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| 本文作者： AI研习社 | 2020-05-27 14:48 |
本文为雷锋字幕组“触摸世界前沿科技 | 翻译征文 ”活动收录稿件，译者季一帆。
导读：本文就常识推理问题，分别介绍逻辑符号和神经网络方法，最终引出Choi的研究成果COMET（GPT-2语言模型+Atomic知识库），希望能引起读者的思考。
去年10月的一个晚上，人工智能研究员Gary Marcus在他的iPhone上玩得不亦乐乎，因为他发现最先进的神经网络也不过如此。引起Marcus关注的便是当时名声大噪的GPT-2，该框架的神奇之处在于，只根据一两句提示，就能自主完成一篇流畅合理的英文文章。《卫报》的记者输入一些英国脱欧的标题词汇后， GPT-2写出了一段完整的新闻稿，政治观点、地理信息等应有尽有，令人信服。
Marcus——人工智能炒作的批评者，他对GPT-2做了这样一个小测试，输入：
What happens when you stack kindling and logs in a fireplace and then drop some matches is that you typically start a …（当你把火种和木头堆在壁炉里，然后点燃火柴后，会…）
显然答案是“fire”，GPT-2这样能够完成新闻稿的智能系统应该很容易做出回答，然而，GPT-2的回应却是“ick”。在另一次尝试中，它建议把火柴扔在壁炉里的木头上，这样就能启动一个“irc channel full of people”。
Marcus并不感到惊讶。常识推理（使用常识对世界进行推理的能力，例如“火柴”加“木头”可以得到“火”）数十年来始终是AI研究人员难以跨越的鸿沟。Marcus将他的测试发了Tweet，并评论道：“ LMAO”（网络俚语，指嘲笑性的笑声）。不可置否，神经网络也许是异常强大的语言模拟，但它显然缺乏基本常识。
数分钟后，Yejin Choi（华盛顿大学和艾伦人工智能研究所的计算机科学家）刷到了Marcus的Tweet。时机很尴尬，Choi将在几十分钟后在著名的AI会议上介绍她的最新研究项目COMET，巧合的是，这个系统旨在使用早期版本的GPT-2执行常识推理。
在演讲中，Choi对COMET进行了同样的测试（形式略有修改使其匹配COMET的输入格式）：
Gary stacks kindling and logs and drops some matches.
COMET产生了10个关于Gary为什么要放入火柴的推论，虽然并非所有回答都有意义，但前两个回答确实是：“wanted to start a fire”，“fire”。Choi在推文回复了Marcus，然后大步走上领奖台。她说：“看起来COMET表现还不错。”
常识被称为“人工智能的暗物质”——无比重要却令人难以捉摸。这是因为常识是由隐性信息组成的，即人类无意识的用来理解世界的一系列不成文假设和经验法则。例如以下场景：
A man went to a restaurant. He ordered a steak. He left a big tip.（一个男人到一家餐馆，点了一份牛排，留了一大笔小费。）
如果问你这个男人吃了什么，你会毫不犹豫地回答“牛排”。但你仔细想一下，在上面这句话中，没有一处明确指出这个人实际吃了什么。当德州大学奥斯汀分校人工智能实验室主任Ray Mooney在给我做了同样的随机测验后指出这一点时，我其实是有些怀疑的。他说：“人们甚至没有意识到他们正在这样做。“正是常识让我们可以在字里行间顺畅阅读，我们无需被明确告知：在餐馆中，点菜和给小费之间的过程是在进食。
电脑就需要这样。因此不难理解在1958年人工智能领域诞生不久，常识推理就成为人工智能研究的首要问题（“Programs With Common Sense”提出）。自上世纪80年代开始，纽约大学计算机科学家Ernest Davis一直在研究人工智能中的常识，他说：“如果无法理解常识，那么你就无法理解自然语言，也无法处理视觉或规划（In general, you can’t do natural language understanding or vision or planning without it）。”
