Watson是如何讀題的

與人或大部分其他問答系統(tǒng)相似，Watson在處理問題的第一步是對(duì)問題進(jìn)行仔細(xì)地分析，以了解提問者的意圖，并找到正確的方式去解決它。這也是非常關(guān)鍵的一步，后面的很多分析與計(jì)算都以此為基礎(chǔ)，這里主要用到了Watson的語法解析與語義分析能力，包括：深層的語法解析、實(shí)體識(shí)別、指代消解、關(guān)系抽取模塊。利用大量的規(guī)則與在此基礎(chǔ)上訓(xùn)練的分類器，去檢測(cè)問題中以下幾個(gè)關(guān)鍵元素：

1）問題焦點(diǎn)（focus）：?jiǎn)栴}中指代答案的部分；

2）答案的詞匯類型（lexical answer types）：?jiǎn)栴}中指示被問到實(shí)體的類型的關(guān)鍵詞；

3）問題所屬的寬泛類型；

4）問題中需要特殊處理的部分。

下面會(huì)對(duì)這些元素逐一舉例介紹。

關(guān)鍵元素

焦點(diǎn)（focus）

問題中指代答案的部分，一般為代詞，如下列問題：POETS & POETRY: He was a bank clerk in the Yukon before he published "Songs of a Sourdough" in 1907.

中的He。這樣的詞在答案中可能有好幾個(gè)，但找到一個(gè)就夠了，其它的可通過指代消解的方式得到。找到”focus“以后，可以通過與包含答案的文章段落進(jìn)行對(duì)齊，從而找到答案。

答案的詞匯類型（lexical answer types）

LAT指的是問題所問的是什么類型的實(shí)體，一般focus的中心詞即為L(zhǎng)AT，如上例中的”he“與”clerk“，很多問題還提供了額外信息作為L(zhǎng)AT，如上面問題的“poet”。（Jeopardy! 比賽中都給出了問題的種類）。得到LAT后可以用來檢驗(yàn)算法給出的候選答案的類型是否正確。這樣不僅利用了問句本身的信息，還利用了比賽中關(guān)于問題種類的信息。

問題分類（Question Classification）

先預(yù)定義若干種問題，每種問題有不同的解決方法或處理流程。對(duì)問題進(jìn)行分類，判斷它屬于某一種或幾種類型，再調(diào)用相應(yīng)的處理流程。上面的問題屬于比較常見的仿真陳述（Factoid）問題。

問題片段（QSections）

問題中需要特殊處理的片段。QSections的一個(gè)典型應(yīng)用是識(shí)別問題中關(guān)于答案的各種不同的約束（如答案是3個(gè)字，是地名），然后將問題分解為若干個(gè)字問題進(jìn)行解答。

問題的基本分析

句法解析與語義分析

Watson的句法解析與語義分析模塊主要包含部分：包含謂詞論元結(jié)構(gòu)構(gòu)（PAS）造器的槽語法解析模塊ESG、命名實(shí)體識(shí)別模塊、指代消解模塊、關(guān)系抽取模塊。

ESG模塊是用來將問句解析為一個(gè)包含句子表層結(jié)構(gòu)與深層邏輯結(jié)構(gòu)的樹。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上附有：1）一個(gè)詞項(xiàng)（由一個(gè)或若干個(gè)單詞組成）和與之對(duì)應(yīng)的包涵邏輯參數(shù)的謂詞；2）特征列表，部分是關(guān)于句法形態(tài)的，部分是語義相關(guān)的；3）該節(jié)點(diǎn)的左右修飾語以及修飾語所填充的槽。1）中的謂詞與邏輯參數(shù)正是句子的深層結(jié)構(gòu)之所在，邏輯參數(shù)為樹中其它節(jié)點(diǎn)，可能再句子上離當(dāng)前節(jié)點(diǎn)比較遠(yuǎn)

在上面的例子中可以識(shí)別出謂詞邏輯publish(e1, he, ‘‘Songs of a Sourdough’’) 與 in(e2, e1, 1907)，后者說明了前者也就是這個(gè)pubilish事件發(fā)生在1907年。并且還可以抽取出authorOf(focus, ‘‘Songs of a Sourdough’’) 與 temporalLink(publish(. . .), 1907這樣的三元組關(guān)系。

