华为诺亚方舟实验室主任李航：神经符号处理开启自然语言处理新篇章

雷锋网(公众号：雷锋网)按：深度学习（神经处理）给自然语言处理带来了革命性的进步，基于深度学习的机器翻译等任务的性能优良大幅度的提升。面向未来，自然语言处理技术将如何发展和演进？在哪些方面会有新突破？7 月 23 日，第二届语言与智能高峰论坛在北京举行，华为诺亚方舟实验室主任李航以《神经符号处理开启自然语言处理新篇章》为题作了报告，就自然语言领域的发展、神经符号处理对自然语言处理的影响等方面阐述了他的看法。 

李航博士，华为诺亚方舟实验室主任，北京大学、南京大学客座教授，IEEE Fellow、ACM 杰出科学家，研究方向包括信息检索、自然语言处理、统计机器学习以及数据挖掘。

以下为李航博士演讲内容实录，雷锋网做了不改变原意的编辑。

今天想跟大家一起看一下，我们现在一个主要研究方向，也希望跟大家一起推动这个研究方向，它是神经符号处理。

神经符号处理是未来自然语言处理非常重要的一个方向，这个报告大概分以下几个部分：

一，对自然语言领域做一个概述。从我的角度把最近几个报告的主要观点，再重新梳理一下。

二，为什么我们觉得神经符号处理是未来重要的一个研究方向，它的主要应用就是更广义的问答（我们叫智能信息知识管理系统）。同时，介绍一些业界相关工作和我们自己做的一些研究。

三，抛砖引玉，大家一起探讨一些相关问题。

自然语言处理的终极目标是做自然语言理解，就是让计算机能够理解人类的语言。具体来说有两个方面：像人一样能够去说话；像人一样能去阅读。理解大概有两层定义：基于表示的；基于行为的。

如果计算机系统听到一句话，它能够对应它内部的表示，我们就认为这个计算机理解了这个语言。或者是基于行为的，机器人听到一句话，能够按照话的内容去做一些行为，就认为这个机器人理解了这个自然语言。我们这个领域终极目标就是，期望我们能够开发出这个技术，使计算机能达到这样的智能识别。

但我们也知道，语言其实是一个非常复杂的现象，不做自然语言处理、人工智能，可能人类自己都不知道，我们自己的语言是这么复杂的一个现象。让我来总结的话，语言有五个特性，使得我们把语言放在计算机上，变得非常具有挑战性。

• 既有规律又有很多例外；

• 组合性；

• 递归性，造成了语言非常复杂；

• 比喻性；

语言的本质就是产生新的语言进行表示，其实都是在做比喻。所以，比喻性是语言非常重要的特性。语言的理解跟世界知识是密切相关的，如果你撇开了知识这些东西谈语言，其实都是无从谈起的。

• 交互性。

我们人类的语言其实是人跟外界做互动的一种手段，离开了对外环境的交互，谈论语言其实也是没有意义的。所以，因为语言有这么复杂的特性，使得我们在计算机上去实现自然语言理解，非常具有挑战性的。这就相当于这些特性使得我们要用现在的技术做计算的话，基本上都是做全局搜索，全局的这种计算还不知道该怎么做。这是非常复杂，具有挑战性的。

主要原因有以下几点：

原因一，最近写的一篇文章，在计算机学会通讯上，叫做迎接自然语言处理新时代，有这样一些观点，做了比较详细的介绍和总结。而在去年在中文信息处理大会上报告的内容，也是这个观点。

原因二，我们现在总结看的话，为什么自然语言处理这么难，因为本质的原因就是，我们还不知道，是不是能够用数学的模型刻画语言现象，这个是自然语言处理的本质。这件事情可能不可能做我们不知道，我们只能是部分地实现这个目标。

所以，这是为什么自然语言处理（甚至是广义的人工智能）都非常具有挑战性的原因。

现实当中大家采用的办法，我们不叫自然语言理解，而是叫自然语言处理。我们的策略是，把人类做语言理解的这个复杂过程进行简化。

第一个，我们现在能去做的事情。人类要是理解语言的话，比如人做这种问答，问我姚明身高是多少，我想一想可能是 2 米 29。我回答的这个过程，可能包含了多个步骤。比如语言的分析、理解、推理、知识的检索，最后做判断，最后产生我的回答，是一个非常复杂的过程。

但是，我们现在要用计算机来做这种智能问答或者知识问答的时候，其实我们大幅度地简化了这个过程。就是只做分析、检索和生成。今天大会里面有很多老师做报告，介绍自然语言处理相关的技术，基本上做问答的时候，都是把这个问答的过程简化。 

