对话状态追踪 (Dialogue State Tracking, DST) 是任务型对话系统 (Task-Oriented Dialogue System, TOD) 的核心模块.

DST 的目标是 提取用户目标 (User Goal) 和 意图，并将其编码为 对话状态 (Dialogue State). 所谓 Dialogue State, 是一组 意图 - 槽位 - 槽位值 组合.

在单领域对话系统 (Single-Domain TOD) 中，Dialogue State 可以表示为 <Intent, Slot, Value> 组成的集合；
在多领域对话系统 (Multi-Domain TOD) 中，需要将 Domain 加入对话状态中，即对话状态为 <Domain, Intent, Slot, Value> 四元组组成的集合.
为了表述上的方便，可以认为对话状态由 <Domain-Intent, Slot, Value> 三元组组成.

下面是一个对话状态的示例:

[
    ("restaurant-inform", "price", "cheap"),
    ("restaurant-inform", "people", "8"),
    ("attraction-inform", "type", "architecture"),
    ...
]

一些传统的 DST 方法，将 DST 建模为 (多标签) 分类问题 (Multi-Label Classification Problem). 分类问题需要提前枚举所有的类别标签，因此需要提前建立较为完备的槽位值本体库 (Ontology).

ontology, “本体；本体论”

  1. [UN, philosophy] Ontology is the branch of philosophy that deals with the nature of existence. “本体论”
  2. [UN, logic] the set of entities presupposed by a theory

ontology 由 onto- + -logy 构成，
其中词根 onto- 来源于希腊词汇 on (所有格 ontos), 含义是 “a being, individual; being, existence”.
后缀 -logy 是 “学说” 的意思.

使用分类问题建模 DST 的主要问题如下:

  • 常常无法得到完备的本体库
  • 本体库过于庞大

同时在对话系统中，特别是多领域对话系统中，槽位的具体值可能并非来自本轮对话，甚至来自于其它 Domain 的某个其它类型的槽位。这就涉及到 多轮映射 (Multi-Turn Mapping) 及 领域迁移 (Domain Transfering) 问题.

比如，Hotel 领域中的酒店位置信息 (假设 Hotel 域有 addr 类型槽位) 很可能在后续的 Taxi 领域对话中成为 Departure 的槽位值.

总结上述 DST 相关问题如下:

  • 如何在本体库不完备情况下实现 DST?
  • 如何解决 DST 中的 多轮映射 和 领域迁移问题？

由 香港科技大学 提出的 TRADE (TRAnsferable Dialogue StatE Generator) 方法较好地解决了上述问题.

# TRADE: Transferable Dialogue State Generator

TRADE 由 香港科技大学 的 Chien-Sheng Wu et al. 于 2019 年提出，论文 Transferable multi-domain state generator for task-oriented dialogue systems.

为了解决 本体库不完备 下的 DST 问题，TRADE 将 DST 使用了 State Generator 的方法，将 DST 建模为序列生成问题 (而非传统的分类问题), 无须构建本体库，即可完成 槽位值生成.

为了解决 多轮映射问题，TRADE 使用了最近的 L 轮对话作为输入.

为了解决 领域迁移 问题，TRADE 使用 Copy Mechanism 技术，该技术对 Zero-shot DST 和 Few-shot DST 也有较为明显的效果.

从模型构成上，TRADE 主要由三个部分组成:

  • Utterance Encoder
  • Slot Gate
  • Slot Generator

TRADE 架构图

整体上，使用了经典的 Encoder-Decoder 架构来实现序列生成模型。其中 Utterance Encoder 用来编码对话文本信息；Slot Generator 作为 Decoder, 负责槽位值生成. Slot Gate 是一个三分类器，用于判断是否需要使用生成的值填充该槽位.

# Utterance Encoder

TRADE 的 Utterance Encoder 没有特殊的设计，使用常规的 LSTM 或 GRU 即可.