針對(duì)Jeopardy！問題所做調(diào)整

1）Jeopardy！問題的單詞全都是大寫，對(duì)人來說沒什么，然而單對(duì)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行語法分析來說，大小寫是非常重要的信息，所以先用一個(gè)在其它數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的分類器來對(duì)單詞的大小寫進(jìn)行預(yù)測(cè)與改寫。

2）Jeopardy！問題的語言習(xí)慣與日常領(lǐng)域有著較大差異，例如日常問句一般以“Wh-”開頭，但在Jeopardy！中卻喜歡用this/these、he/she、it等。此外Jeopardy！中名詞短語出現(xiàn)的頻次非常高。因此在解析Jeopardy！的問句時(shí)需要調(diào)整解析模型的參數(shù)，如增加名詞短語的先驗(yàn)或轉(zhuǎn)移概率。

3）問題的focus往往是個(gè)代詞，所以在進(jìn)行分析時(shí)先識(shí)別出focus再將focus排除在外進(jìn)行指代消解。

關(guān)系抽取做的調(diào)整

為了應(yīng)對(duì)Jeopardy！特殊的語言風(fēng)格，對(duì)原本用于普通文本的關(guān)系抽取模塊做了調(diào)整。這樣一方面能檢測(cè)出在Jeopardy！的問題中經(jīng)常出現(xiàn)的對(duì)后面的處理特別有用的一些關(guān)系，如focus的別名、時(shí)間關(guān)系、地理位置關(guān)系等，具體例子如下表。

另一方面，用來匹配這些關(guān)系等模式，也已可以用來識(shí)別出問句的一些特定特征，這些特征可以用于訓(xùn)練問題的分類器或其他處理。那么這些規(guī)則時(shí)如何實(shí)現(xiàn)的呢？下面將開始介紹。

規(guī)則的Prolog實(shí)現(xiàn)

Watson的問題分析流程是通過由一系列組件組成的UIMA Pipeline實(shí)現(xiàn)的，而大部分的分析流程都是一些基于句子的PAS結(jié)構(gòu)與一些外部數(shù)據(jù)庫(kù)（如WordNet）的規(guī)則實(shí)現(xiàn)的。這就需要一門語言，一方面能夠基于句法解析的結(jié)果很方便的實(shí)現(xiàn)這些規(guī)則，另一方面又能很容易地集成到UIMA框架中，Prolog作為一種邏輯式編程語言，是一個(gè)很好的選擇。它可以很方面地將UIMA中的CAS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成fact對(duì)象。

例如對(duì)于以下是基于句法與語義分析的結(jié)果轉(zhuǎn)換成的fact：

lemma(1, ‘‘he’’)partOfSpeech(1,pronoun)lemma(2, ‘‘publish’’)partOfSpeech(2,verb)lemma(3,‘‘Songs of a Sourdough’’)partOfSpeech(3,noun)subject(2,1)object(2,3)

其中括號(hào)里面的數(shù)字是PAS節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)。有了這些fact，Prolog系統(tǒng)可以利用一些規(guī)則去識(shí)別問題的focus、LAT與其他關(guān)系（relation）。例如將如下規(guī)則：

authorOf(Author, Composition) :- createVerb(Verb), subject(Verb, Author), author(Author), object(Verb, Composition), composition(Composition).-

createVerb(Verb) :- partOfSpeech(Verb, verb), lemma(Verb, VerbLemma), [‘‘write’’, ‘‘publish’’, . . .].

應(yīng)用到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，可以識(shí)別出關(guān)系authorOf(1,3)。使用Prolog無論在系統(tǒng)運(yùn)行速度還是規(guī)則的可擴(kuò)展性上表現(xiàn)都是非常優(yōu)秀的。在關(guān)系抽取、focus檢測(cè)、LAT檢測(cè)、問題分類與Qsection檢測(cè)等任務(wù)上都有各自的規(guī)則集，這些規(guī)則使用了超過6000條的Prolog語句，整個(gè)問題分析的UIMA Pipeline如下。

focus與LAT檢測(cè)

基本方法

匹配focus的基本規(guī)則按照優(yōu)先級(jí)排序如下所示，其中斜體詞表示focus，黑體詞表示中心詞：

1）帶有限定詞“this”或“these”的名詞短語: THEATRE: A new play based onthisSir Arthur Conan Doyle canineclassicopened on the London stage in 2007.

