背景

题目：
BART: Denoising Sequence-to-Sequence Pre-training for Natural Language Generation, Translation, and Comprehension
机构：Facebook AI
作者：Mike Lewis, Yinhan Liu, Naman Goyal, Marjan Ghazvininejad, Abdelrahman Mohamed, Omer Levy, Ves Stoyanov, Luke Zettlemoyer
论文地址：https://arxiv.org/abs/1910.13461
收录会议：ACL 2020
代码：https://github.com/pytorch/fairseq/tree/master/examples/bart

摘要

文章提出一个预训练sequence-to-sequence的去噪自编码器：BART。BART的训练主要由2个步骤组成：(1)使用任意噪声函数破坏文本(2）模型学习重建原始文本。BART 使用基于 Transformer 的标准神经机器翻译架构，可视为BERT(双向编码器)、GPT(从左至右的解码器)等近期出现的预训练模型的的泛化。文中评估了多种噪声方法，最终发现通过随机打乱原始句子的顺序，再使用首创的新型文本填充方法(即用单个 mask token 替换文本片段，换句话说不管是被mask掉多少个token，都只用一个特定的mask token表示该位置有token被遮蔽了)能够获取最优性能。BART 尤其擅长处理文本生成任务，不过在自然语言理解任务中也颇有可圈可点之处。在同等训练资源下，BART 在 GLUE 和 SQuAD 数据集上的效果与 RoBERTa 不相伯仲，并在对话摘要、问答和文本摘要等任务中斩获得新的记录，在 XSum 数据集上的性能比之前的最佳结果高出了6个ROUGE。在机器翻译任务中，BART 在仅使用目标语言预训练的情况下，获得了比回译系统高出 1.1 个 BLEU 值的结果。此外，文章还使用控制变量在BART 框架内使用其他预训练机制，从而更好地评估影响下游任务性能的因素。

模型

BART结合双向(比如BERT)和自回归(比如GPT) Transformer对模型进行预训练。此外，BART参考了GPT中的激活函数，将ReLU也改为GeLU。BART、BERT和GPT之间的对比如 Figure 1所示。

(a)BERT：用掩码替换随机 token，双向编码文档。由于缺失 token 被单独预测，因此 BERT 较难用于生成任务。(b)GPT：使用自回归方式预测 token，这意味着GPT可用于生成任务。 但是，该模型仅基于左侧上下文预测单词，无法学习双向交互。
©BART：编码器输入与解码器输出无需对齐，即允许任意噪声变换。使用掩码符号替换文本段，从而破坏文本。使用双向模型编码被破坏的文本（左），然后使用自回归解码器计算原始文档的似然（右）。至于微调，未被破坏的文档是编码器和解码器的输入，研究者使用来自解码器最终隐藏状态的表征。

BART的base版中的encoder和decoder都是6层网络，large则分别12层。BART与BERT还有2点不同(1)decoder中的每一层都与encoder最后隐藏层执行交叉关注(cross-attention，就像在transformer序列到序列模型中一样)。(2)BERT在预测token之前接一个前馈网络，而BART没有。总的来说，BART比同等大小的BERT模型多了大约10%的参数。

BART的一个关键优势是噪声的随意性，可以动用任何方式(包括改变长度)对原始文本进行破坏。这种方式让模型学习更多地考虑句子的整体长度，并对输入进行更大范围的转换，从而将BERT中MLM和NSP目标统一起来。此外，BART也为微调开创了一个新思路。BART做机器翻译的时候，将BART堆叠在一些额外的Transformer层之上，这些附加的Transformer层实质上是把其他语种翻译成带噪的英语，再通过BART模型，从而将BART作为一个预训练好的目标端语言模型。这种方法在WMT Romanian-English数据集上高出回译系统1.1个BLEU。

预训练

BART的损失函数是decoder的输出与原始文本之间的交叉熵。与其他去噪自编码器(一般需要定制特定的噪声方案)不同的是BART可以使用任何的加噪方式。在极端情况下，源信息都可以全部缺失，此时的BART就蜕化成了一个语言模型。文章中用到的加噪方案(即原始文本如何被破坏)如Figure 2所示。

