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语义索引（可通俗理解为向量索引）技术是搜索引擎、推荐系统、广告系统在召回阶段的核心技术之一。语义索引模型的目标是：给定输入文本，模型可以从海量候选召回库中快速、准确地召回一批语义相关文本。语义索引模型的效果直接决定了语义相关的物料能否被成功召回进入系统参与上层排序，从基础层面影响整个系统的效果。
在召回阶段，最常见的方式是通过双塔模型，学习Document(简写为Doc)的向量表示，对Doc端建立索引，用ANN召回。我们在这种方式的基础上，引入语义索引策略 In-batch Negatives，以如下Batch size=4的训练数据为例：
我手机丢了，我想换个手机 我想买个新手机，求推荐
求秋色之空漫画全集 求秋色之空全集漫画
学日语软件手机上的 手机学日语的软件
侠盗飞车罪恶都市怎样改车 侠盗飞车罪恶都市怎么改车
In-batch Negatives 策略的训练数据为语义相似的 Pair 对，策略核心是在 1 个 Batch 内同时基于 N 个负例进行梯度更新，将Batch 内除自身之外其它所有 Source Text 的相似文本 Target Text 作为负例，例如: 上例中“我手机丢了，我想换个手机” 有 1 个正例(”我想买个新手机，求推荐“)，3 个负例(1.求秋色之空全集漫画，2.手机学日语的软件，3.侠盗飞车罪恶都市怎么改车)。
双塔模型，采用ERNIE1.0热启，在召回训练阶段引入In-batch Negatives 策略，使用hnswlib建立索引库，进行召回测试。
采用 Recall@1，Recall@5 ，Recall@10 ，Recall@20 和 Recall@50 指标来评估语义索引模型的召回效果。
Recall@K召回率是指预测的前topK（top-k是指从最后的按得分排序的召回列表中返回前k个结果）结果中检索出的相关结果数和库中所有的相关结果数的比率，衡量的是检索系统的查全率。
效果评估
| 模型 | Recall@1 | Recall@5 | Recall@10 | Recall@20 | Recall@50 | 策略简要说明 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| In-batch Negatives | 51.301 | 65.309 | 69.878 | 73.996 | 78.881 | Inbatch-negative有监督训练 |
推荐使用GPU进行训练，在预测阶段使用CPU或者GPU均可。
环境依赖
- python >= 3.6
- paddlepaddle >= 2.1.3
- paddlenlp >= 2.2
- hnswlib >= 0.5.2
- visualdl >= 2.2.2
|—— data.py # 数据读取、数据转换等预处理逻辑
|—— base_model.py # 语义索引模型基类
|—— train_batch_neg.py # In-batch Negatives 策略的训练主脚本
|—— batch_negative
|—— model.py # In-batch Negatives 策略核心网络结构
|—— ann_util.py # Ann 建索引库相关函数
|—— recall.py # 基于训练好的语义索引模型，从召回库中召回给定文本的相似文本
|—— evaluate.py # 根据召回结果和评估集计算评估指标
|—— predict.py # 给定输入文件，计算文本 pair 的相似度
|—— export_model.py # 动态图转换成静态图
|—— scripts
|—— export_model.sh # 动态图转换成静态图脚本
|—— predict.sh # 预测 bash 版本
|—— evaluate.sh # 评估 bash 版本
|—— run_build_index.sh # 构建索引 bash 版本
|—— train_batch_neg.sh # 训练 bash 版本
|—— export_to_serving.sh # Paddle Inference 转 Serving 的 bash 脚本
|—— deploy
|—— python
|—— predict.py # PaddleInference
|—— deploy.sh # Paddle Inference 部署脚本