2）“This”或“these”本身作為名詞短語: In April 1988, Northwest became the first U.S. air carrier to banthison all domestic flights.

3）當(dāng)整個(gè)問句是一個(gè)名詞短語時(shí)，將整個(gè)問句都標(biāo)記為focus：AMERICAN LIT:Numberof poems Emily Dickinson gave permission to publish during her lifetime.

4）代詞“he/she/his/her/him/hers”中的一個(gè)：OUT WEST:Shejoined Buffalo Bill Cody’s Wild West Show after meeting him at the Cotton Expo in New Orleans.

5）代詞“it/they/them/its/their”中的一個(gè)：ME "FIRST"!:Itforbids Congress from interfering with a citizen’s freedom of religion, speech, assembly, or petition.

6）代詞“one”:12-LETTER WORDS: Leavenworth, established in 1895, is a federalone.

當(dāng)這些規(guī)則都不滿足時(shí)，問題可能就沒有focus。這種規(guī)則對(duì)句法解析有很高的要求，例如解析器需要能夠準(zhǔn)確的將限定詞與中心詞關(guān)聯(lián)起來（兩者并不是都是毗鄰的），并且能準(zhǔn)確地區(qū)分名詞短語與動(dòng)詞短語也很重要，所以特地對(duì)ESG解析模塊進(jìn)行了調(diào)整。

檢測(cè)LAT的方法一般是采用focus的中心詞，并加上下面幾條例外：

1）如果focus是一個(gè)組合, 采用這個(gè)組合部分: HENRY VIII: Henry destroyed the Canterbury Cathedral Tomb ofthissaintandchancellorof Henry II.

2）如果存在“ of X”這種模式，并且是“one/name/type/kind”中的任何一個(gè)，那么采用X作為L(zhǎng)AT：HERE, PIGGY, PIGGY, PIGGY: Many a mom has compared her kid’s messy room tothis kind of hogenclosure.

3）如果存在“ for X”這種模式，且是“name/word/term”中的任何一個(gè)，那么采用X作為L(zhǎng)AT：COMPANY NAME ORIGINS: James Church chosethis name for hisproductbecause the symbols of the god Vulcan represented power.

4）如果沒有檢測(cè)到focus，且category是一個(gè)名詞短語，那么采用category的中心詞作為L(zhǎng)AT：HEAVY METALBANDS: "Seek & Destroy", "Nothing Else Matters", "Enter Sandman".

提升方法

上面介紹的基本方法已經(jīng)可以取得相對(duì)中肯的精度，但錯(cuò)誤也是并不少見，經(jīng)常會(huì)漏過一些有用的LAT。下面就是一些基本方法失敗的案例來講述提升方法或補(bǔ)充方法：

1) PAIRS: An April 1997 auction of Clyde Barrow’s belongings raised money to fund moving his grave next tohers.

2) FATHER TIME (400): On Dec. 13, 1961, Father Time caught up withthis 101-year-old artistwith a relative inhernickname.

3) CRIME: Cutpurse is an old-time word for this typeof crowd-workingcriminal.

4) THE FUNNIES: “Marmaduke’’ isthis breed ofdog.

5) ISLAND HOPPING: Although most Indonesians are Muslims,thisis the predominantreligionon Bali.

6) I FORGET: Mythicalriversof Hades include the Styx andthis onefrom which the dead drank to forget their lives.

7) FAMOUS AMERICANS: Although he made no campaign speeches,hewas electedpresidentin 1868 by a wide electoral margin.