第二个，现在自然语言处理，非常主流的做法就是数据驱动。我们主要的核心技术是机器学习，现在是用深度学习来做。同时，我们把人的知识放进去。深度学习的重要的特点是，整个技术其实是一种机器学习，但是它的模型是从人的大脑处理机制中得到启发，然后我们定义这个模型。

所以，现在人工智能、自然语言处理，我们采用的基本工具是机器学习，尽量能够把人的知识导入进来，同时让这个模型尽量去参考跟人一样的处理机制，实现自然语言处理。

现实当中，我们看到深度学习、大数据，确实给自然语言处理带来了很多新契机。这条路到目前为止看，是最有希望能够再往前推进的一条路。

这个观点前年在一次大会上我作报告介绍的观点，也是在计算机学会通讯上有写过一篇文章，简论 AI，就是这里面介绍的观点。 

大家也看到，我们现在的自然语言处理包括人工智能都是这样一个过程。基于数据，我们的系统有了用户，之后我们根据数据改进算法、改进系统，使系统的性能不断提高。在人工智能闭环的时候，我们就可以不断地去给用户提供更好的服务，使得我们这个系统变得更加智能化。

我们看一些自然语言处理技术，就是说数据驱动，自然语言处理大概有五类技术，我们用数学建模，用统计机器学习办法建模，基本上就是这五类模型。主要的应用、方法基本上都属于这五类技术。

• 分类。文字的序列，我们要打印标签，这是我们常做的最基本的自然语言处理。

• 匹配。两个文字序列都匹配，看它们匹配的程度，最后输出一个非负的实数值，判断这两个文字序列它们的匹配程度。

• 翻译。把一个文字序列，转换成另外一个文字序列。

• 结构预测。你给我一个文字序列，让它形成内部结构的一个信息。

• 序列决策过程。在一个复杂的动态变化环境里面，我们怎么样不断去决策。比如描述序列决策过程的马尔可夫随机过程，这是一个有效的、非常常用的数学工具。

我们看自然语言处理的大部分问题，基本上做得比较成功、实用的都是基于这样的技术做出来的。比如：分类，有文本分类、情感分析；匹配，有搜索、问答、单轮对话、基于检索的单轮对话；翻译，有机器翻译、语音识别、手写体识别、基于生成方法的单轮对话；结构预测，有专名识别、词性标注、语意分析；序列决策过程，有多轮对话。

我们看到所有的这些重要的自然语言应用，其实是这五种最基本的技术，基本上都能够做得还不错。不过，自然语言处理我们现在做得并不完美，离理想中的情况还差得非常远。

这是从另一个角度看这个问题，我们把它叫做技术的上界和需求的下界。这个绿线表示技术能够达到的性能上界，比如机器翻译、专名识别，不可能达到一个上界。这个蓝线表示，用户对需求要求的下界。用户肯定是有一个最基本的要求，你这个机器翻译如果达不到，或者太低的话，我们是不能够给用户提供满意服务的，用户是不会去用这个自然语言处理系统的。所以，一定有一个用户要求的最低下界，对任何一个实际的应用，都可能有这样的一个下界。 

我们这个技术的上界就是，如果能够碰到需求要求的下界的话，实际上这个系统就有可能被用户用起来。大家觉得这个已经能够满足实际的需求了，否则的话，你这个做得再好，用户要求的下界更高，实际的技术也不可能实用。自然语言处理，大家现在在做的事情就是刚才看的这个绿线部分，怎么样不断往上提高，使技术的上界——红色的这部分，能够再往上提高，使得我们有更多的技术能够去满足用户需求，使得用户能够使用起来。

我们可以看到，现实当中自然语言处理很热，上午还有人问，自然语言处理里面哪些技术已经比较实用了，可以看到机器翻译和语音识别已经越来越实用化。但是我们可以清楚地看到，这个机制和人做的机器翻译、或者人去做语言识别完全不是一回事。我们还是用数学模型、数据驱动的方法。这个模型是参考了人类大脑的机制，用大数据做出这样的东西。

这块的话，我们还会看到有很多新的技术，比如说，Sequence Learning（序列学习）这样的技术，不断有新技术出来改进。至少现在看，主流的研究方向、发展方向是这个，但是我们已经越来越能够碰到用户需求要求的下界，所以我们这些技术能够变得越来越实用化。单独对话包括单独的这种问答，也是越来越实用化。

我们看到各种各样的工业产品、服务出来，能够单轮对话。或者相对来说已经比较成熟，未来能做得越来越好。但是，多轮对话还是相对比较有挑战。最主要的原因是，多人对话的数据还非常缺少。其实数据驱动这个模型做好的话，没有足够的数据，就是一个很大的挑战。现在做研究也是非常困难。