尽管如此，常识推理研究进展还是慢得出奇。起初，研究人员试图将常识转换为计算机语言：逻辑。他们认为，如果可以写下人类常识的所有不成文规则，计算机就应该能够用它们进行推理，就像做算术一样。这类方法后来被称为“良好的老式人工智能（GOFAI）”。虽然取得一些早期成功，但严重依赖人工定义，使其无法进行扩展。新西兰奥克兰大学的AI研究员Michael Witbrock说：“原则上，以逻辑形式表示知识始终是有限的（The amount of knowledge which can be conveniently represented in the formalisms of logic is kind of limited in principle）。”“事实证明，这是一项异常艰巨的任务（It turned out to be a truly overwhelming task）。”
即使是对所有可能的逻辑关系进行简单映射，也会很快遇到麻烦。在上图中一些关系始终成立（吞咽总是饮食的一部分）；一些偶尔成立（一个人在餐馆吃饭）；一些是不成立的（一个人不可能吃还在烤箱里的蛋糕）。而像“cook”这样的节点，既可以指厨师，也可以指烹饪活动。doi: 10.1109/MIS.2009.72
使用神经网络进行深度学习提供了另一种选择。神经网络通过模拟生物大脑中相互连接的神经元层，在不需要程序员事先指定的情况下自主学习。在过去的十年里，更多的训练数据，更复杂的神经网络，彻底改变了计算机视觉和自然语言处理。但是，尽管神经网络能用于各个领域，且表现出明显的智能——在自动驾驶领域，在国际象棋和围棋中击败最出色的人类玩家——但AI系统始终无法尽如人意，难以实现常识推理使得系统表现愚蠢甚至致命。Davis说：“获得常识，理解常识，用常识进行推理——从来都不容易（Acquiring it, representing it, reasoning with it — it’s all hard）。
现在，Choi 和她的合作者融会贯通，推出COMET（commonsense transformers的缩写）——通过最新的语言建模扩展了GOFAI符号推理，旨在使计算机“理解”书面语言进行深度学习。COMET的工作原理是将常识推理想象为对新输入产生合理响应的过程，而不再是通过查阅庞大的百科全书式数据库进行死板的推论。
Mooney在自己的研究中使用到COMET，她评论道：“COMET试图将两种截然不同的AI方法融合在一起。”帕洛阿尔托研究中心的常识推理和人工智能专家Leora Morgenstern花了几十年时间研究常识推理问题，他认为COMET的思路可以帮助推动这个领域的发展：“Yejin的工作真是让人感到兴奋，这会为常识推理推来一座新的大门（One of the reasons I’m so excited about what Yejin is doing is I think it will inject new life into the common-sense reasoning community）”，“深度学习真的，真的非常强大——继续用它探索常识吧（Deep learning is really, really powerful — let’s figure out how to harness it for common sense）。”
无穷无尽的规则
相比于特定规则与定义，常识才是我们的日常。Witbrock认为，“常识”一词既可以指一种知识，也可以指对这种知识的态度。他说：“我认为（这是）广泛可重用的背景知识，而不是特定的学科领域。一个人应该掌握这些知识。”例如，在餐馆点菜、付钱，意味着人们在这里进食；把火柴扔在一堆木头上意味着有人在试图生火。
大多数常识知识的隐含性使它们很难被明确地表达出来。Morgenstern说：“你两岁或四岁时学到的东西，是没有办法明确写到书上的。”然而，早期的人工智能研究人员认为，虽然困难但也不是完全没有办法。布朗大学的计算机科学家Ellie Pavlick说：“也许我们可以把世界上所有的事实都写下来，大概几百万条就够了。”因此在过去，构建这样一个的知识库是实现自动化常识推理的第一步。
What you learn when you’re two or four years old, you don’t really ever put down in a book. --Leora Morgenstern
但实际上，建立足够大的事实知识库是异常艰难的。1984年，常识推理项目Cyc启动，其目标是对400篇百科全书文章所包含的全部隐性常识进行编码。近30多年来，该项目从未停止。至今，Cyc的知识库——用一种密集的、定制的逻辑符号编码——已包含“数百万个集合和概念以及超过2500万个断言”。然而，Davis和Marcus在2015年发表文章指出，“Cyc对人工智能研究的影响相对较小。”在这之后，又进行了一系列常识，包括为知识库编写条目、通过机器学习挖掘文档，均未能解决常识推理问题。