例1）中第一個(gè)代詞his并非focus，因?yàn)樗复鷮?shí)體“Clyde Barrow”，所以在應(yīng)用基本方法找到多個(gè)代詞作為候選focus時(shí)，應(yīng)該選擇不指代任何實(shí)體的代詞。找到focus后可以利用前指代消解模塊幫我們找到指示答案性別的LAT。

例3）與4）中focus表達(dá)了一種子類關(guān)系，我們將這個(gè)子類從介詞短語中剝離出來作為L(zhǎng)AT。

在檢測(cè)LAT時(shí)，還有一個(gè)困難是決定LAT是一個(gè)還是多個(gè)詞。大部分情況下我們認(rèn)為L(zhǎng)AT是一個(gè)詞，但在“this vice president”這種情形如果采用“president”作為L(zhǎng)AT是錯(cuò)誤的。因此，如果多個(gè)單詞（修飾詞+中心詞）不是其中心詞的一個(gè)子類型或者修飾語改變了中心詞的意思并且這種意思并不常見，這時(shí)采用多個(gè)詞作為L(zhǎng)AT。

從問題的category中獲取LAT

通過觀察得知，一般情況下，如果category中的詞滿足以下三個(gè)條件則很可能是一個(gè)LAT：

1）涉及到實(shí)體的類型；

2）這個(gè)實(shí)體的類型與問句中的LAT（如果有的話）一致；

3）這種類型在問題中沒有任何提及（mention）或?qū)嵗?/p>

例如問題：

BRITISHMONARCHS:Shehad extensive hair loss by the age of 31. 的category中的“MONARCHS”（君主）表示實(shí)體的類型，并且與問句中的LAT（she）一致，所以它也是一個(gè)LAT。

估計(jì)LAT的置信度

利用人工標(biāo)注的LAT數(shù)據(jù)，基于如下幾種特征來訓(xùn)練一個(gè)邏輯回歸模型來對(duì)線上檢測(cè)到的LAT進(jìn)行打分，作為其置信度：

1）被激活的focus與LAT規(guī)則；

2）從句法分析與NER的結(jié)果中構(gòu)建的特征；

3）該單詞作為L(zhǎng)AT的先驗(yàn)概率。

統(tǒng)計(jì)糾偏

先離線統(tǒng)計(jì)出各種category的問題中category中的各個(gè)詞作為L(zhǎng)AT的頻率，并且以這個(gè)頻率作為其置信度（不用上面的邏輯回歸模型進(jìn)行打分）。過濾掉過低置信度的詞，并且根據(jù)前面的規(guī)則是否檢測(cè)到LAT分別統(tǒng)計(jì)這兩種情形下的置信度。這樣有可能召回前面規(guī)則漏掉的LAT。

效果評(píng)估

用基本方法與采用了這里展示的幾種提升方法的Watson分別在手工標(biāo)注的9128個(gè)問題上的進(jìn)行評(píng)估，得到的結(jié)果如下：

可見提升方法還是有顯著效果的，尤其是在召回率（Recall）上。

問題分類與Qsection檢測(cè)

Jeopardy! 的問題有很多種類，統(tǒng)一用一種方法來處理效果并不理想，并且問題的部分片段可能有著特殊作用，如果能做針對(duì)性的處理對(duì)提升準(zhǔn)確性也是有益的。所以對(duì)問題進(jìn)行分來并檢測(cè)出這些特殊的片段是問題分析中重要的一步。

問題分類

Watson默認(rèn)的回答問題的方式是針對(duì)仿真陳述問題（Factoid Question）的，然而有些問題根本無法使用這種方式去回答，還有部分問題雖然不是不能用默認(rèn)的方式去回答，但經(jīng)過分類處理，做針對(duì)性的分析也會(huì)更好地解答。通過對(duì)3500個(gè)Jeopardy!的問題進(jìn)行人工聚類，得到的問題分類與占比如下表所示。

檢測(cè)問題類型的方式主要是通過正則表達(dá)式、句法規(guī)則等模式匹配的技術(shù)，所以一個(gè)問題可能匹配上多種類型。當(dāng)然這些類型中部分之間存在互斥，所以匹配完成之后，如果匹配上的類型中有互斥的，要去掉互斥對(duì)中置信度較低的哪個(gè)類型。

上表所示的問題類型（QClass）中PUZZLE、BOND、FITB (Fill-in-the blank)、BOND與MULTIPLE-CHOICE的表示方式相對(duì)固定，所以用正則表達(dá)式去匹配。對(duì)于其他的QClass，由于沒有固定的表達(dá)方式，所以通過基于PAS結(jié)構(gòu)的句法規(guī)則去匹配，具體如下：

