圖是一種可用來描述和建模復(fù)雜系統(tǒng)的通用語言。

圖在NLP的世界里無處不在，比如用來描述句法信息的dependency tree和constituency tree，以及描述語義信息的AMR graph。

相比于簡單地把自然語言建模成詞袋（bag）或者序列（sequence)，圖能捕捉到自然語言更豐富和細(xì)致的信息。

因此，對于許多NLP任務(wù)而言，圖是一種非常合理的表示方式。

例如，對于跨文本閱讀理解任務(wù)，如果能夠抽取出文本中的實體信息，并以圖的形式建立起它們之間各種聯(lián)系，將能有效幫助文本理解。

而圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）恰恰最擅長處理和建模圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的。

GNN的原理

GNN的工作原理簡單概況就是，聚合節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)/邊的信息，來更新節(jié)點(diǎn)的向量表征。

近年來，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為NLP領(lǐng)域的主要技術(shù)手段。

在GNN被引入和廣泛應(yīng)用之前，深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域一直缺少一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠像CNN適合處理網(wǎng)格數(shù)據(jù)那樣，適合處理任意圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

隨著GNN研究的持續(xù)火熱，越來越多的研究開始嘗試用GNN來解決各類NLP問題。

近期，來自京東硅谷研發(fā)中心的首席科學(xué)家吳凌飛博士和他的團(tuán)隊就發(fā)表了第一篇詳細(xì)的關(guān)于GNNs for NLP的綜述。

論文：
https://arxiv.org/pdf/2106.06090.pdf

Github：https://github.com/graph4ai/graph4nlp/

本文從「NLP圖構(gòu)建」、「NLP圖表示學(xué)習(xí)」、「基于GNN的Encoder-decoder模型」和「GNN在NLP任務(wù)中的應(yīng)用」四個維度對現(xiàn)有研究進(jìn)展作了詳細(xì)的回顧與解讀。

整篇綜述總共127頁，其中包含87頁正文，12種圖構(gòu)建方法，12個應(yīng)用場景涉及NLP各方各面。

除此之外，其中覆蓋了500篇頂級AI/ML/NLP的文章，并在最后對目前所面臨的挑戰(zhàn)與未來的研究方向作出了獨(dú)到的總結(jié)。

NLP圖構(gòu)建、NLP圖表示學(xué)習(xí)、基于GNN的Encoder-decoder模型和GNN在NLP任務(wù)中的應(yīng)用

不論是想要了解該方向的最新研究進(jìn)展，概覽GNNs for NLP應(yīng)用pipeline，抑或是對其中某個子模塊感興趣，本文都將讓你有所收獲。

作者所在團(tuán)隊還為本文配備了graph4nlp library，已在github上發(fā)布，給想要動手實操的研究者們提供了非常好的機(jī)會。

GNN4NLP研究面臨的挑戰(zhàn)

盡管在各類NLP任務(wù)上，GNN已經(jīng)大獲成功，但是GNN4NLP仍然是一個相對年輕且快速發(fā)展的研究領(lǐng)域，并面臨諸多挑戰(zhàn)：

1. 如何自動地把文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有效的圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并保留對下游任務(wù)有幫助的重要信息；
2. 如何針對不同類型的圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，開發(fā)出有效的GNN模型；
3. 如何端到端地學(xué)習(xí)復(fù)雜類型數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系（例如Graph2Seq, Graph2Tree, Graph2Graph）。

自動化圖構(gòu)建

不同類型的NLP任務(wù)往往需要不同層面的文本信息。例如，詞性、句法等信息對于命名實體識別任務(wù)比較有幫助；而對于閱讀理解任務(wù)而言，實體關(guān)系等語義信息會很有幫助。

另一方面，不同類型的圖通常包含不同類型的信息。所以，如何選擇合適的圖構(gòu)建方式對于GNN在下游任務(wù)的表現(xiàn)至關(guān)重要。

本文將目前已知的所有圖構(gòu)建方式分為兩類：靜態(tài)構(gòu)圖方式和動態(tài)構(gòu)圖方式。

靜態(tài)圖構(gòu)建

靜態(tài)圖構(gòu)建有兩大特點(diǎn)：

1. 引入先驗的領(lǐng)域知識來擴(kuò)充文本信息；
2. 在預(yù)處理階段完成。

dependency graph和constituency graph兩種靜態(tài)圖構(gòu)建方式

本文從以往發(fā)表的文獻(xiàn)中，總結(jié)出10余種有代表性的靜態(tài)圖構(gòu)建方式，并將其歸類為句法信息、語義信息、主題信息等多個維度。