为什么会这样？Pavlick解释说：“因为不确定因素太多了。比如说，我听到有人说‘下雨了’，那么我可以推断，如果我在外面会被淋湿，但要是用什么东西挡雨的话就不会淋湿了。”其他一些特殊情况就更难预料。Cyc这样的知识库可能包含许多关于某人在餐馆点菜时通常发生的情况，但仍然可能发生一些不常见或是离奇的事情，比如吃霸王餐，比如因一点误会大打出手等等，这些潜在的可能性怎么能被详尽列出呢？”正因此，Choi说：“常识的覆盖范围永无止境，纯粹基于符号知识的方法注定要失败。”
即使能够建立一个比现今知识库大100倍或1000倍的知识库，这个系统仍然存在严重缺陷：所谓的脆弱性问题。因为常识和自然语言一样，从根本上来说都是模糊的。比如当服务员问用餐者，“Are you still working on that？“我们理解他们的意思是”你吃完了吗？”但是，如果服务员向厨师提出同样的问题，那就是另一回事了。那么，在餐馆中说到“work”意味着什么？是“eating”（食客），还是“working”（厨师）？
你看，这就得看情况了。脆弱性问题即是如此：在知识库中定义明确的关系可以实现强大、可靠的推理，但是无论这些符号系统多么丰富，都无法捕捉人类常识性推理中常遇到的歧义和联想。Pavlick说：“只有在符号定义的范围内，系统才会令人满意。”
Choi喜欢面对挑战，于是她开始研究常识。当她在2018年加入艾伦研究所（Allen Institute）时，她“预感”到，神经网络可以在知识库进展受制的情况下实现新的进步。虽然她还不知道具体怎么做，但她认为不该全然抛弃符号方法。她说：“过去的研究既没有足量的数据，也没有丰富的计算资源，所以在找到正确的路线之前，我会保留自己的判断。”
Choi和她的同事们开始积极建立自己的知识库，Atomic（“atlas of machine commonsense”的缩写）。Choi说：“我想写一本神经网络的教科书，时刻了解最新进展。”“更巧合的是，当我们建立知识库时，GPT-2诞生了。”
就职于艾伦人工智能研究院，Yejin Choi在常识推理中加入了视觉元素。
GPT-2发布于2019年2月。“预训练语言模型”浪潮彻底改变了自然语言处理，这些系统没有整齐规划的语言符号或规则，相反，它们在神经网络这个“黑箱”中用数百万甚至数十亿参数表示语言。这使得预训练语言模型难以解释，但也使它们异常健壮：可以对噪声或不明确的输入生成预测而不会中断。经过微调可执行特定任务（如问答或翻译），看起来，语言模型似乎能够理解文字内容。
预训练语言模型像是一把万能钥匙，Choi看到用神经网络处理常识的可能性。
如果使用常识知识库（如Atomic）对语言模型进行额外的训练，会发生什么？神经网络能否学会用合理的常识推论来填补Atomic空白，就像GPT-2学会了自动生成新闻报道那样？Choi说：“太奇怪了，从来没有人这样试过；也许他们觉得这肯定不会奏效（It’s almost weird that nobody tried this before; It’s almost as if nobody bothered because they were so sure this would never work）。”
当Choi和她的合作者（Antoine Bosselut，Hannah Rashkin，Maarten Sap，Chaitanya Malaviya和Asli Celikyilmaz）用Atomic中的常识编码对语言模型进行微调后，他们创造出COMET。
它融合了符号推理与神经网络，试图同时解决覆盖率和脆弱性问题。 任何人都可以在COMET中输入日常语言， 如果该事件存在于系统的常识知识库中（例如，在餐馆点餐通常意味着进食），那么COMET可以用已知的信息进行简单推理。对于其他方面，神经语言模型也做出最佳推测。
COMET的表现出乎意料。人工评定认为：COMET自主生成的回答（即神经网络的自主推理结果，而不是已存在于知识库中的知识）”有77.5％是合情合理的。相比人类的表现（86%），仅差不到10个百分点。当输入“ PersonX递给PersonY一些药片”时，COMET推出PersonX为PersonY提供帮助；当输入“ PersonX谋杀了PersonY的妻子”时，COMET推测PersonX可能会藏尸灭迹。
目前为止，COMET表现良好，其不全受知识库的限制，可进行推理扩展。那么，对脆弱性问题表现如何呢？去年年底，我在西雅图的实验室采访Choi时，我把我5岁女儿说的话输入给COMET：“Daddy goed to work.”（注意，’goed‘故意拼错）
