任务型对话（二）—— DST（对话状态追踪）
1，概述
關于任務型對話的簡介看任務型對話（一）—— NLU（意識識別和槽值填充）。
首先我們來看下對話狀態和DST的定義。
對話狀態：在$t$時刻，結合當前的對話歷史和當前的用戶輸入來給出當前每個slot的取值的概率分布情況，作為DPL的輸入，此時的對話狀態表示為$S_t$。
DST（對話狀態追蹤）：就是根據所有對話歷史信息推斷當前對話狀態$S_t$和用戶目標。
由于在ASR和NLU這兩個環節會存在誤差，因此輸入到DST中的內容是N-best列表（對于ASR，不是輸入一條句子，而是N條句子，每條句子都帶一個置信度。對于SLU，不是輸入一條意圖（槽值對），而是N個意圖（槽值對），每個意圖（槽值對）都帶一個置信度）。所以DST往往也是輸出各個狀態的概率分布，這樣的表示也方便在多輪對話中對狀態進行修改。具體的情況如下圖所示：
2，DST的常用方法
DST的常用方法主要有三種：基于規則的方法，生成式模型，判別式模型，目前來看判別式模型的表現最好，也是當前研究的最多的方向。
1）基于規則的方法
基于規則的方法一般是用1-best的結果作為輸入，而且輸出的狀態也是確定型，基于規則的方法需要大量的人工和專家知識，因此在較復雜的場景適用性不強。當然基于規則的方法也有它的優點，基于規則的方法不依賴于對話數據，因此在沒有對話數據的情況下很適合冷啟動。基于規則的方法用N-best的結果作為輸入也有研究，但總的來說實現起來很復雜。
2）生成式模型
生成式模型主要是利用貝葉斯網絡推斷來學得整個狀態的概率分布，其通用表達式如下：
上面式子中$b(s)$代表上一時刻狀態的概率分布，$b'(s')$代表當前時刻的狀態分布，$u'$代表當前時刻的用戶輸入，$ ilde{u}'$代表當前用戶輸入的觀測輸出，$s'$代表當前時刻的狀態，$s$代表上一時刻的狀態，$a$代表上一時刻的動作，$eta$是一個常數。
可以看出上面的公式還是比較復雜的，因此實現起來也比較復雜，傳統的生成式方法還要列出所有可能的狀態，以及狀態概率轉移矩陣等。
3）判別式模型
判別模型用一個最簡單的公式建模，可以表示成：
$b'(s') = P(s' | f')$
其中$b'(s')$表示當前狀態的概率分布，而$f'$表示對ASR/NLU的輸入的特征表示，早期的判別模型會利用SVM，最大熵模型，CRF等來建模。隨著神經網絡的興起，DNN，RNN等模型也越來越多的占領了這個領域。
3，DSTC數據集
DSTC全稱為Dialogu State Tracing Challenge（對話狀態最終挑戰）。在閱讀接下來的論文的時候需要對這些數據集有所了解，以DSTC2為例，一個餐館預定的數據集，數據集中提供了N-best ASR的結果，N-best SLU的結果。還提供了槽以及對應的值的信息。具體的可以去這里下載。
4，判別式模型在DST上的相關工作
接下來我們將按照，DNN，RNN，NBT，遷移學習等模型的順序來介紹一些相關的論文。
論文一：Deep Neural Network Approach for theDialog State Tracking Challenge
在判別模型中是把DST當作一個分類問題，并且對ASR/NLU提取相關的特征作為模型的輸入，這篇論文提出了一種特征工程來提取N-best NLU的一系列特征，然后用一個前向的DNN來作為分類器，具體的模型結構如下：
接下來看下整個輸入輸出流程：
在$t$論對話中給定一個槽$s$，$S_{t, s}$表示在這$t$論對話中每一輪NLU的N-best列表中關于槽$s$所對應的值$v$，為了應對未知的值，還額外給定了一個Unknow來表示未知的值，我們將這$|S_{t, s}| + 1$個值作為模型的輸入，那么問題來了我們該怎么去提取這些槽值的特征呢？如上圖所示，$f_1, f_2, ......, f_M$就是表示不同的特征，論文中給出了12中特征，為了保證閱讀感（主要翻譯的不到位），就直接截圖了：
但是論文的輸入并不是對前$t$輪同樣的方式處理，而是有區分的處理，從$t$往前數前$T$輪直接用上面12中特征來表示，但是對于$t-T$輪之前的全部相加作為一個整體。那么問題來了，如果$t < T$怎么辦，對于$t - T < 0$的情況下，$f_i(t', v) = 0$。
對一個slot的不同的值，模型的參數是共享的，而對于不同的slot之間參數是不共享的，也就是說每個slot都有一個屬于它自己的分類器。
最后的輸出結果如下：
上面的式子其實類似于softmax，唯一不同的是對于不屬于$s$的槽統一用一個參數$B$來處理，而對于屬于槽$s$中的值$v$輸出是$E(t, v)$。