所以，我们可以看到，未来自然语言的发展，可能会有大的改变。我们刚才说这五种最基本技术，大家不断往前推进，能够使得技术上界不断往上提高，整个业界趋势是这样的。

下面看一下神经符号处理。

自然语言的本质特点就是符号，符号表示的一个最重要的优点就是它可解释性和可操作性好。我们在计算机上进行符号处理的话，就会用符号来表示我们所有的东西。但是，我们同时也看到，自然语言的特性，它本身是具有歧义性，有不确定性。我们如果把语言搬到计算机，多半都还拥有噪音。

另一方面，我们看到深度学习，更广义的统计学习能够比较成功的原因就是，这些机器学习方法它能够很好地应对不确定性、处理好语言里面的歧义和噪音。另一方面，我们叫神经表示（向量表示），用向量来表示语义，它有很强大的优势。

我们现在可以明显看到，符号表示和神经表示其实是互补的。大家自然会想到这样一个问题，我们能不能把这两个结合起来，这就是我们说的神经符号处理。我们希望通过这样的手段，能够把自然语言处理能做得更好，把这个技术往前推动。

不过我说的话，大家可能不太相信。正好今年年初的时候去了一个大学访问，拜访了深度学习大师 Yoshua Bengio 教授，我还专门跟他探讨了他对神经符号处理的看法，这是他基本的 Comments，不是原话，总结一下就是有三点：

第一，如果把符号放到神经网络里面，他觉得这很难，可能不 Work。神经网络本身就是一个向量矩阵表示的东西，在这个模型里，把符号塞进去其实是挺难塞的。

第二，如果把符号处理和神经处理在外围有效地、不断地结合起来，这是很有道理的，是可以考虑的。

第三，他说这种问答对话，其实应该是一个重要的应用。

至少我们也得到他的认可，最基本的观点跟 Bengio 教授的想法也是一致的。

我们下面看一下，智能信息知识管理系统。大家可以认为这是一个知识问答系统，但是我这样叫的原因是它跟我们一般的问答系统还略微有点不同，我们希望一定程度上，参考人类大脑的机制。

这个系统有几个模块，有语言处理单元、中央处理单元、短期记忆、长期记忆。比如说我们来了一个问句，语言处理单元对它进行分析，把这个结果放到短期记忆力，然后在长期记忆力找到相关的知识或者信息，接着把检索到的内容放到短期记忆力，最后再通过语言处理单元产生出回答。这个是我们在使用过程当中的系统。

还有学习，这块我们希望用深度学习技术，进行端到端的系统构建。这个系统本身同样有语言处理单位、中央处理单元、短期记忆、长期记忆。我们在学习的过程中进行假设，这个输入是大量的信息知识和问答数据，就是有非结构化数据、结构化数据，也有大量问答，就是一问一答，形成这样的训练数据。我们最理想的状况，只使用完全数据驱动的方法，端到端地自动构建整个问答系统。我们构建整个长期记忆里面的信息和知识，这是我们所构想的，或者建议大家考虑这样的智能信息知识处理系统。

它有几个特点。首先，能够不断去积累信息和知识。这点跟我们人是相似的。能够去不断地看到新知识加到自己长期记忆里。同时，如果有人用自然语言来问问题的时候，它能够准确地回答。当自己不知道的时候，就说我不知道。我们人也是这样，不是什么都知道，就是我们不知道的时候，能够准确地告诉用户我不知道。

其次，希望这个系统尽量完全没有人干预，而是自动地去能够把它建立起来。这样的系统将来会非常有用，而且非常强大。大家可以想象，我们如果身边有一个智能助手，有什么问题你不知道，过去问它，它可能会告诉你，这个会有多么方便。当然这个愿景不光是我在这儿说的，我们也可以看到业界很多人描述出了类似愿景。

我觉得这非常重要，如果人类能够做到这一点的话，就是一个质的飞跃。人类发明了语言，是第一个质的飞跃，有了语言，大家可以交流、传递信息，互相传授知识。第二个质的飞跃就是，我们如果有一个智能系统放在自己身边，我想要问什么知识都能准确告诉我。

然后，换另外一个角度看，计算机有两个地方是非常强大的：计算能力和存储能力。计算能力已经发挥得淋漓尽致了，但是存储能力发挥到一半，概念上讲，它能存储无穷多的信息，计算机现在可以把人类所有的知识信息全部存储下来。但是我们现在遇到的瓶颈是我们不能有效地去访问这些信息。这块如果我们在自然语言处理、人工智能研究方面有重大突破的话，我们真的是可以把整个人类的能力又推进一步。

