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        基于Transformer架構(gòu)的通信問題識別模型研究

        2025-03-18 00:00:00王翔李煜
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2025年5期
        關(guān)鍵詞:文本信息模型

        摘 要:本研究以BERT語言模型為基礎(chǔ),構(gòu)建統(tǒng)一架構(gòu)的語言模型,并通過數(shù)據(jù)預(yù)處理提升了輸入文本的質(zhì)量和一致性。在參數(shù)設(shè)定和模型消融實(shí)驗(yàn)的過程中,詳細(xì)規(guī)劃了試驗(yàn)參數(shù),并融入了交叉驗(yàn)證、對抗訓(xùn)練及梯度懲罰等技術(shù),以期優(yōu)化模型性能。在利用基線模型對結(jié)果進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn),本文所提方法提高了問題識別的準(zhǔn)確性和效率。綜上所述,Transformer技術(shù)在通信領(lǐng)域的問題識別中應(yīng)用廣泛,為實(shí)際場景提供了更高效的解決方案,推動通信技術(shù)的發(fā)展。

        關(guān)鍵詞:Transformer技術(shù);基線模型;數(shù)據(jù)預(yù)處理

        中圖分類號:TP 751" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        在現(xiàn)代通信領(lǐng)域,信息傳輸以及處理技術(shù)不斷發(fā)展,以應(yīng)對不斷增長的數(shù)據(jù)流量需求。Transformer技術(shù)是一種基于自注意力機(jī)制的深度學(xué)習(xí)模型,已經(jīng)在自然語言處理(Natural Language Processing,NLP)領(lǐng)域取得了明顯突破。其架構(gòu)獨(dú)特,能夠高效地處理長序列數(shù)據(jù),并捕捉復(fù)雜的上下文關(guān)系,在各種應(yīng)用中使用效果良好。在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)處理通常采用規(guī)則驅(qū)動的算法以及傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法,當(dāng)處于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中并面對動態(tài)變化時(shí),這些方法具有一定局限性。Transformer的自注意力機(jī)制能夠在長序列中捕捉全局信息,因此其適合用于處理通信數(shù)據(jù)中的時(shí)序信息。游雪兒等[1]提出了一種深度嵌套式Transformer網(wǎng)絡(luò),采用高光譜圖像空譜解混方法,顯示了Transformer在處理復(fù)雜圖像方面的潛力。周舟等[2]研究基于連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform,CWT)以及優(yōu)化Swin Transformer的風(fēng)電齒輪箱故障診斷方法,結(jié)合CWT與Swin Transformer優(yōu)化模型,提高了故障診斷的精確性,進(jìn)一步證明了Transformer在動態(tài)系統(tǒng)分析中的有效性。

        1 模型介紹

        1.1 BERT語言模型

        在本次研究中,利用BERT的預(yù)訓(xùn)練模型結(jié)構(gòu),對任務(wù)進(jìn)行微調(diào)來訓(xùn)練一個(gè)特定領(lǐng)域的文本分類器。在微調(diào)階段,傳入相關(guān)的通信文本數(shù)據(jù)標(biāo)簽后,BERT能夠?qū)⑽谋居成渲琳_的分類標(biāo)簽,自動化處理、分類大量的通信數(shù)據(jù)。 在預(yù)訓(xùn)練階段,BERT利用大規(guī)模文本語料庫學(xué)習(xí)了語言的復(fù)雜關(guān)系以及上下文信息,當(dāng)應(yīng)用于異常檢測時(shí),BERT可以接受網(wǎng)絡(luò)日志、報(bào)警信息或傳感器數(shù)據(jù)作為輸入,學(xué)習(xí)區(qū)分正常/異常的通信模式(BERT結(jié)構(gòu)示例如圖1所示)。

        BERT模型的輸入由標(biāo)記嵌入(Token Embedding)、片段嵌入(Segment Embedding)和位置嵌入(Position Embedding)3個(gè)部分組成。其中,Token Embedding代表每個(gè)token的詞向量;Segment Embedding用于區(qū)分不同的句子或段落;Position Embedding則幫助模型理解每個(gè)token在輸入序列中的具體位置信息。這種輸入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使BERT能夠有效處理長文本序列,并準(zhǔn)確捕捉文本中的復(fù)雜語義和上下文關(guān)系。

        1.2 統(tǒng)一語言模型結(jié)構(gòu)

