}={\mathcal{L}}_{Pair}+{\mathcal{L}}_{Record}+{\mathcal{L}}_{Text}\text{\hspace{1em}(8)}$$
在实现中，将所有的预训练数据都表示为三元组。对于${\mathcal{D}}_{text}$中的文本数据$x$，构建三元组$(\text{None},x^{\prime },x^{\prime \prime })$，其中$x^{\prime }$是被遮蔽部分token的原始文本，$x^{\prime \prime }$是被遮蔽的token片段。对于${\mathcal{D}}_{pair}$中的$\text{text-record}$数据$(x,y)$，通过为每个$\text{text-record}$采样meta-schema来构造三元组$(s,x,y)$。对于${\mathcal{D}}_{record}$中的记录数据$y$，采用$(\text{None,None},y)$作为输入三元组。

3. 按需微调

? 给定一个预训练好的$\text{UIE}$模型，通过模型微调能够快速调整模型来适应不同的$\text{IE}$任务和设置。给定一个标注好的语料${\mathcal{D}}_{task}=(s,x,y)$，使用交叉熵损失函数来微调$\text{UIE}$
$${\mathcal{L}}_{FT}=\sum _{(s,x,y)\in {\mathcal{D}}_{Task}}?\text{log}p(y|x,s;{\theta }_e,{\theta }_d)\text{\hspace{1em}(9)}$$
为了缓解自回归模型在解码过程中的曝光偏差，设计了一种$\text{Rejection}$机制来进行更加有效的微调。具体来说，给定一个实例$(s,x,y)$，先使用$\text{SEL}$来编码$y$，然后以概率$p_{?}$随机的向$\text{SPOTNAME}$和$\text{ASSONAME}$中插入$[\text{NULL}]$，来构造负样本$(\text{SPOTNAME,[NULL]})$和$(\text{ASSONAME,[NULL]})$。举例来说，上表中$facility$在prompt中是负spot，也就是在矩阵"Steve became CEO of Apple in 1997"中并没有$facility$实体。因此，随机将噪音$\text{"(facility:[NULL])"}$加入至record中。通过这种方式，$\text{UIE}$能够通过生成$\text{[NULL]}$来学习拒绝错误的生成。

四、实验

五、总结

• 通过生成模型来统一不同的信息抽取任务；
• 为不同的任务设计了统一的抽取语言；
• 通过prompt来控制模型的生成行为；
• 展示了一种预训练这种模型的方式；

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