ETYMOLOGY：包含“From for , ...,”或其它類似模式；

VERB：focus通常是“do”的賓語或者是包含不定式的定義式問題（如“This 7-letter word means to presage or forebode”）；

TRANSLATION：包含模式“ is for “或或者問題是只是一個(gè)沒有focus的短語并且其category確定了一門語言。

NUMBER與DATE：如果LAT中包含數(shù)字或日期的實(shí)例；

DEFINITION：關(guān)鍵短語“is the word for”與“Bmeans”以及經(jīng)常出現(xiàn)的category如“CROSSWORD CLUES”；

CATEGORY-RELATION：?jiǎn)柧鋬H僅是一個(gè)實(shí)體或一串實(shí)體（沒有檢測(cè)到focus）；

ABBREVIATION：并不是包含縮寫的問題都是ABBREVIATION類問題，這里的識(shí)別方法與識(shí)別LAT類似。先制定一些規(guī)則，包括正則表達(dá)式與句法規(guī)則。然后以這些規(guī)則以及當(dāng)前category是ABBREVIATION類型問題的先驗(yàn)概率作為特征訓(xùn)練一個(gè)邏輯回歸模型來判斷當(dāng)前問題是否是ABBREVIATION類型。如果是再用專門的方法求出全稱，這種方法詳見參考文獻(xiàn)[2]，后面也會(huì)專門介紹。

檢測(cè)Qsection

QSection是指問句（偶爾在category中）中對(duì)問題的解釋有著特殊功能的連續(xù)區(qū)域。與問題分類類似，QSection的檢測(cè)也是通過正則表達(dá)式與PAS結(jié)構(gòu)上的句法規(guī)則實(shí)現(xiàn)的。其中比較重要的QSection有：

1）LexicalConstraint：對(duì)答案的詞匯方面做限制的短語，如”this 4-letter word“ ，這對(duì)答案的選擇有重要作用；

2）Abbreviation：被識(shí)別為縮寫的詞項(xiàng)，并與其可能的全稱進(jìn)行關(guān)聯(lián)。對(duì)于QClass為ABBREVIATION的問題，有一個(gè)abbreviation的全稱即為答案，需要被識(shí)別出來做更加精準(zhǔn)的分析來確定答案；

3）SubQuestionSpan：當(dāng)原問題可以被分解若干個(gè)片段，每一個(gè)片段可以單獨(dú)對(duì)答案產(chǎn)生影響，這些單獨(dú)的片段即為SubQuestionSpan。這種通過對(duì)原始問題進(jìn)行分解的求解方式后面會(huì)做專門介紹；

4）McAnswer：多選問題中表示答案的選擇的字符串（經(jīng)常3個(gè)）；

5）FITB：與focus毗鄰的字符串（如focus的補(bǔ)充成分)。

效果評(píng)估

基于3500個(gè)人工分類的問題對(duì)分類方法進(jìn)行評(píng)測(cè)，得到的結(jié)果如下表所示：

DEFINITION識(shí)別起來比較困難，然而實(shí)際上這種問題直接中默認(rèn)的Factoid方式進(jìn)行回答，問題不是特別大。PUZZLE的召回率較低時(shí)由于其類型的長(zhǎng)尾分布，導(dǎo)致規(guī)則覆蓋不夠。

將Watson的問題分類與特殊片段的檢測(cè)功能移除與完整狀態(tài)進(jìn)行評(píng)測(cè)對(duì)比如下，可見這種處理能讓W(xué)atson多答對(duì)2.9%（有focus與LAT檢測(cè)功能）的問題。

結(jié)論

通過上面的評(píng)測(cè)結(jié)果可知，與只有基本的focus、LAT檢測(cè)功能的Basline問題分析流程相比，集成了本文介紹的全部focus檢測(cè)、LAT檢測(cè)、問題分類與QSection檢測(cè)模塊功能的分析流程可以使Watson多答對(duì)5.9%的問題。這個(gè)Gap對(duì)能否戰(zhàn)勝人類選手是非常重要的。