|—— rpc_client.py # Paddle Serving 的 Client 端
|—— web_service.py # Paddle Serving 的 Serving 端
|—— config_nlp.yml # Paddle Serving 的配置文件
|—— inference.py # 动态图抽取向量
|—— export_to_serving.py # 静态图转 Serving
我们基于某文献检索平台数据，构造面向语义索引的训练集、测试集、召回库。
训练集 和 验证集 格式一致，训练集4k条，测试集2w条，每行由一对语义相似的文本Pair构成，以tab符分割，第一列是检索query，第二列由相关文献标题（+关键词）构成。样例数据如下:
宁夏社区图书馆服务体系布局现状分析 宁夏社区图书馆服务体系布局现状分析社区图书馆,社区图书馆服务,社区图书馆服务体系
人口老龄化对京津冀经济 京津冀人口老龄化对区域经济增长的影响京津冀,人口老龄化,区域经济增长,固定效应模型
英语广告中的模糊语 模糊语在英语广告中的应用及其功能模糊语,英语广告,表现形式,语用功能
甘氨酸二肽的合成 甘氨酸二肽合成中缩合剂的选择甘氨酸,缩合剂,二肽
召回库 用于模拟业务线上的全量语料库，评估模型的召回效果，计算相应的Recall指标。召回库总共30万条样本，每行由一列构成，文献标题（+关键词），样例数据如下：
陕西省贫困地区城乡青春期少女生长发育调查青春期,生长发育,贫困地区
五丈岩水库溢洪道加固工程中的新材料应用碳纤维布,粘钢加固技术,超细水泥,灌浆技术
木塑复合材料在儿童卫浴家具中的应用探索木塑复合材料,儿童,卫浴家具
泡沫铝准静态轴向压缩有限元仿真泡沫铝,准静态,轴向压缩,力学特性
├── milvus # milvus建库数据集
├── milvus_data.csv. # 构建召回库的数据
├── recall # 召回（语义索引）数据集
├── corpus.csv # 用于测试的召回库
├── dev.csv # 召回验证集
├── test.csv # 召回测试集
├── train.csv # 召回训练集
├── train_unsupervised.csv # 无监督训练集
├── sort # 排序数据集
├── test_pairwise.csv # 排序测试集
├── dev_pairwise.csv # 排序验证集
└── train_pairwise.csv # 排序训练集
语义索引训练模型下载链接：
以下模型结构参数为: TrasformerLayer:12, Hidden:768, Heads:12, OutputEmbSize: 256
| Model | 训练参数配置 | 硬件 | MD5 |
|---|---|---|---|
| batch_neg | margin:0.2 scale:30 epoch:3 lr:5E-5 bs:64 max_len:64 |
4卡 v100-16g |
f3e5c7d7b0b718c2530c5e1b136b2d74 |
- NVIDIA Driver Version: 440.64.00
- Ubuntu 16.04.6 LTS (Docker)
- Intel(R) Xeon(R) Gold 6148 CPU @ 2.40GHz
这里采用单机多卡方式进行训练，通过如下命令，指定 GPU 0,1,2,3 卡, 基于 In-batch Negatives 策略训练模型，数据量比较小，几分钟就可以完成。如果采用单机单卡训练，只需要把--gpus参数设置成单卡的卡号即可。
如果使用CPU进行训练，则需要吧--gpus参数去除，然后吧device设置成cpu即可，详细请参考train_batch_neg.sh文件的训练设置
然后运行下面的命令使用GPU训练，得到语义索引模型：
root_path=recall
python -u -m paddle.distributed.launch --gpus "0,1,2,3" \
train_batch_neg.py \
--device gpu \
--save_dir ./checkpoints/${root_path} \
--batch_size 64 \
--learning_rate 5E-5 \
--epochs 3 \
--output_emb_size 256 \
--save_steps 10 \
--max_seq_length 64 \
--margin 0.2 \
--train_set_file recall/train.csv