        本文利用3種不同的語言模型目標(biāo)函數(shù)共同學(xué)習(xí)1個(gè)Transformer網(wǎng)絡(luò)。1)雙向語言模型(Bidirectional Language Model,BiLM)目標(biāo)函數(shù)。該模型的作用是捕捉文本中前后文的關(guān)系,理解整個(gè)文本序列的上下文信息。2)單向語言模型(Unidirectional Language Model,UniLM )目標(biāo)函數(shù)。該模型只利用左側(cè)上下文進(jìn)行預(yù)測,其作用是處理那些未來信息不可見的任務(wù)。3)序列至序列語言模型目標(biāo)函數(shù)。該模型處理生成式任務(wù),例如機(jī)器翻譯或文本摘要,模型需要學(xué)習(xí)將輸入序列映射至輸出序列的能力。多目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)使UniLM在通信領(lǐng)域中能夠適應(yīng)不同的任務(wù)需求,包括信息提取、文本分類和序列生成等。UniLM由多層Transformer編碼器單元組成。每個(gè)編碼器單元利用多頭自注意力機(jī)制與前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層處理輸入文本序列,逐步提取特征以及上下文表示。這些編碼器單元允許UniLM在不同的任務(wù)、輸入設(shè)置條件下學(xué)習(xí)不同層次的語義表示,滿足在通信領(lǐng)域中多樣化的數(shù)據(jù)處理需求。

        2 模型構(gòu)建與文本輸出方式

        2.1 模型構(gòu)建

        本文利用Transformer架構(gòu),構(gòu)建了采用經(jīng)典“編碼器-解碼器”結(jié)構(gòu)的模型。此模型將輸入文本編碼為一系列上下文感知的特征向量,并根據(jù)編碼器的輸出生成自然語言問題作為目標(biāo)文本。在具體實(shí)踐中,引入多頭自注意力機(jī)制,允許模型并行關(guān)注輸入文本的不同部分,以捕捉不同層次的語義信息。在該機(jī)制的自注意力層計(jì)算輸入序列中,各token與其他tokens之間的關(guān)系,生成注意力權(quán)重矩陣。同時(shí),將自注意力機(jī)制的輸出分成多個(gè)頭,每個(gè)頭獨(dú)立進(jìn)行注意力計(jì)算,然后將結(jié)果進(jìn)行拼接,經(jīng)過線性變換得到最終輸出。其代碼片段如下。

        class MultiHeadAttention(nn.Module):

        def __init__(self, d_model,nhead):

        super(MultiHeadAttention,self).__init__()

        self.nhead = nhead

        self.d_model = d_model

        self.dk = d_model // nhead

        self.q_linear = nn.Linear(d_model, d_model)

        self.k_linear = nn.Linear(d_model, d_model)

        self.v_linear = nn.Linear(d_model, d_model)

        self.out_linear = nn.Linear(d_model, d_model)

        def forward(self,query, key,value, mask=None):

        bs = query.size(0)

        q = self.q_linear(query).view(bs,-1,self.nhead,self.dk).transpose(1,2)

        k = self.k_linear(key).view(bs,-1,self.nhead,self.dk).transpose(1,2)

        v = self.v_linear(value).view(bs,-1,self.nhead,self.dk).transpose(1,2)

        scores = torch.matmul(q,k.transpose(-2,-1))/ (self.dk ** 0.5)

        if mask is not None:

        scores = scores.masked_fill(mask == 0,-1e9)

        attn = F.softmax(scores,dim=-1)

        out = torch.matmul(attn,v)

        out = out.transpose(1,2).contiguous().view(bs,-1,self.d_model)

        out = self.out_linear(out)

        return out

        在代碼片段中,query.size(0)表示每次前向傳播所處理的樣本數(shù)量。通過線性變換,將輸入的query、key和value映射到d_model維度,隨后將映射結(jié)果重塑為形狀(bs,nhead,seq_len,dk),其中seq_len代表序列的長度。此步驟將每個(gè)token的表示劃分為多個(gè)頭,并為每個(gè)頭分配一個(gè)dk維度的表示。在進(jìn)行注意力分?jǐn)?shù)計(jì)算的過程中,先計(jì)算query與key之間的點(diǎn)積,再除以self.dk ** 0.5進(jìn)行縮放,以避免數(shù)值過大。如果提供了用于掩蓋掉不需要關(guān)注的部分,那么將mask值為0的位置設(shè)置為非常小的值,以保證在Softmax計(jì)算過程中,這些位置的注意力權(quán)重非常接近0。

        2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

        當(dāng)處理文本數(shù)據(jù)時(shí),空白字符(例如多余的空格、制表符以及換行符等)可能會干擾模型訓(xùn)練,導(dǎo)致模型學(xué)到錯(cuò)誤的模式。在本次研究中,采用自動識別方法剔除不必要的空白字符,使文本數(shù)據(jù)更規(guī)范,減少噪聲對模型訓(xùn)練的干擾。在篇章文本處理方面,由于篇章文本通常較長,因此為了提取與答案直接相關(guān)的上下文信息,本文采用了基于答案位置的截取策略[3],從答案位置向前截取65個(gè)字符,向后截取65個(gè)字符,得到一個(gè)包括答案上下文信息的130個(gè)字符的文本片段。這種方法使模型能夠更好地捕捉問題與答案之間的關(guān)聯(lián),強(qiáng)化模型的訓(xùn)練效果。在答案文本處理方面,為了保留關(guān)鍵信息并提高模型的訓(xùn)練效率,本文將答案文本的長度統(tǒng)一截?cái)酁?7個(gè)字符。這種截?cái)嗖呗约饶軌虮WC答案信息的完整性,又能夠減輕模型在處理文本過程中的計(jì)算負(fù)擔(dān),加快訓(xùn)練速度。