为了解决 多轮映射 问题，TRADE 将最近的 l 轮对话内容拼接在一起编码，数学表示如下:

Xt=concat(Ut−l,Rt−l,⋯ ,Ut,Rt)∈RMEt=Embed(Xt)∈RM×DembHt=Encode(Et)∈RM×Dhdd\begin{aligned} X_t &= \text{concat} (U_{t-l}, R_{t-l}, \cdots, U_{t}, R_{t}) \in \mathbb{R}^{M} \\ E_t &= \text{Embed} (X_t) \in \mathbb{R}^{M \times D_{emb}} \\ H_t &= \text{Encode} (E_t) \in \mathbb{R}^{M \times D_{hdd}} \end{aligned}

其中 M,Demb,DhddM, D_{emb}, D_{hdd} 分别表示拼接后的文本长度，Embedding Size 和 Hidden Size.

# Slot Generator

Slot Generator 是 TRADE 的解码器，也使用了 RNN 来生成对应的槽位值序列.

TRADE 对每一个槽位 Domain-Slot 都需要执行一遍解码过程。我们以 (d,s)(d, s) 来代表一个 Domain-Slot 槽位，来看一看 TRADE 的槽位值生成过程.

对于解码器，我们已知的输入信息有:

  • 编码器输出序列编码 S∈RM×DhddS \in \mathbb{R}^{M \times D_{hdd}} 及 隐状态 H∈RDhddH \in \mathbb{R}^{D_{hdd}}. (这里省去了表示轮次的下标 t_t)
  • 当前正在处理的槽位 (d,s)(d, s)
  • 槽位词表 VdsV_{ds} 及 对应的 嵌入矩阵 Eds∈R∣Vds∣×DhddE_{ds} \in \mathbb{R}^{|V_{ds}| \times D_{hdd}}
  • 所有 Token 对应的总词表 VV 及 嵌入矩阵 E∈R∣V∣×DhddE \in \mathbb{R}^{|V| \times D_{hdd}}
  • 仅限训练时：槽位值目标序列 T=[v1,v2,⋯ ,vN]∈RN T = [v_1, v_2, \cdots, v_N] \in \mathbb{R}^{N} \,

提示

  • 槽位词表在构建时，可以将 d 和 s 分别作为 Token 加入词表中 相对于将 d-s 整体作为 Token 可以减小词表体积，同时方便 d 和 s 的多样组合；
  • (d,s)(d, s) 在具体嵌入时，可以将 d 和 s 的嵌入向量叠加

对于槽位 (d,s)(d, s), 其槽位值生成过程如下

  1. 获得 (d,s)(d, s) 的嵌入向量 eds∈R1×Dhdde_{ds} \in \mathbb{R}^{1 \times D_{hdd}}

  2. GRU 初始状态设置为编码器的输出状态 h0=Hh_0 = H

  3. 解码 Token vkv_k

    1. 使用 Token vk−1v_{k-1} 对应的嵌入向量 ek−1∈R1×Dhdde_{k-1} \in \mathbb{R}^{1 \times D_{hdd}} 作为 GRU 的输入。特别地，当 k=0k=0 时，ek−1=eds e_{k-1} = e_{ds} \,

    2. 使用 GRU 解码，得到隐状态

    sk,hk=GRU(ek−1,ht−1)s_k, h_k = \text{GRU}(e_{k-1}, h_{t-1})

    其中 sk∈R1×Dhdds_k \in \mathbb{R}^{1 \times D_{hdd}}, hk∈R1×Dhddh_k \in \mathbb{R}^{1 \times D_{hdd}}

    1. 解码器隐状态 hk∈R1×Dhddh_k \in \mathbb{R}^{1 \times D_{hdd}} 与 编码器序列编码 S∈RM×DhddS \in \mathbb{R}^{M \times D_{hdd}} 计算 Attention

    ck,αk=Attention(S,hk)c_k, \alpha_k = \text{Attention} (S, h_k)

    其中 ck∈R1×Dhddc_k \in \mathbb{R}^{1 \times D_{hdd}} 是 上下文编码，αk∈RM\alpha_k \in \mathbb{R}^{M} 是每个序列编码向量 sis_i 对应的权重