参数含义说明
device: 使用 cpu/gpu 进行训练batch_size: 训练的batch size的大小learning_rate: 训练的学习率的大小epochs: 训练的epoch数save_dir: 模型存储路径output_emb_size: Transformer 顶层输出的文本向量维度save_steps： 模型存储 checkpoint 的间隔 steps 个数max_seq_length: 输入序列的最大长度margin: 正样本相似度与负样本之间的目标 Gaptrain_set_file: 训练集文件
也可以使用bash脚本：
sh scripts/train_batch_neg.sh
效果评估分为 4 个步骤:
a. 获取Doc端Embedding
基于语义索引模型抽取出Doc样本库的文本向量。
b. 采用hnswlib对Doc端Embedding建库
使用 ANN 引擎构建索引库(这里基于 hnswlib 进行 ANN 索引)
c. 获取Query的Embedding并查询相似结果
基于语义索引模型抽取出评估集 Source Text 的文本向量，在第 2 步中建立的索引库中进行 ANN 查询，召回 Top50 最相似的 Target Text, 产出评估集中 Source Text 的召回结果 recall_result 文件。
d. 评估
基于评估集 dev.csv 和召回结果 recall_result 计算评估指标 Recall@k，其中k取值1，5，10，20，50。
运行如下命令进行 ANN 建库、召回，产出召回结果数据 recall_result
root_dir="checkpoints/inbatch"
python -u -m paddle.distributed.launch --gpus "3" --log_dir "recall_log/" \
recall.py \
--device gpu \
--recall_result_dir "recall_result_dir" \
--recall_result_file "recall_result.txt" \
--params_path "${root_dir}/model_40/model_state.pdparams" \
--hnsw_m 100 \
--hnsw_ef 100 \
--batch_size 64 \
--output_emb_size 256\
--max_seq_length 60 \
--recall_num 50 \
--similar_text_pair "recall/dev.csv" \
--corpus_file "recall/corpus.csv"
参数含义说明
device: 使用 cpu/gpu 进行训练recall_result_dir: 召回结果存储目录recall_result_file: 召回结果的文件名params_path： 待评估模型的参数文件名hnsw_m: hnsw 算法相关参数，保持默认即可hnsw_ef: hnsw 算法相关参数，保持默认即可output_emb_size: Transformer 顶层输出的文本向量维度recall_num: 对 1 个文本召回的相似文本数量similar_text_pair: 由相似文本对构成的评估集corpus_file: 召回库数据 corpus_file
也可以使用下面的bash脚本：
sh scripts/run_build_index.sh
run_build_index.sh还包含cpu和gpu运行的脚本，默认是gpu的脚本
成功运行结束后，会在 ./recall_result_dir/ 目录下产出 recall_result.txt 文件
热处理对尼龙6 及其与聚酰胺嵌段共聚物共混体系晶体熔融行为和结晶结构的影响 热处理对尼龙6及其与聚酰胺嵌段共聚物共混体系晶体熔融行为和结晶结构的影响尼龙6,聚酰胺嵌段共聚物,芳香聚酰胺,热处理 0.9831992387771606
热处理对尼龙6 及其与聚酰胺嵌段共聚物共混体系晶体熔融行为和结晶结构的影响 热处理方法对高强高模聚乙烯醇纤维性能的影响聚乙烯醇纤维,热处理,性能,热拉伸,热定型 0.8438636660575867
热处理对尼龙6 及其与聚酰胺嵌段共聚物共混体系晶体熔融行为和结晶结构的影响 制备工艺对PVC/ABS合金力学性能和维卡软化温度的影响PVC,ABS,正交试验,力学性能,维卡软化温度 0.8130228519439697
.....