        2.3 文本輸出方式

        在本次研究中,引入Beam Search算法進(jìn)行文本輸出,該算法是一種能夠生成序列的啟發(fā)式搜索算法,常用于自然語言處理模型的解碼與預(yù)測任務(wù)中。文本輸出的主要目標(biāo)是在給定的搜索空間內(nèi)找到最優(yōu)的序列輸出。算法基于貪婪搜索策略在每個(gè)步驟擴(kuò)展多個(gè)候選項(xiàng),提高生成序列的準(zhǔn)確性。由于貪婪搜索策略每一步都選擇在當(dāng)前狀態(tài)中得分最高的單一候選項(xiàng),只關(guān)注當(dāng)前最優(yōu)狀態(tài),忽略其他可能的優(yōu)質(zhì)序列,因此可能導(dǎo)致陷入局部最優(yōu)解。此外,算法擴(kuò)展了貪婪搜索策略的搜索空間,在每一步,其不僅選擇一個(gè)候選項(xiàng),還選擇前k個(gè)得分最高的候選項(xiàng),這些候選項(xiàng)形成了“束”(beam),使算法能夠在多個(gè)候選序列中進(jìn)行探索,增加找到全局最優(yōu)解的可能性。在每一步,算法會計(jì)算每個(gè)候選序列的得分。得分通常是對模型輸出的概率分布進(jìn)行計(jì)算,概率分布由Softmax函數(shù)生成。在計(jì)算所有可能的候選狀態(tài)的得分后,算法會選擇得分最高的k個(gè)候選序列,這個(gè)k值稱為Beam Size。

        從起始標(biāo)記開始解碼,模型根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)生成候選token集合,并計(jì)算這些token的得分。利用Softmax函數(shù)將生成token的原始得分轉(zhuǎn)換為概率分布。概率值的作用是選擇候選token的優(yōu)先級,其計(jì)算過程如公式(1)所示。

        (1)

        式中:P(yi)為Softmax函數(shù)計(jì)算得到的第i類別的預(yù)測概率,表示模型判斷給定輸入樣本屬于第i類別的概率;ezi為第i個(gè)類別的預(yù)測分?jǐn)?shù)的指數(shù)值;j=1為當(dāng)對所有類別的得分進(jìn)行累加時(shí),求和的起始索引,即j從1開始遍歷所有類別,直至n類別;n為類別總數(shù);ezj為第j個(gè)類別的預(yù)測分?jǐn)?shù),為對所有類別的指數(shù)值的總和。

        在具體應(yīng)用中,利用公式(1)計(jì)算每個(gè)類別的指數(shù)值,計(jì)算輸入向量中的每個(gè)元素zi的指數(shù)值ezi,使所有邏輯值(Logits)轉(zhuǎn)換為正值,并放大較大Logits的影響。對所有類別的ezj進(jìn)行求和,得到分母部分[4]。這個(gè)步驟保證了概率分布的歸一化,將每個(gè)類別的ezi除以總和,得到每個(gè)類別的概率P(yi)。

        利用Softmax函數(shù)得到候選token的優(yōu)先級,算法重復(fù)選擇得分最高的k個(gè)候選序列,擴(kuò)展到下一個(gè)步驟。這個(gè)過程持續(xù)進(jìn)行,直至達(dá)到預(yù)定義的搜索深度或找到符合終止條件的目標(biāo)序列(如圖2所示)。

        在初始階段,顯示起始符號以及與之相關(guān)的候選token及其通過Softmax函數(shù)計(jì)算得到的概率。引入Softmax函數(shù)將原始的預(yù)測分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為概率分布,使所有候選token的概率之和為1。這些概率反映出每個(gè)候選token在當(dāng)前序列位置上的優(yōu)先級。在每一步選擇中,算法都會從當(dāng)前的所有可能擴(kuò)展中選擇得分最高的k個(gè)序列。這些序列將被“擴(kuò)展”到下一步,即在每個(gè)序列的末尾添加一個(gè)新的token以及它們各自的得分和新增的token。該算法持續(xù)運(yùn)行直到達(dá)到預(yù)定義的搜索深度,即序列的最大長度。最后,算法最終選擇的幾個(gè)最高得分的序列。這些序列是Beam Search算法認(rèn)為最有可能或最優(yōu)的輸出。

