四、文本對抗攻擊的防御策略

針對文本對抗攻擊的防御策略主要包括兩個方面，一方面是去發(fā)現(xiàn)對抗樣本，比如有一些對抗攻擊，是將文本中的字改成音近字、形近字或錯字，可以檢測包含這類異常字的文本，然后對其做額外的處理；另一方面是對模型進行對抗性訓(xùn)練，包括在訓(xùn)練樣本中加入對抗樣本，對損失函數(shù)和模型結(jié)構(gòu)進行改動等，本次大賽方案中有一些應(yīng)對對抗攻擊的策略，具體在下面章節(jié)介紹。

五、DIAC大賽方案分享

DIAC大賽優(yōu)勝隊伍普遍選擇RoBERTa_wwm作為語義等價任務(wù)的基礎(chǔ)模型，即將兩個問題拼起來，進入模型，然后選擇[cls]位置對應(yīng)的向量，經(jīng)過一個全連接層和softmax操作，輸出在2個類別上的概率。在模型訓(xùn)練之前，進行了對抗樣本的數(shù)據(jù)增強；在模型訓(xùn)練階段，采用FocalLoss作為損失函數(shù)，利用Fast Gradient Method（FGM）在embedding層上添加擾動；在測試集上作預(yù)測時，對疑似對抗樣本進行糾錯。

5.1 數(shù)據(jù)增強

根據(jù)對抗樣本舉例，通過以下方式進行了數(shù)據(jù)增強：

方法一：音近字替換、形近字替換、同義詞替換、詞序調(diào)整。用開源的音近字、形近字、同義詞詞典，以一定比例對問題中的字或詞進行替換，同時限制一組問題中替換的總字數(shù)小于3，或以一定比例對問題中的詞語詞序隨機調(diào)整，限制最遠的詞序調(diào)整，兩個詞匯間隔不超過2個詞。

方法二：反義詞替換、增加或刪除否定詞。以一定比例進行將問題中的某個詞替換為反義詞、增加或刪除問題中的否定詞，如：“未”、“沒有”、“無”、“非”，并修改樣本標簽。

方法三：用開源的錯別字校正工具，對問題進行校正，矯正結(jié)果矯正錯誤率接近100%，但錯誤矯正只影響1-2個字，不影響對問題的理解，故可以用這種方式生成對抗樣本。

通過上面的一種或幾種方式，進行數(shù)據(jù)增強，訓(xùn)練的模型與不進行數(shù)據(jù)增強相比，在最終測試集上的宏F1值有約1.5~2個百分點的提升。

5.2 智能糾錯

針對對抗樣本特點，有下面幾種糾錯方式：

方法一：召回與待糾錯問題相似的問題，對比相似片段，進行糾錯。具體做法是：以兩個問題分詞集合的差集中包含的詞語數(shù)目作為二者相關(guān)性的一個度量。對一個問題，從整個數(shù)據(jù)集合中，召回一些和它相關(guān)性較高的問題。相關(guān)問題召回后，接著對原問題與相關(guān)問題進行共現(xiàn)的相似文本片段查找，文本片段相似采用漢明距離作為度量，由于一般對抗樣本中錯別字都只有一個，若是有兩個錯別字一般都是連在一起的，因此將漢明距離小于2且滿足不同字必須連續(xù)做為判斷相似文本片段的依據(jù)。

相似片段找到后，對相似片段的每個位置進行一一對比，如果不同，考慮這兩個字是否是同音字，如果不是同音的字再考慮是否是形近字，若都不是就不進行糾錯。判斷是否同音采用一個漢字轉(zhuǎn)拼音的模塊，同形的判斷采用筆順的編輯距離作為相似度的判斷，同音或同形的錯別字在相似文本片段中的位置確定后，接下來就是確定兩個文本片段哪個有錯別字。通過對相似片段分詞，然后計算所有詞的在訓(xùn)練集中出現(xiàn)次數(shù)的總和，判定總和小的片段包含錯別字，然后用總和大的對總和小的進行修正。

方法二：統(tǒng)計問題中詞語上下文的ngram，根據(jù)ngram為對抗樣本中的錯誤詞語尋找糾錯建議。具體做法為：對問題進行分詞及詞性標注，對具有詞性為m、nr、ns、nt、nz、r、x、w的詞替換為對應(yīng)的詞性標記。對每個詞語，分別統(tǒng)計上文的一、二、三元ngram和下文一、二、三元ngram共6個詞條，添加到ngram詞表里。在糾錯階段，對問題中的詞W，利用其上下文的6個ngram詞條和前一步統(tǒng)計的ngram詞表，獲得糾錯的候選詞及候選詞的詞頻，基于拼音編輯距離，計算候選詞與詞W的拼音相似度。按照如下公式，進行候選詞得分計算：