接下来，运行如下命令进行效果评估，产出Recall@1, Recall@5, Recall@10, Recall@20 和 Recall@50 指标:
python -u evaluate.py \
--similar_text_pair "recall/dev.csv" \
--recall_result_file "./recall_result_dir/recall_result.txt" \
--recall_num 50
也可以使用下面的bash脚本：
sh scripts/evaluate.sh
参数含义说明
similar_text_pair: 由相似文本对构成的评估集 semantic_similar_pair.tsvrecall_result_file: 针对评估集中第一列文本 Source Text 的召回结果recall_num: 对 1 个文本召回的相似文本数量
成功运行结束后，会输出如下评估指标:
recall@1=51.261
recall@5=65.279
recall@10=69.848
recall@20=73.971
recall@50=78.84
我们可以基于语义索引模型预测文本的语义向量或者计算文本 Pair 的语义相似度。
修改 inference.py 文件里面输入文本 id2corpus 和模型路径 params_path ：
params_path='checkpoints/inbatch/model_40/model_state.pdparams'
id2corpus={0:'国有企业引入非国有资本对创新绩效的影响——基于制造业国有上市公司的经验证据'}
然后运行：
python inference.py
预测结果为256维的向量：
[1, 256]
[[ 0.07766181 -0.13780491 0.03388524 -0.14910668 -0.0334941 0.06780092
0.0104043 0.03168401 0.02605671 0.02088691 0.05520441 -0.0852212
.....
待预测数据为 tab 分隔的 csv 文件，每一行为 1 个文本 Pair，部分示例如下:
试论我国海岸带经济开发的问题与前景 试论我国海岸带经济开发的问题与前景海岸带,经济开发,问题,前景
外语阅读焦虑与英语成绩及性别的关系 外语阅读焦虑与英语成绩及性别的关系外语阅读焦虑,外语课堂焦虑,英语成绩,性别
数字图书馆 智能化图书馆
网络健康可信性研究 网络成瘾少年
以上述 demo 数据为例，运行如下命令基于我们开源的 In-batch Negatives 策略语义索引模型开始计算文本 Pair 的语义相似度:
root_dir="checkpoints/inbatch"
python -u -m paddle.distributed.launch --gpus "3" \
predict.py \
--device gpu \
--params_path "${root_dir}/model_40/model_state.pdparams" \
--output_emb_size 256 \
--batch_size 128 \
--max_seq_length 64 \
--text_pair_file "recall/test.csv"
参数含义说明
device: 使用 cpu/gpu 进行训练params_path： 预训练模型的参数文件名output_emb_size: Transformer 顶层输出的文本向量维度text_pair_file: 由文本 Pair 构成的待预测数据集
也可以运行下面的bash脚本：
sh scripts/predict.sh
predict.sh文件包含了cpu和gpu运行的脚本，默认是gpu运行的脚本
产出如下结果
0.9717282652854919
0.9371012449264526
0.7968897223472595
0.30377304553985596
首先把动态图模型转换为静态图：
python export_model.py --params_path checkpoints/inbatch/model_40/model_state.pdparams --output_path=./output
也可以运行下面的bash脚本：
sh scripts/export_model.sh
预测既可以抽取向量也可以计算两个文本的相似度。
修改id2corpus的样本：
# 抽取向量
id2corpus={0:'国有企业引入非国有资本对创新绩效的影响——基于制造业国有上市公司的经验证据'}
# 计算相似度
corpus_list=[['中西方语言与文化的差异','中西方文化差异以及语言体现中西方文化,差异,语言体现'],
['中西方语言与文化的差异','飞桨致力于让深度学习技术的创新与应用更简单']]
然后使用PaddleInference
python deploy/python/predict.py --model_dir=./output
也可以运行下面的bash脚本：
sh deploy.sh
最终输出的是256维度的特征向量和句子对的预测概率：
(1, 256)
[[-0.0394925 -0.04474756 -0.065534 0.00939134 0.04359895 0.14659195
-0.0091779 -0.07303623 0.09413272 -0.01255222 -0.08685658 0.02762237
0.10138468 0.00962821 0.10888419 0.04553023 0.05898942 0.00694253
....