Figure 2：对输入进行噪声化的变换方法。这些变换方法可以组合使用。

主要有：
(1)Token Masking：与 BERT 一样，BART 随机采样 token，并用 [MASK] 这一预定义的特殊token进行替换。
(2)Token Deletion：从输入中随机删除 token。与 Token Masking不同，模型必须同时确定输入中缺失的位置。
(3)Text Infilling：采样多个文本片段，每个文本片段长度服从λ = 3的泊松分布。每个文本片段用单个[MASK] token替换。从泊松分布中采样出长度为 0 的文本片段对应 插入 [MASK] token。这种文本填充方法的思想源于SpanBERT，但SpanBERT采样的文本片段长度服从的是几何分布，且用等长的[MASK] token 序列替换掉文本片段。因此，BART能够迫使模型学习到一个片段中所缺失的token数量。
(4)Sentence Permutation：这里的句子排列变换是指按句号将文档分割成多个句子，然后随机打乱这些句子。
(5)Document Rotation：随机均匀地选择 一个token，再旋转文档使文档以该 token 作为起始。该任务的目的是训练模型识别文档开头。

Fine-tuning

BART在文本分类和翻译任务中的微调如Figure 3所示。以下具体介绍 BART 在各个下游任务的微调。

Figure 3：a：当使用 BART 解决分类问题，用相同的输入文本输入到encoder和decoder，使用最终输出的表征。b：对于机器翻译任务，训练一个额外的小型encoder来替换 BART 中的词嵌入。新encoder可使用不同的词汇。

序列分类任务：
同一个输入同时输入到encoder 和decoder，将最后decoder的token的最终隐层状态被输入到一个新的多类别线性分类器中。该方法与 BERT 中的 CLS token 类似，不过 BART 在decoder最后额外添加了一个 token，如此该 token 在decoder中的表征可以关注到完整输入的decoder状态（见Figure 3a）。

token 分类任务：
token的分类任务，比如SQuAD中答案端点的分类。将完整文档输入到encoder和decoder中，使用decoder最上方的隐状态作为每个token的表征以判断该 token 的类别，比如是否为答案端部。

序列生成任务：
由于 BART 具备自回归解码器，因此可以直接应用到序列生成任务(如生成式问答和文本摘要)进行微调。在这两项任务中，从输入复制经过处理的信息，这与去噪预训练目标紧密相关。encoder的输入是输入序列，decoder以自回归的方式生成输出。

机器翻译：
BART用以机器翻译的时候，将整个BART(包括encoder和decoder)作为一个单独的预训练decoder，并增加一系列的从双语语料学习而得的encoder，如 Figure 3b所示。具体是用一个新的随机初始化encoder替换 BART encoder的嵌入层。该模型以端到端的方式训练，即训练一个新的encoder将外来词映射到输入(BART可将其去噪为英文）。这个新的encoder可以使用不同于原始 BART 模型的词汇。

源encoder的训练分两步，均需要将BART模型输出的交叉熵损失进行反向传播。
(1)冻结 BART 的大部分参数，仅更新随机初始化的源encoder、BART 位置嵌入和 BART encoder第一层的自注意力输入投影矩阵。
(2)将所有模型参数进行少量迭代训练。

实验

预训练目标对比

文章中还充分对比了不同预训练目标的影响，包括：
(1)语言模型：与GPT类似，训练一个从左到右的Transformer语言模型。该模型相当于BART的decoder，只是没有交叉注意(cross-attention)。
(2)排列语言模型：该模型基于XLNet，采样1/6的token，并以自回归的随机顺序生成。为了与其他模型保持一致，这里没有引入相对位置编码和XLNet中的片段级的循环注意力机制。
(3)带遮蔽的语言模型：与BERT相同，15%的token用 [MASK] token替换，训练模型重建出这些被遮蔽掉的token。
(4)多任务遮蔽的语言模型：与 UniLM 一样，使用额外self-attention mask训练带遮蔽的语言模型。自注意力遮蔽按如下比例随机选择:1/6从左到右；1/6从右到左；1/3未遮蔽；剩余的1/3中前50%的未遮蔽，其余的从左到右遮蔽。
(5)带遮蔽的seq-to-seq：与MASS模型类似，遮蔽一个片段中50%的token，并训练一个序列到序列模型预测被遮蔽的tokens。
实验过程对比了两种方案：
(1)将所有任务视为sequence-to-sequence问题，source端输入到encoder，decoder端的输出即为target结果。
(2)在decoder端将source作为target的一个前缀，且只在序列的target部分有损失函数。
实验发现前者对BART模型更有效，后者对其他模型更有效。更加详细的实验结果如 Table 1所示。

Table 1：预训练目标对比。各个预训练目标源于BERT, MASS, GPT, XLNet和UniLM。对比的模型都是尺寸近似，训练步数都是1M，预训练使用的数据也相同。