大家可以从另一个角度看，我们这样的智能系统很理想，现实当中其实已经有这样的雏形，也不是说几乎是渺茫的。现在的搜索引擎，一定程度上已经扮演了这样的角色，搜索引擎有爬虫、索引、机器学习机制帮助我们去做排序，给我反馈结果。一定程度上已经在做类似的事情了，但只是没有做得更好，我们相信这是一个演进过程，会不断地往前推动，技术不断地会进步。我们相信，未来的话拥有这样一个智能助手能够帮助到我们。

我们再看一下，为什么神经符号处理和智能信息管理是密切结合的。这个跟 Bengio 教授的想法是相关的。这个技术和这个应用有一些天然的关系，另一方面的话，它俩真正是互补、强烈相关的。

我们可以考虑用这样的技术，神经符号处理实现智能信息知识管理系统。就是说，你先来了一个问题，通过语言处理模块，它有编码器和解码器，编码器把这个问题转换成中间的表示，中间表示放在短期记忆里，这个问题是有两部分，既有符号表示又有神经表示。现在自然语言处理内，很多系统类似在做这样的事情，大家可能没有明确说这个事。

知识信息都放在长期记忆里，也是有两种表示，既有信息表示又有符号表示。但这两者中间的话也是分开的，其实应该是密切相关的，但是这个怎么去做，还有很多要去解决的问题。

但是，我们可以想象，长期记忆里的信息和知识，都是既有符号表示又有神经表示。做问答的时候来了个问题，做了分析有了内部表示以后，可以通过在短期记忆里的表示，通过表示之间的匹配，在长期记忆里找到相关的信息和知识，在短期记忆里也产生对应的符号和神经表示。这时候还有一个解码器，把这个表示转换成自然语言、答案，这样我们就可以构建一个非常智能的自然语言问答系统。

这个想法其实大家已经在各个层面上看到很多了，相关的工作有很多。例如：语义分析，Semantic Parsing，在 Semantic Parsing 里面要做的事情，就要把自然语言的语句，转换成结构化内容的表示，这个 Semantic Parsing 到目前为止，最主要的想法还是通过人写的规则，定义语法、定义模型，然后做语意的解析。但是，我们假设完全不用人来参与，更要去学习内部的表示该怎么去做。

还有，CMU 的这个项目大家知道，叫 Never Ending Language Learning（NELL），这些想法就是，互联网里抓取的知识，不断扩大知识，开始的时候，有最基本的 Ontology（本体论）。然后有一些例子，比如北京是中国的首都，这样的例子，希望从互联网里面找到更多的知识，把它加入到 Ontology 里去，希望这个过程机器能够不断抓取，抓取的准确率和效率能够不断提升。这是 NELL 这个项目。

还有 Facebook 的 Memory Network，能做一些简单的问答，比如里面有一个系统用自然语言的，比如—John is in the playground.—Bob is in the office.—John picked up the football.—Bob went to the kitchen.然后就问这个系统，Where is the football？回答 Playground 就是对的。

Facebook 推出这种模型的话，可以去做这样简单的问答。当然现在准确率还不是特别高，它最基本的想法就是，把这些用自然语言表示的信息，能够把它放到长期记忆里，这个长期记忆也是神经表示，把内容表示放到里面，来了一个新问题，把新问题直接转换成神经表示然后再做匹配，找到相关答案，然后返回回来。现在这个模型还比较简单，但是这个方向很多人都已经在做了。

还有大家也知道，Differentiable Neural Computers 这样的模型，它基本的想法也是，觉得现在神经网络很弱的地方，就是没有长期记忆，希望能够更好地利用长期记忆。长期记忆在 DNBD 的模型里，它实际上就是一个大矩阵，每一行向量其实是比较深的一个语义表示。这个模型本身有三种神经网络，能够去控制访问这个长期记忆机制，因为有长期记忆的话，一个重要事情是要从长期记忆里进行读取。这个读取的控制，有三个神经网络能够去进行。我们大家也在朝这个方向在做。

下面简短介绍一下，我们在诺亚方舟实验室做的一些基础研究。有吕正东博士、尚利峰博士，还有其他合作的老师一起做的工作。

主要有两个工作，都是研究我们顺着这个思路来做的。

第一个是在知识图谱里面进行知识问答。假设我们有大量数据，比如说姚明身高是多少，2 米 29，我们能够有这种观点，说出答案的话，具体是对应着知识库里的哪一个单元，我们有大量数据的话，我们的目标就是有一个学习系统，就是学习神经网络的，然后构建自动问答系统。来了一个新问句的话，我们能够从数据库、知识库里面找到答案。然后就这么产生自然语言回答，这是我们现在做的一个工作。