動態(tài)圖構(gòu)建

動態(tài)圖構(gòu)建是近兩年來新興出現(xiàn)的一種自動構(gòu)圖方式，其最大的特點(diǎn)是：

1. 針對下游NLP任務(wù)，對圖結(jié)構(gòu)和圖表征進(jìn)行端到端聯(lián)合學(xué)習(xí)；
2. 可以動態(tài)進(jìn)行。

動態(tài)圖構(gòu)建的常見流程：

1. 圖相似度量學(xué)習(xí)模塊計算節(jié)點(diǎn)之間的相似關(guān)系，返回一個全連通加權(quán)圖；
2. 圖稀疏化模塊對全連通圖進(jìn)行稀疏化處理，得到稀疏圖；
3. 如果已知初始的圖結(jié)構(gòu)信息，那么也可以將初始的圖結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)到的隱圖結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，獲得更有效的圖結(jié)構(gòu)信息。

同時，本文總結(jié)了各類目前已知有效的動態(tài)圖構(gòu)建方式，并歸納出如下4個技術(shù)維度和相應(yīng)的代表性技術(shù)。

圖表示學(xué)習(xí)

當(dāng)從非結(jié)構(gòu)化的文本中獲取到了想要的圖，又該如何進(jìn)行圖表示學(xué)習(xí)？

不要慌，本文從幾百篇文獻(xiàn)中，系統(tǒng)性的總結(jié)了實際研究中碰到的圖的類型，以及怎么轉(zhuǎn)化，最終怎么用、用什么GNN進(jìn)行編碼學(xué)習(xí)的流程。

首先，根據(jù)圖的節(jié)點(diǎn)和邊的屬性是否唯一，將圖歸類為：

1. 具有單一節(jié)點(diǎn)和邊屬性的同構(gòu)圖（homogeneous graph）；
2. 具有單一節(jié)點(diǎn)屬性，但邊屬性不唯一的關(guān)系圖（multi-relational graph）；
3. 節(jié)點(diǎn)屬性不唯一的異構(gòu)圖（heterogeneous graph）。

其次，這些圖之間是存在互相轉(zhuǎn)化的可能的，因此本文總結(jié)了這些不同的圖可能存在的轉(zhuǎn)化模式，比如說如何從一個異構(gòu)圖轉(zhuǎn)化成多關(guān)系圖等等。

這些轉(zhuǎn)化為圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了更多的可能與選擇。

最后，當(dāng)搞清楚圖的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化后，該如何選擇合適的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)？

本文總結(jié)了針對每一種圖目前已有的經(jīng)典的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，讓使用起來不再感到無從下手！

1. 對于同構(gòu)圖，我們總結(jié)了一類成為homogeneous GNN的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型。最常見的比如GCN，GAT等等。特別的，我們注意到很多GNN比如GCN是針對無向圖而實際中很多同構(gòu)圖是有向的，因此我們針對有向圖和無向圖進(jìn)行了詳盡的討論。
2. 對于多關(guān)系圖，由于針對邊的屬性如何被應(yīng)用，總結(jié)了不同的multi-relational GNN。最常見的有R-GCN, R-GGNN等等。值得一提的是，我們發(fā)現(xiàn)火爆全網(wǎng)的Transformer也被研究者用來學(xué)習(xí)多關(guān)系圖使用。我們將它視為一種特殊的多關(guān)系圖，進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。
3. 對于異構(gòu)圖，由于圖的節(jié)點(diǎn)和邊的屬性都不限，因此這方面的工作自由度很高，我們統(tǒng)稱為heterogeneous graph。常見的有基于元路徑的（meta-path based），關(guān)系神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)延伸的（R-GNN based）等等。

流程圖

編碼器-解碼器模型

Encoder-decoder架構(gòu)可以說是近年來NLP領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的框架之一。

但在不同任務(wù)場景中，如何因地制宜地設(shè)計encoder，decoder，也是極為重要的問題。

結(jié)合GNN對圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的強(qiáng)大建模能力，許多研究者開始關(guān)注如何在Encoder-decoder架構(gòu)中用好GNN。