从中可以看出使用文本填充方案(Text Infilling)的BART战绩斐然。从中可以得出以下结论：
(1)在不同的任务中，预训练方法的表现有显著差异。换句话说，预训练方法的有效性高度依赖于任务本身。比如，一个简单的语言模型在ELI5数据集上可以夺冠，但是在SQUAD上的结果却是最差的。
(2)遮蔽Token至关重要。只使用旋转文档或句子组合的预训练目标则效果较差，效果较好的都是使用了token的删除或遮蔽作为预训练目标。此外，在生成任务上，删除token似乎比遮蔽token更胜一筹。
(3)从左到右的预训练目标有助于文本生成任务。遮蔽语言模型和排列语言模型在文本生成任务上不如其他模型。而这两种模型在预训练阶段都没有用到从左到右的自回归语言模型。
(4)对于SQuAD而言双向的encoder至关重要。因为上下文在分类决策中至关重要，BART仅用双向层数的一半就能达到BERT类似的性能。
(5)预训练目标并不是唯一重要的因素。这里的排列语言模型略逊于XLNet，其中一些差异可能是由于没有使用XLNet架构中的其他的改进，如相对位置编码和片段级的循环机制。
(6)纯语言模型在ELI5数据集上技压群雄，其困惑度远优于其他模型。这表明当输出仅受到输入的松散约束时，BART较为低效。

总而言之，使用文本填充预训练目标的BAR在多项任务上(除了ELI5之外)效果都很好。

Large版模型对比

自然语言理解任务

由于更大模型和更大batch size有助于下游任务性能的提升，所以文章还进一步对比各模型的large版。Large版的BART，encoder和decoder分别有12层，隐层大小为1024，batch size与RoBERTa一样都是8000，模型预训练了500000个step。tokenized方法借用 GPT-2 中的字节对编码(BPE)。各个模型在GLUE上的实验对比结果如 Table 2所示。

Table 2：Large版模型在 SQuAD 和 GLUE 上的实验结果。BART 的效果可比肩 RoBERTa 和 XLNet，这表明 BART 的单向decoder层并不会降低模型在判别任务上的性能。

各个模型在SQuAD上的对比结果如Table 3所示。

Table 3：BART的结果与XLNet和RoBERTa不相伯仲。

总体而言，BART在自然语言理解任务上与其他先进模型不相上下。这表明BART在生成任务上的进一步突破并不是以牺牲自然语言理解性能为代价。

自然语言生成任务

在文本生成任务中选用了摘要生成(CNN/DailyMail 和XSum)、对话(CONVAI2)和生成式问答(ELI5，是一个长篇问答数据集)中对应的数据集进行评测，结果如 Table 4所示。

Table 4：在两个标准摘要数据集上的结果。

从结果可以看出，在这两个摘要任务上，BART 在所有度量指标上均优于之前的模型。BART在更抽象的 XSum 数据集上的比之前最优的RoBERTa高出3.5个点(所有的ROUGE指标)。此外，从人工评测的角度来看，BART也大幅优于之前的模型。但是，与人类的摘要结果仍然有差距。

各模型在CONVAI2上的实验结果如Table 5所示。

Table 5：BART 在对话生成任务上的性能优于之前的研究。其中困惑度基于 ConvAI2 官方 tokenizer 进行了重新归一化。

在ELI5数据集上的评测结果如Table 6所示。

Table 6：BART在具有挑战性的ELI5生产式问答数据集上达到了最先进的结果。

发现BART的性能比之前最好的工作(指Seq2Seq Multi-task)高出1.2个 ROUGE-L。因为该数据集中的问题只对答案进行了微弱的指定，从而提升了该数据集的难度。
leader board结果如下：

机器翻译任务

BART在WMT16 Romanian-English上与其他模型的对比结果如Table 7所示。

Table 7：BART 和基线模型(Transformer)在机器翻译任务上的性能对比情况。

参与对比的模型使用数据集包括 WMT16 RO-EN 和用回译系统做的扩增数据。可以看出BART使用单语英文预训练，性能结果优于基线模型。

总结

文本介绍了一种预训练模型：BART。该模型是一个预训练sequence-to-sequence的去噪自编码器。BART不同于一些只能针对特定的噪声的去噪自编码器，可以使用任意方式破坏原始文本，最极端的情况下，源文本信息全部丧失，此时BART蜕变为一个语言模型。BART模型中的文本填充方法让模型学习更多地考虑句子的整体长度，并对输入进行更大范围的转换，从而将BERT中MLM和NSP目标统一起来，加大了模型学习难度。BART在自然语言理解任务上与先进模型不相伯仲，但是在文本生成任务上可以碾压其他模型，一枝独秀。