論文二：Word-Based Dialog State Trackingwith Recurrent Neural Networks
上面的論文是用NLU的結果作為輸入，但從這篇文章開始的后幾篇文章都直接用ASR（語音識別）的結果作為輸入，那這樣做的結果有什么好處呢？主要有兩個優點：
1）NLU單獨作為一個子模塊的時候，也會產生誤差，這樣ASR+NLU的誤差傳遞會導致在進入到DST的時候就已經存在較大誤差了，因此合并NLU和DST可以減少這種誤差傳遞的影響。
2）在對任務型對話系統做評測時，無法判斷真個系統產生的錯誤時來源于哪個子模塊的，也就無法有效的定位錯誤的來源，因此減少子模塊可以提高錯誤定位的準確率。
這篇論文時基于詞級的對話狀態追蹤，因為它的輸入時N-best ASR的結果，使用RNN模型來序列建模，采用n-grams來提取ASR的特征。同樣本篇論文也是對每個slot單獨建模，每個模型都是一個多分類器，類別的個數和該slot下對應的value的個數相等。
1）特征表示
首先來看下是如何利用n-grams來表征輸入的，具體的見下圖所示：
模型的輸入除了當前輪的ASR，還有上一輪的對話動作（對話動作表示為act-type (slot = value)），對這兩者分別取1-gram，2-gram，3-gram。
從上圖可以看出，主要包含$f，f_s，f_v$這三種特征，$f$是直接對ASR的結果和對話動作取n-grams的結果，$f_s$和$f_v$都是對$f$中的詞進行$tag$（對slot用<slot>替換，對value用<value>）替換得到的模板泛化特征，其中$f_s$是對槽提取的特征，適用于該槽下對應的所有的值，而$f_v$對每個value都進行提取，屬于每個值的特有特征，這樣做有助于模型泛化。
然后$f，f_s，f_v$都是有ASR和對話動作兩部分連接而成。ASR是N-best列表，分別提取分別取1-gram，2-gram，3-gram，然后對于重合的n-gram就按照置信度相加；對話動作也是同樣，不過概率置1；具體可以參考上圖，其實本質上就是對ASR和對話動作提取n-gram，進行各種組合，目的是通過這種低階的多維組合，可以在高層重構出各種特征組合的可能性，來模擬甚至超越人工提取的各種特征。那么每個n-gram怎么用向量表示的呢，我猜應該是類似于one-hot，以$f$為例，將整個訓練集提取相應的n-grams，然后將$f$組成一個大的n-gram詞匯表$M$，先初始化一個長度為$|M|$的0向量，然后對于當前的輸入提去n-gram，再用相應的n-gram的分數去填充那個0向量（以上一段個人猜測，主要是論文中沒有提到，不過論文中提到了$f$的維度是高維，達到3500，再加上在計算的過程中一系列的向量拼接操作，所以這也符合這種情況）。
2）模型結構
輸入的表征確定好之后就要看看模型的結構了，模型的結構如下圖所示：
上圖中的$m$是一個記憶向量，$p$是某個slot下對應的value的概率分布，用一個$h$向量來表示特征$f$的低維表示$f, p, m$中的操作符是拼接的意思。
然后為了利用$f_s, f_v$的特征，提出了下面的表達式：
$g$向量保證了模型的泛化性能，更新$m, p$。
論文三：Neural Belief Tracker: Data-Driven Dialogue State Tracking
這篇論文提出了NBT這個模型，本論文也是合并了NLU和DST，直接用ASR的結果作為輸入，并且引入了詞向量來進行表征，整體上理解較上面兩篇論文要簡單。
話不多說，先上一張模型結構圖：
上圖中的最上一層是輸入，可以看到總共有三個輸入，分別是當前用戶的輸入$r$，當前的槽值對候選集$c$，上一時刻系統的對話動作$t$。首先我們來看下用戶的輸入怎么表征：
1）用戶的輸入表征
本文對用戶的輸入$r$分別提出了兩種表征方法：NBT-DNN，NBT-CNN。
NBT-DNN的結構圖如下：
具體的表達式如下：
上面式子中$u_i$表示句子中第$i$個詞的詞向量，$V_i^n$表示從第$i$個位置開始取的n個詞的向量拼接的結果。其實就是n-gram的方式取詞。
這里取了1-gram，2-gram，3-gram的結果，最后相加得到用戶輸入的向量表示$r$。
NBT-CNN的模型結構圖：
其表達式如下：
其實這里用卷積替代了n-gram，上面式子中的$n$表示卷積核的大小，$n = 1, 2, 3$，然后用最大赤化獲得最終的向量表示：
這樣就得到了最終的用戶輸入的向量表示。
2）語義解碼