Choi皱着眉头：“这可不好回答。”但COMET再一次让人惊艳，它推理出：“爸爸”想要“赚钱”、“做完工作”才能“拿到工资”；它认为爸爸“勤奋”、“有动力”和“尽职尽责”；其他人为他“骄傲”和“感激”；但是考虑到该句子是幼儿园小朋友讲的，那么表达的情绪是“很恼火”。哇！我女儿在我去上班而不是陪她玩的时候肯定表达了这种情绪。Choi说：“Cyc没办法这样处理问题，除非有人手动编码‘goed’表示‘go’。”
Gary Marcus常说这样一句话：“哪怕你能造出最好最高的梯子，但这不意味着你能就此通往月球（Just because you can build a better ladder doesn’t mean you can build a ladder to the moon）”，以此比喻AI的进步。他和其他评论者认为，COMET依然没有摆脱深度学习的基本限制：“统计≠理解”。Marcus在邮件写道：“COMET在猜测句子可能包含的某些参数方面做得不错，但这并不能解决所有问题。”就像梯子，不管有多高，都不可能登上月球；神经网络也是如此，无论语言模型表现多么强大，它并不真正“知道”把点燃的火柴扔到木头上就会起火。
Choi对此表示同意。她承认，COMET依赖训练数据中的统计模式，而不是真正理解概念来产生响应。Choi说：“COMET真的很擅长'统计'，这很好，只是我们必须为它提供更多更全面的数据。”
It was like, ‘Let’s write down all the facts about the world. Surely there’s only a couple million of them.’ --Ellie Pavlick
几百万？如果信息量更大该怎样呢？一些研究人员认为，为了让计算机真正理解常识，我们需要利用语言以外的其他信息，例如视觉或知觉。这些更直接的表示可能才是常识的基础，语言不过建立在这些基础之上。
Pavlick说：“如果我生活在一个没有其他人可以交谈的世界，我仍然会有常识，仍然能够理解世界如何运转，并对我看得到和看不到的东西有所了解。”Pavlick目前正在研究如何通过在虚拟现实中与AI系统交互来教授这些系统常识知识。对她来说，COMET是“真正令人振奋的研究，但并不深入。当'apple'不表示水果'苹果'时，它的实际意义并不是文字来表示的，而是其他某种形式。”
Salesforce的高级研究科学家Nazneen Rajani也有类似的想法，但她认为神经语言模型还有更大的潜力。她正在研究语言模型能否学会对物理常识现象的推理，比如，将装有球的罐子倒过来会导致球掉出来。Rajani说：“现实世界真的很复杂，自然语言就像是对世界运作方式的低维映射（The real world is really complicated，But natural language is like a low-dimensional proxy for how the real world works）”。神经网络可以根据文本提示预测下一个单词，但绝不仅限于如此，“他们可以学到更复杂的东西（They can learn more complex stuff）。”
Choi和她的同事们也在研究通过额外的标注视觉场景来增强COMET。她说：“我们从电影或电视节目中收集整理数据，通过这些信息，模型的性能得以进一步的提高。”
我问Choi说，COMET的方法（将更好的神经网络与改进的常识性知识库相结合）是否在本质上仍是在建造登月梯子。她承认，她的梦想是拥有一个无需人工监督就能从知识库中学习的神经网络，就像GPT-2这样通过大量文本进行学习的语言模型。
但正如Winston Churchill戏称：“民主是最糟糕的政府形式，只是所有其他的形式都已经屡次试过了”。Choi认为，尽管COMET还存在缺陷，但却是当前最有希望的方法。也许仅仅依靠神经网络无法到达“月球”，但它们却是唯一能够脱离地面的方法。“没有这些（神经网络），我们哪儿也去不了。单凭知识库只是原地踏步，COMET将我们带到了空中（Without that, we are not going anywhere. With [knowledge bases] alone, we cannot do anything. It’s COMET that can actually fly in the air）。”
本文更新于2020年5月1日，转载自TheAtlantic.com。
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