文章名称
【SIGIR-2021】【Shenzhen University/Huawei Noah’s Ark Lab】A General Knowledge Distillation Framework for Counterfactual Recommendation via Uniform Data
核心要点
文章旨在解决基于最大似然的信息抽取方法的结果中，实体与标签之间存在可疑关系的问题。作者首先为各种信息抽取任务，构建了统一的因果结构模型，以描述各种变量之间的关系。随后，基于该因果结构模型以及显示的语言结构模型生成反事实样本，进而在预测阶段，更准确的估计直接因果效应。最后提出一种原创的纠偏方法，以此获得更具鲁棒性的预测结果。
方法细节
问题引入
在信息抽取（IE）场景，包括NER，RE，ED，存在类别分布不均的问题[1]（其中数据集ACE2005上的类别分布情况，如下图所示）。[2]表明NER模型，在长尾类别上模型的性能显著下降，主要类别上模型的F1可能达到71.6，而在长尾类别上则只有41.7。
这种类别分布不均衡的问题导致，模型识别出一些spurious correlations[3]。原有的许多方法都是在类别均衡的数据下提出的。现有方法采用再平衡标签的训练方式[4]或者迁移训练[5]，又或者解纠缠的方法[6]。然而，这些方法更多的应用在CV领域，不适合NLP场景。由于NLP场景需要有上下文的表示（例如语法结构和语义信息等）来帮助模型决策，图像里的解纠缠方法不能直接用来对token解纠缠，很难被直接应用于NLP场景。而Causal Inference通过反事实数据可以解决长尾偏差的问题。
具体做法
CFIE的示例如下图所示，其中子图a是ACE2005中类别分布不均的案例（任务是event detection），其中有511条样本里，killed这个词和事件”Life:Die“相关，而只有19条样本和事件“SW:Quit”相关。因此，现有模型会在”The program was killed“句子中，得到”Life:Die“这种不正确的事件（spurious correlations）。
CFIE的目标是通过SCM (Pearl et al., 2016)来消除这种spurious correlations。SCM可以被形式化为有向无环图DAG（ ），其中，
分别表示观测到的变量（一般表示为节点），变量之间的影响关系（有向边），（外生）噪声。
如果是给定的，则整个系统是确定性的，观测随机变量的值由如下图所示的公式唯一确定。其中，
是当前节点的所有父节点集合。
Causal Representation Learning For IE
作者总结的，IE任务的因果结果模型（SCM）如下图所示。其中表示句子的上下文表示（可以采用BiLSTM或者BERT等各种方式获得）。
表示一些语法特征，比如NER标签或者POS标签，
表示特征的数量。
是特定抽取任务中某一个子类别的表示。例如，Relation Extraction中的一种关系的表示，或者NER中的某种实体的表示。
表示最终分类的logits。
在作者构建的IE因果图，定义
。并假设对
的直接因果效应是一种线性变换，用线性变换矩阵
表示，其中
分别表示分类类别的数量以及特征维度。假设，
的某一个父节点
的向量表示为
，那么对
的估计值可以通过对线性变换进行组合求和得到，即
。或者具有门控机制的
，其中
表示元素相乘，而
是sigmoid函数。
为了防止某一条边起到了全部影响（实际是一种平凡解），可以在整体损失中加入单一特征影响的交叉熵损失。整体框架图中，子图b展示了利用SCM训练IE模型的过程，期望模型能够在分类时，识别main cause (main effect) 和 spurious correlations (side effect)。
值得注意的是，对于的建模需要对不同任务采用不同的建模方案。在RE场景下，作者采用基于GCN的依存树来聚合较长的依赖关系。其他领域的方法可以参见文章。
本节介绍了信息抽取中，因类别长尾分布导致的模型性能下降，容易识别出spurious correlations的问题背景。并介绍了作者解决该问题的思路和归纳到SCM结构。下一节继续介绍模型的训练与预测，以及模型是如何生成反事实的。
心得体会
Direct Effect
个人感觉，文章的主要贡献是给出了IE任务的统一SCM结构，并在SCM的视角下把spurious correlations定义为side effect。这样，利用消除偏差的方法，可以解决长尾分布导致的模型性能下降的问题。作者定义的SCM能够适用于各种场景和模型框架。
文章引用
[1] George Doddington, Alexis Mitchell, Mark Przybocki, Lance Ramshaw, Stephanie Strassel, and Ralph Weischedel. 2004. The automatic content extraction (ACE) program – tasks, data, and evaluation. In Proceedings of the Fourth International Conference on Language Resources and Evaluation (LREC’04), Lisbon, Portugal. European Language Resources Association (ELRA).
[2] TZhanming Jie and Wei Lu. 2019. Dependency-guided lstm-crf for named entity recognition. In Proc. of EMNLP.
[3] Megha Srivastava, Tatsunori Hashimoto, and Percy Liang. 2020. Robustness to spurious correlations via human annotations. In Proc. of ICML.
[4] Tsung-Yi Lin, Priya Goyal, Ross Girshick, Kaiming He, and Piotr Dollár. 2017. Focal loss for dense ob- ject detection. In Proc. of ICCV.
[5] Ziwei Liu, Zhongqi Miao, Xiaohang Zhan, Jiayun Wang, Boqing Gong, and Stella X Yu. 2019. Large- scale long-tailed recognition in an open world. In Proc. of CVPR.
[6] Bingyi Kang, Saining Xie, Marcus Rohrbach, Zhicheng Yan, Albert Gordo, Jiashi Feng, and Yannis Kalantidis. 2019. Decoupling representation and classifier for long-tailed recognition. In Proc. of ICLR.