[0.959269642829895, 0.04725276678800583]
Paddle Serving 的详细文档请参考 Pipeline_Design和Serving_Design,首先把静态图模型转换成Serving的格式：
python export_to_serving.py \
--dirname "output" \
--model_filename "inference.get_pooled_embedding.pdmodel" \
--params_filename "inference.get_pooled_embedding.pdiparams" \
--server_path "./serving_server" \
--client_path "./serving_client" \
--fetch_alias_names "output_embedding"
参数含义说明
dirname: 需要转换的模型文件存储路径，Program 结构文件和参数文件均保存在此目录。model_filename： 存储需要转换的模型 Inference Program 结构的文件名称。如果设置为 None ，则使用__model__作为默认的文件名params_filename: 存储需要转换的模型所有参数的文件名称。当且仅当所有模型参数被保>存在一个单独的二进制文件中，它才需要被指定。如果模型参数是存储在各自分离的文件中，设置它的值为 Noneserver_path: 转换后的模型文件和配置文件的存储路径。默认值为 serving_serverclient_path: 转换后的客户端配置文件存储路径。默认值为 serving_clientfetch_alias_names: 模型输出的别名设置，比如输入的 input_ids 等，都可以指定成其他名字，默认不指定feed_alias_names: 模型输入的别名设置，比如输出 pooled_out 等，都可以重新指定成其他模型，默认不指定
也可以运行下面的 bash 脚本：
sh scripts/export_to_serving.sh
Paddle Serving的部署有两种方式，第一种方式是Pipeline的方式，第二种是C++的方式，下面分别介绍这两种方式的用法：
启动 Pipeline Server:
python web_service.py
启动客户端调用 Server。
首先修改rpc_client.py中需要预测的样本：
list_data = [
"国有企业引入非国有资本对创新绩效的影响——基于制造业国有上市公司的经验证据",
"试论翻译过程中的文化差异与语言空缺翻译过程,文化差异,语言空缺,文化对比"
]
然后运行：
python rpc_client.py
模型的输出为：
{'0': '国有企业引入非国有资本对创新绩效的影响——基于制造业国有上市公司的经验证据', '1': '试论翻译过程中的文化差异与语言空缺翻译过程,文化差异,语言空缺,文化对比'}
PipelineClient::predict pack_data time:1641450851.3752182
PipelineClient::predict before time:1641450851.375738
['output_embedding']
(2, 256)
[[ 0.07830612 -0.14036864 0.03433796 -0.14967982 -0.03386067 0.06630666
0.01357943 0.03531194 0.02411093 0.02000859 0.05724002 -0.08119463
......
可以看到客户端发送了2条文本，返回了2个 embedding 向量
启动C++的Serving：
python -m paddle_serving_server.serve --model serving_server --port 9393 --gpu_id 2 --thread 5 --ir_optim True --use_trt --precision FP16
也可以使用脚本：
sh deploy/C++/start_server.sh
Client 可以使用 http 或者 rpc 两种方式，rpc 的方式为：
python deploy/C++/rpc_client.py
运行的输出为：
I0209 20:40:07.978225 20896 general_model.cpp:490] [client]logid=0,client_cost=395.695ms,server_cost=392.559ms.
time to cost :0.3960278034210205 seconds
{'output_embedding': array([[ 9.01343748e-02, -1.21870913e-01, 1.32834800e-02,
-1.57673359e-01, -2.60387752e-02, 6.98455423e-02,
1.58108603e-02, 3.89952064e-02, 3.22783105e-02,
3.49135026e-02, 7.66086206e-02, -9.12970975e-02,
6.25643134e-02, 7.21886680e-02, 7.03565404e-02,
5.44054210e-02, 3.25332815e-03, 5.01751155e-02,
......
可以看到服务端返回了向量
或者使用 http 的客户端访问模式：
python deploy/C++/http_client.py
运行的输出为：
(2, 64)
(2, 64)
outputs {
tensor {
float_data: 0.09013437479734421
float_data: -0.12187091261148453
float_data: 0.01328347995877266
float_data: -0.15767335891723633
......
可以看到服务端返回了向量
[1] Vladimir Karpukhin, Barlas Oğuz, Sewon Min, Patrick Lewis, Ledell Wu, Sergey Edunov, Danqi Chen, Wen-tau Yih, Dense Passage Retrieval for Open-Domain Question Answering, Preprint 2020.