        3 問題生成結(jié)果與分析

        3.1 基線模型

        為了更準(zhǔn)確地評估Transformer技術(shù)在問題生成過程中的表現(xiàn),研究人員選擇3種典型的SOTA基準(zhǔn)模型。Softmax 函數(shù)計(jì)算示例見表1。

        3.1.1 RoBERTa-wwm-ext

        該模型能夠有效捕捉上下文信息,適用于文本分類與問題識別任務(wù)。將包括客戶服務(wù)記錄、故障報(bào)告等各種與通信有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的文本數(shù)據(jù)導(dǎo)入RoBERTa-wwm-ext模型,設(shè)置了“分類任務(wù)”“文本識別任務(wù)”并評估該模型的準(zhǔn)確率、精確率、召回率以及F1-score。

        3.1.2 隨機(jī)交叉驗(yàn)證+Our Model

        隨機(jī)交叉驗(yàn)證模型將數(shù)據(jù)集隨機(jī)分成多個(gè)子集,輪流使用每個(gè)子集作為驗(yàn)證集,剩余部分作為訓(xùn)練集,獲得模型的穩(wěn)健性評估。在本次研究中,將RoBERTa-wwm-ext模型的數(shù)據(jù)集導(dǎo)入隨機(jī)交叉驗(yàn)證+Our Model模型,設(shè)置了“問題識別”任務(wù),評估指標(biāo)不變。

        3.1.3 隨機(jī)交叉驗(yàn)證+對抗訓(xùn)練+梯度懲罰+Our Model

        在訓(xùn)練過程中,該模型采用增強(qiáng)模型魯棒性的技術(shù),引入對抗樣本,使模型具有更強(qiáng)的泛化能力。在這個(gè)基礎(chǔ)上,結(jié)合梯度懲罰機(jī)制來提高模型的穩(wěn)定性,對梯度進(jìn)行約束以避免模型過擬合。導(dǎo)入該模型的數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)集中包括噪聲以及復(fù)雜模式的通信文本數(shù)據(jù)。模型的主要任務(wù)是進(jìn)行“問題識別”,即分析充滿各種干擾的通信記錄,并找出問題。

        3.2 評估結(jié)果分析

        在設(shè)置模型以及試驗(yàn)任務(wù)后,進(jìn)行測試,并詳細(xì)記錄上述3種模型的測試結(jié)果,BLEU 評估結(jié)果見表2。

        由表2可知,隨機(jī)交叉驗(yàn)證+對抗訓(xùn)練+梯度懲罰+Our Model的BLEU評分指標(biāo)比其他2個(gè)模型更優(yōu)秀。模型引入對抗樣本,對梯度進(jìn)行約束,學(xué)習(xí)了更精細(xì)的語義表示,因此在訓(xùn)練過程中,模型魯棒性更高,泛化能力更強(qiáng),避免了過擬合,能夠更好地處理復(fù)雜的輸入,提高了生成文本的準(zhǔn)確性和BLEU分?jǐn)?shù)。

        BLEU-3、BLEU-4分?jǐn)?shù)提高,說明經(jīng)過這些優(yōu)化后,模型能夠更好地捕捉深層次的語義信息,在詞匯方面的匹配程度更好,短語的上下文一致性更高,因此在BLEU評分中表現(xiàn)更好。

        4 結(jié)論

        在本次研究中,本文基于Transformer架構(gòu)構(gòu)建統(tǒng)一的語言模型結(jié)構(gòu)、精細(xì)的數(shù)據(jù)預(yù)處理以及優(yōu)化的文本輸出方式,進(jìn)一步提升了問題識別的準(zhǔn)確性。經(jīng)過本次研究,得到以下3個(gè)結(jié)論。1)BERT模型的雙向上下文理解能力顯著提升了在通信領(lǐng)域中問題識別的準(zhǔn)確性,其語義表示能力強(qiáng),提高了文本分類以及問題識別的效率。2)利用精細(xì)的數(shù)據(jù)預(yù)處理,模型在訓(xùn)練與評估階段的穩(wěn)定性更高。采取有效的預(yù)處理措施減少了噪聲數(shù)據(jù)的干擾,使BERT模型能夠更準(zhǔn)確地提取關(guān)鍵信息。3)基于對抗訓(xùn)練以及梯度懲罰的模型優(yōu)化措施顯著提升了模型的泛化能力與魯棒性。這些優(yōu)化方法使模型在處理復(fù)雜與噪聲數(shù)據(jù)的過程中保持了更高的準(zhǔn)確性,并且有效地挖掘了深層次的語義信息,提升了最終的BLEU評估效果。

        參考文獻(xiàn)

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