其中x為候選詞，c為原錯詞，d為詞表，為候選詞的詞頻，為候選詞與原錯詞的拼音相似度數(shù)，為對應(yīng)的詞表字典的權(quán)重。對所有候選詞按照分值從大到小進行排序。取前N（這里取N為10）個，如果存在候選詞與錯詞的編輯距離小于等于1，則優(yōu)先返回這個候選詞，否則返回所有候選詞分值最高的詞。

方法三：將測試樣本中兩個句子中的同音字或形近字相互替換。當句A中連續(xù)兩個字的讀音與句B中連續(xù)兩個字的讀音相同時，可以用B中的同音字替代A中同音字，構(gòu)造句A’，那么A’與B即可組成樣本[A’,B]。同理可以構(gòu)造[A,B’]，它們與[A,B]共同組成一組測試樣本，用訓(xùn)練好的模型預(yù)測這組測試樣本，預(yù)測結(jié)果只要存在一個正樣本，即認為原測試樣本為正樣本。

通過上面的方式，對測試集進行糾錯，預(yù)測結(jié)果的宏F1值有約2~3個百分點的提升。

5.3 Focal Loss

在給出的訓(xùn)練集中，正負樣本比例較不平衡，適合采用Focal Loss作為損失函數(shù)。Focal Loss公式如下：

通過設(shè)定α的值來控制正負樣本對總的loss的共享權(quán)重，α取比較小的值來降低多的那類樣本的權(quán)重，通過設(shè)置γ來減少易分類樣本的權(quán)重，從而使得模型在訓(xùn)練時更專注于難分類的樣本。

實驗表明，使用Focal Loss相比于不使用FocalLoss作為損失函數(shù)，驗證集預(yù)測結(jié)果的宏F1值有約0.5個百分點的提升。

5.4 Fast Gradient Method

對抗訓(xùn)練采用的是Fast Gradient Method（FGM），其目的是提高模型對小的擾動的魯棒性，擾動添加在bert模型的字向量上。對于分類問題，具體做法就是添加一個對抗損失：

上式表達的意思即，對樣本x加入的擾動radv是可以使得預(yù)測為分類y的損失最大，radv的定義如下：

在具體訓(xùn)練時采取的損失，是原始損失與對抗損失的組合。實驗表明，使用FGM訓(xùn)練的模型和沒有使用的模型相比，驗證集的宏F1值能有約0.5~1個百分點的提升。

5.5 各種方法的效果

總結(jié)上面提到的幾種方法，在該任務(wù)上的效果如下表：

大賽優(yōu)勝隊伍以上面幾種方案為主。第一名采取了除上面智能糾錯以外的方案，同時，針對只是在局部進行個別詞的增刪改替換的對抗樣本，設(shè)計了Absolute Position-Aware 的模型輸入方式進行捕捉，另外，在固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中進行對抗訓(xùn)練。第二名和第三名的隊伍，沒有做太多數(shù)據(jù)增強，在使用Focal Loss和Fast Gradient Method的同時，將重點放在了智能糾錯上，他們分別設(shè)計了巧妙的智能糾錯方案，利用對抗樣本和其他樣本之間的相似特性，進行糾錯，取得了不錯的效果。

綜合看前三名的隊伍，除了數(shù)據(jù)增強和對抗訓(xùn)練等其他任務(wù)中也可能有效的方法，他們針對本次比賽的賽題特點，從數(shù)據(jù)出發(fā)，進行對抗樣本的發(fā)現(xiàn)與糾錯，方法巧妙，最終脫穎而出。

六、總結(jié)

通過這次比賽，大家對防御智能問答中語義等價問題的對抗攻擊、增強模型魯棒性的方法進行了許多探索與實踐，發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理階段的數(shù)據(jù)增強、對抗樣本糾錯和模型訓(xùn)練階段使用Focal Loss和采用FGM的方法進行訓(xùn)練是行之有效的策略。這些實踐與結(jié)論，將實現(xiàn)機器與人之間更加智能的對話，為實際的生產(chǎn)生活帶來切實幫助。當然，隨著研究的深入與應(yīng)用的普及，還會出現(xiàn)新的對抗攻擊的方法，我們也期待新的防御策略被發(fā)明，共同促進模型魯棒性的提升，使系統(tǒng)更好地落地應(yīng)用。

參考資料

[1] Wang, W., Wang,L., Wang, R., Ye, A., & Tang, B. (2019). A Survey: Towards a Robust DeepNeural Network in Text Domain. arXiv preprint arXiv:1902.07285.

[2] Wei Emma Zhang,Quan Z. Sheng, Ahoud Alhazmi, and Chenliang Li. 2019. Adversarial Attacks onDeep Learning Models in Natural Language Processing: A Survey. 1, 1 (April2019), 40 pages. 

[3]?DIAC大賽優(yōu)勝隊伍（比較牛的丹棱街5號、觀、沐鑫、XiaoduoAI-NLP、zhys513、蘇州課得樂-強行跳大）解決方案

【 本文作者：陳旭 】

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