    1. 将 ckc_k 映射到 上下文向量 pck=R∣V∣p_{ck} = \mathbb{R}^{|V|} 空间.
      (这里可以使用 FC + Softmax, 也可以使用其它方式。比如 ConvLab2 就使用了 torch.scatter_add() 方式，将 Utterance 中每个单词对应的 Attention 权重 αk\alpha_k 叠加，作为对应词汇的概率，这样只有输入序列中出现的词才会的概率大于 0)

    2. 解码器隐状态 hkh_k 与 嵌入矩阵 EE 计算 Attention, 得到 Pointer 向量

    pvk=Attention(E,hk)∈R∣V∣p_{vk} = \text{Attention} (E, h_k) \in \mathbb{R}^{|V|}

    1. 计算权重因子 γk∈R \gamma_{k} \in \mathbb{R} \,

    γk=FC([sk;ck;ek−1])\gamma_{k} = \text{FC} ([s_k; c_k; e_{k-1}])

    1. 加权 pckp_{ck} 和 pvkp_{vk}, 得到 vkv_k 的概率分布 pk∈R∣V∣{p_{k} \in \mathbb{R}^{|V|}}

    pk=(1−γk)∗pck+γk∗pvkp_{k} = (1 - \gamma_{k} ) * p_{ck} + \gamma_{k} * p_{vk}

    1. 解码 vkv_k

    vk=arg max⁡v∈V(pk[v])v_k = \argmax_{v \in V} (p_k [v])

  4. 槽位 (d,s)(d, s) 的槽位值 v=[v0,v1,⋯ ,vN]v = [v_0, v_1, \cdots, v_N]

# Slot Gate

Slot Gate 是一个三分类器，目标类别有:

  • ptr
  • none
  • dontcare

Slot Gate 只需要在解码槽位 (d,s)(d, s) 的槽位值的第一个 Token v0v_0 时判断即可.

Slot Gate 使用最基础的 FC + Softmax 网络即可。输入 v0v_0 的上下文编码向量 c0c_0, Slot Gate 的工作流程为:

gds=Softmax(FC(c0))∈R3g_{ds} = \text{Softmax} (\text{FC} (c_0)) \in \mathbb{R}^{3}

# Zero-shot / Few-shot DST

先回忆一下 TRADE 解码器的输入数据:

  • 编码器输出序列编码 S∈RM×DhddS \in \mathbb{R}^{M \times D_{hdd}} 及 隐状态 H∈RDhddH \in \mathbb{R}^{D_{hdd}}
  • 当前正在处理的槽位 (d,s)(d, s)
  • 槽位词表 VdsV_{ds} 及 对应的 嵌入矩阵 Eds∈R∣Vds∣×DhddE_{ds} \in \mathbb{R}^{|V_{ds}| \times D_{hdd}}
  • 所有 Token 对应的总词表 VV 及 嵌入矩阵 E∈R∣V∣×DhddE \in \mathbb{R}^{|V| \times D_{hdd}}
  • 仅限训练时：槽位值目标序列: T=[v1,v2,⋯ ,vN]∈RN T = [v_1, v_2, \cdots, v_N] \in \mathbb{R}^{N} \,

在 Zero-shot 场景下，目标 Domain 和 / 或 Slot 在训练数据未曾出现过，因此无法获得 (d,s)(d, s) 对应的嵌入向量。这种情况下的 DST 是非常困难的.

在 Few-shot 场景下，可以认为槽位词表 VdsV_{ds} 是完备的，只不过对于新的 Domain 和 Slot, 其嵌入向量是欠学习的.

Few-shot 场景常用的学习方法是 持续学习 (Continual Learning).

论文采用了两种持续学习方法来 Fine-tune 模型:

关于持续学习，我们将在后续的博客中再进行介绍.

# ConvLab2 实现

在 ConvLab2 中，TRADE 的模型代码在 convlab2/dst/trade/multiwoz/models/TRADE.py 中实现.

# TRADE 论文中的相关技术简介

# Copy Mechanism

Copy Mechanism 分为三大类:

# Continual Learning