BERT实现QA中的问句语义相似度计算

1. BERT 语义相似度

BERT的全称是Bidirectional Encoder Representation from Transformers，是Google2018年提出的预训练模型，即双向Transformer的Encoder，因为decoder是不能获要预测的信息的。模型的主要创新点都在pre-train方法上，即用了Masked LM和Next Sentence Prediction两种方法分别捕捉词语和句子级别的representation。

有一个这样的场景，QA对话系统，希望能够在问答库中找到与用户问题相似的句子对，然后把答案返回给用户。这篇就是要解决这个问题的。

关于 BERT 的原理知识请访问: http://mantchs.com/2019/09/28/NLP/BERT/

下面介绍一个封装好的 BERT 工具，利用该工具能够快速的得到词向量表示。该工具的名称叫做: bert-as-service，从名称就可以看出作者是把 BERT 作为一种服务了，只要调用该服务就能够得到我们想要的向量表示，得到向量以后，就可以通过余弦相似度的计算公式计算向量之间的相似度。

bert-as-service 源码详见: https://github.com/hanxiao/bert-as-service

bert-as-service 使用文档: https://bert-as-service.readthedocs.io/en/latest/index.html

步骤如下:

1. 安装 bert-as-service 的服务端和客户端。
2. 预训练 BERT 模型。
3. 客户端编写代码请求服务端得到句向量。
4. 句子与句子向量之间计算相似度，并返回 top_k 个结果。

2. 安装 bert-as-service

1. 环境要求:

   Python版本 >= 3.5，Tensorflow版本 >= 1.10

   (本人环境，Python = 3.7 Tensorflow = 1.13.1)

2. 安装服务端和客户端

   pip install -U bert-serving-server bert-serving-client
   

3. 启动 BERT 服务

1. 下载预训练模型

   Google AI发布的经过预训练的BERT模型。这里我们下载 BERT-Base, Chinese，12-layer, 768-hidden, 12-heads, 110M parameters。

   链接:

   https://pan.baidu.com/s/1jJudiTj__vbFb0WkEQUxWw

   密码:mf4p

2. 启动服务

   解压缩后，运行如下命令进行启动，目录换成解压后的路径。(-num_worker指定使用多少个CPU)

   bert-serving-start -model_dir /Users/mantch/Downloads/chinese_L-12_H-768_A-12 -num_worker=4
   

   运行后会看到如下结果:

       http_max_connect = 10
              http_port = None
           mask_cls_sep = False
         max_batch_size = 256
            max_seq_len = 25
              model_dir = /Users/mantch/Downloads/chinese_L-12_H-768_A-12
   no_position_embeddings = False
       no_special_token = False
             num_worker = 4
          pooling_layer = [-2]
       pooling_strategy = REDUCE_MEAN
                   port = 5555
               port_out = 5556
          prefetch_size = 10
    priority_batch_size = 16
   show_tokens_to_client = False
        tuned_model_dir = None
                verbose = False
                    xla = False
   

   其中就已经显示了port = 5555，port_out = 5556 等端口号信息。

   如果显示以下信息就表示可以使用了

   I:WORKER-0:[__i:gen:559]:ready and listening!
   I:WORKER-3:[__i:gen:559]:ready and listening!
   I:WORKER-1:[__i:gen:559]:ready and listening!
   I:WORKER-2:[__i:gen:559]:ready and listening!
   I:VENTILATOR:[__i:_ru:164]:all set, ready to serve request!
   

4. 相似度计算

1. 数据集

   我们使用蚂蚁金服语义相似度比赛的一份数据集，该数据集分为 4 列，第一列是索引，第二列和第三列是句子，第四列中的 1 表示这两个句子是同义句，否则表示为 0。

   数据集下载地址: https://www.lanzous.com/ia9dg8b

2. 编写代码

   import pandas as pd
   import numpy as np
   from bert_serving.client import BertClient
   from termcolor import colored
   
   num = 100     # 采样数
   topk = 5     # 返回 topk 个结果
   
   # 读取数据集
   sentence_csv = pd.read_csv('atec_nlp_sim_train_all.csv', sep='\t', names=['idx', 's1', 's2', 'label'])
   sentences = sentence_csv['s1'].tolist()[:num]
   print('%d questions loaded, avg.len %d' % (len(sentences), np.mean([len(d) for d in sentences])))
   
   with BertClient(port=5555, port_out=5556) as bc:
   
       # 获取句子向量编码
       doc_vecs = bc.encode(sentences)
   
       while True:
           query = input(colored('your question：', 'green'))
           query_vec = bc.encode([query])[0]
   
           # 余弦相似度 分数计算。
           # np.linalg.norm 是求取向量的二范数，也就是向量长度。
           score = np.sum(query_vec * doc_vecs, axis=1) / np.linalg.norm(doc_vecs, axis=1)
   
           '''
           		argsort()函数是将x中的元素从小到大排列，提取其对应的index(索引)
   
               [::-1]取从后向前（相反）的元素, 例如[ 1 2 3 4 5 ]
               则输出为[ 5 4 3 2 1 ]
           '''
           topk_idx = np.argsort(score)[::-1][:topk]
           print('top %d questions similar to "%s"' % (topk, colored(query, 'green')))
           for idx in topk_idx:
               print('> %s\t%s' % (colored('%.1f' % score[idx], 'cyan'), colored(sentences[idx], 'yellow')))