從第一幅圖可以看到，用戶的輸入$r$和候選的槽值對是有相互作用的，這個相互作用該怎么表示呢？
上面$c_s$是槽$s$的詞向量，$c_v$是對應的值的詞向量，$r$ 和$c$之間是element-wise相乘的。
3）上下文建模
也是第一幅圖中描述的，用戶的輸入$r$和系統對話動作$t$之間的關系。
作者在這里定義了兩種系統的動作：一是系統請求用戶告知某個槽的值，如“what proce range would you like”，這種請款系統會提到一個槽的信息，用$t_q$表示；二是系統向用戶確認槽值對是否正確，如“how aboutTurkish food”，在這種請款下用戶會提到一對槽值的信息，其中槽用$t_s$表示，值用$t_v$表示。
在上面如$(c_s . t_q)$是計算點積得到一個相似度可以作為門控機制用來控制對$r$的選擇，這種做法在系統問“how aboutTurkish food”，用戶回答“yes”的時候特別有用，因為此時用戶并沒有傳遞任何槽值的信息進來。這樣就可以利用上一個系統對話動作的信息。
因為候選槽值對每次只選一個，因此最后做一個二分類的決策：
其中$phi_dim = sigma(Wx + b)$， $dim$表示輸出的維度。
4）信念狀態更新機制
上面只是對某個槽值對做了二分類，那該怎么更新整個狀態概率呢？本文定義了一個基于規則的信念狀態更新機制。
在$t$輪對話時，用$h^t$表示ASR的N-best集合，$h^n_i$表示第$i$條句子，$p^n_i$表示第$i$個句子的置信度，$sys^{t-1}$表示系統在上一時刻的動作。則對于槽$s$更新其所有的值的概率分布：
結合之前所有的對話歷史，可以表示為：
之后取概率大于0.5的槽值對出來更新當前的狀態值，沒有的話就依然保留上一時刻的值。這句話怎么理解呢？也就是下面的式子成立了才執行上面的式子，否則就不對上一時刻的信念狀態做修改。
論文：Fully Statistical Neural Belief Tracking
這篇論文是在上一篇論文的基礎上做了改進的，在上篇論文中提出了一個基于規則的信念狀態更新機制，對于這種基于規則定義的機制遷移到新的任務時需要大量的修改，因此本文提出了新的信念狀態更新機制。
同樣先上模型結構圖：
首先定義一下問題：在一個給定的$s in V_s$，讓$b_s^{t -1 }$ 表示$t-1$時刻的信念狀態（一個長度為$|V_s| + 2$的向量，這里的2是指還包含兩個值：None和“dont care”）。在上一篇文章中更新信念狀態的機制如下：
作者認為這種機制并沒有學到$b_{s, v}^{t-1}$的內容，只是簡答的相加而已，而且還要在$b_{s,v}^t ≥ 0.5$的時候才執行更新。因此這種方法并不好。作者也就提出了兩種新的方法：
1）One-Step Markovian Update
其表達式如下，直接用softmax生成概率分布：
上面式子中給出的兩個矩陣的每一行都是對一個槽值對的操作。因此這種方式有一個問題，訓練樣本的稀疏性，每個對話中可能只包含一個槽值對，在訓練的時候無法更新$W_{curr}$和$W_{past}$，因此作者提出了第二種方法。
2）Constrained Markovian Update
在這里作者構造了一種不同的矩陣，其表達式如下：
讓對角線的元素相同，其余的元素相同，這樣就可以起到訓練的時候能更新到所有的參數。結果也表明這種方法的性能更好。
論文：INCREMENTAL LSTM-BASED DIALOG STATE TRACKER
這篇文章提出了一個簡單的方法，直接用LSTM來表示ASR的1-best的輸入，然后對每個slot做多分類，整體來說效果也還行。
模型結構圖如下：
其表達式如下：
上面式子中$a$為ASR的輸出，$r$為對應的置信度。利用一個網絡來進行表征，然后倒入到LSTM中，并softmax多分類。
最終在DSTC2上的結果對比：
在做了一些小處理之后的結果還行，不過這篇文章是15年的，但是實現起來簡單。
參考文獻：
MACHINE LEARNING FOR DIALOG STATE TRACKING:A REVIEW
The Dialog State Tracking Challenge Series: A Review
總結
以上是生活随笔為你收集整理的任务型对话（二）—— DST（对话状态追踪）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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