本文對這個方向的研究進(jìn)展作了系統(tǒng)地梳理和回顧，并將相關(guān)文獻(xiàn)分為以下三個類別：

• Graph2Seq（圖到序列）
• Graph2Tree（圖到樹）
• Graph2Graph（圖到圖）

Graph2Seq&Graph2Tree示意圖

對于這三個角度，本文詳細(xì)介紹了Graph based encoder-decoder模型的發(fā)展脈絡(luò)。

其中不僅包括GNN的使用，也有各種各樣相關(guān)的decoding techniques。

同時，對于最近備受關(guān)注的基于graph transformer的生成模型，本文也對此進(jìn)行了分析對比，并總結(jié)了一些現(xiàn)在面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

NLP應(yīng)用任務(wù)

那么，圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)究竟被用到哪兒了呢？

本文總結(jié)了來自12個不同的方向，26個任務(wù)共百余篇文獻(xiàn)，帶來最詳盡的實際應(yīng)用解讀:

• 自然語言生成（NLG）：1. 機(jī)器翻譯（Neural Machine Translation），2. 摘要生成（Summarization），3. 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)到文本的生成（Structural-data to text），4. 文本問題生成（Neural Question Generation）
• 機(jī)器閱讀理解與問題回答（MRC and QA）：1. 機(jī)器閱讀理解（Machine Reading Comprehension）， 2. 基于知識庫的問題回答（Knowledge Base Question Answering），3. 開放領(lǐng)域的問題回答（Open-domain Question Answering），4. 基于社區(qū)的問題回答（Community Question Answering）
• 對話系統(tǒng)（Dialog Systems）：1. 對話狀態(tài)跟蹤（Dialog State Tracking），2. 對話回應(yīng)生成（Dialog Response Generation），3. 下一個話語選擇（Next Utterance Selection）
• 文本分類（Text Classification）：1. 文本分類（Text Classification）

• 文本匹配（Text Matching）：1. 文本匹配（Text Matching）

• 主題模型（Topic Modeling）：1. 主題模型（Topic Modeling）

• 情感分類（Sentiment Classification）：1. 情感分類（Sentiment Classification）

• 知識圖譜（Knowledge Graph）：1. 知識圖譜補(bǔ)全（Knowledge Graph Completion），2. 知識圖譜對齊（Knowledge Graph Alignment）

• 知識抽?。↖nformation Extraction）：1. 命名實體識別（Named Entity Recognition），2. 關(guān)系抽?。≧elation Extraction），3. 聯(lián)合學(xué)習(xí)模型（Joint Learning Models）

• 句法解析和語義分析（Parsing）：1.句法解析（syntactic parsing） 2. 語義分析（semantic parsing）

• 推理（Reasoning）：1. 解決數(shù)學(xué)應(yīng)用題（Math Word Problem Solving），2. 自然語言推理（Natural Language Inference），3. 常識推理（Commonsense Reasoning）

• 語義角色標(biāo)注（Semantic Role Labelling）：1. 語義角色標(biāo)注（Semantic Role Labelling）

對于每一個任務(wù)，按照以下三點(diǎn)進(jìn)行剖析：

1. 該任務(wù)的研究背景（background）和使用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動機(jī)（motivation）；
2. 使用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法（methodology）；
3. 該任務(wù)已有的數(shù)據(jù)集（benchmark）和評測指標(biāo)（evaluation）。

針對最關(guān)心的方法部分，本文做了如下總結(jié)：

1. 構(gòu)圖技巧；
2. 圖表示學(xué)習(xí)方法；
3. 一些特殊方法的層次進(jìn)行詳細(xì)的說明。

總結(jié)

團(tuán)隊介紹

本文的作者是：

京東硅谷研發(fā)中心（JD.COM Silicon Valley Research Center）的首席科學(xué)家吳凌飛博士；西蒙弗雷澤大學(xué)的裴健教授；京東零售集團(tuán)搜索和推薦平臺部副總裁龍波博士等研究者。

Graph4NLP 相關(guān)軟件包，綜述，講座和文獻(xiàn)：

Survey: http://arxiv.org/abs/2106.06090

Library: https://github.com/graph4ai/graph4nlp

Demo: https://github.com/graph4ai/graph4nlp_demo

Tutorials: Graph4NLP-NAACL'21(Slides: google drive, baidu netdisk(drs1))

Literature Review: https://github.com/graph4ai/graph4nlp_literature

論文地址：

https://arxiv.org/pdf/2106.06090.pdf