这种 Setting 如果大家能够做得非常好的话，真正就能够自动地构建这个问答系统，一个知识库的例子，能够自动地构建问答系统。

这个思想的话，基本上也是刚才我介绍的我们想做的这种神经符号处理的思想。就是来了问句以后，我们有编码器，转换成内部的表示，它既有符号，又有神经表示（向量表示），这个三角是一个符号，这个黄色长条表示神经表示（向量），我们这个知识库里的单元图，也是由符号单元图表示，也有对应向量表示。整个知识，有两种表示，问答过程中，确实像刚才描述一样，我们在知识库里找到答案，产生中间表示，解码器通过答案还有编码器产生问句的表示，最后产生一个回答。

我们刚开始从知识图库里面找到答案，第二个可能就是关系数据库。我们的知识不是在网络表示里面给的，而是在数据库的表里给出，这样我们其实也可以做类似事情。就是我们提出了一个模型，可以把这个关系数据库既做符号表示又做神经表示。有这样一个长期记忆力的整个知识表示。来了问句以后，把它转换成中间的神经表示，然后去做检索、匹配找到答案，最后产生答案。这块的话，我们进一步改进了这个模型，希望能够更或地结合符号和神经处理。

下面就是对报告的总结，今天跟大家一起看的神经符号处理，我觉得是重要的研究方向。要我来说的话，是自然语言处理未来发展最重要的方向之一。

它最主要的应用，应该是这种广义的知识问答，这块智能的信息和知识管理。我们也都看到，业界大家都是往这个方向走，已经取得了一些成果，但是真正把这些技术实用化，还有很多具体的问题要去解决，还有很多实际的工作需要去做。但是，我觉得，我们对这个方向还是充满信心，还是觉得将来会是非常令人振奋的。

问：您刚才报告中有一句话我觉得非常好，就是我们现在要怀疑一下，人工智能能不能用数学模拟到人的智能的情况。这里我想聊一下当今比较热门的 Chatbot，大家在做对话的时候，都是局限于单轮对话，或者说不特定领域的，对多轮对话和开放领域的问答，我们都做得非常不好，对于多轮对话开放性的问题，您觉得人工智能目前它能够实现到一个什么样的程度？以及用目前的技术的话，它有个大致的解决时间吗？

李航：我觉得还是数据是一个瓶颈，现在大家都没有数据，其实一定程度上，不管大公司小公司，大家数据都不够，因为多轮对话的时候，它的复杂度一下子增加很多。它不是一个简单地从单轮到多轮，大数据增加了一些，它应该是指数级地增加这些大数据。

我个人观点是，Open Domain 的这种闲聊，做成多轮是很难的。可能都没有什么短期看到的可能性。但是如果基于任务驱动的，有一定的数据以后，应该是能够做的，真的需要有数据才能够往前推动。

问：您刚才提到两种表示方式，一种是传统符号的表示方式，现在是知识图谱中间的一种表示，另外一种是向量化的表示。我觉得向量化的表示方式一种好处是，虽然我觉得我们有很多知识，很难用目前这种逻辑符号方式来描述，用向量化的表示方法，不一定很准，但可以从大量语料里头学习到一定的东西，我们虽然不知道它是对的。但对于传统符号很难表示的这种情况下，像您刚才说的这种，怎么来互相结合？

李航：应用驱动比较难，你就不知道用向量表示到底是不是合理，那只有通过最后应用的结果进行判断。其实大家对知识的理解，我们自己日常工作生活当中使用的一些知识都是下意识的，真的是不知道它具体是个什么样形式，有什么样内容。这些东西，如果我们放在计算机里就会发现，语言有众多歧义，知识有更多不确定性。

这些东西就是你说的，我们现在只能在一些页目能看到，可以怎么把它表示出来。比如说，我们现在默认 Binding 还是非常简单粗暴的方法。但在这里面能看到，它能解决一些问题，就说明应用启动能够帮助我们找到这些更好的表示方法，更好地去学习这些表示方法。

反正我觉得对知识的认识有两个很重要：一个是应用驱动，一个是具体的领域。

一定要把领域跟应用分清楚。当然你也可以说我就是 General Domain，那也是一个，但是一般来说知识要用的话，可能是在金融、医疗甚至更细的领域这样去做，能更加在现实当中能够用起来，也更容易去对这种应用的评价，看这个表示方法到底好不好。

雷锋网后续还将发布芝加哥伊利诺伊大学刘兵教授的演讲内容实录，敬请期待。

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