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編者按：谷歌在今年的I/O大會推出了一個大驚喜：由機器學習支持的Allo智能聊天應用。為何Allo能夠如此討用戶的歡心？谷歌研究的Pranav Khaitan在谷歌博客上為我們解讀了Allo背后的人工智能算法。Khaitan具有斯坦福大學計算機科學碩士學位，曾在斯坦福大學擔任研究助理工作，并在微軟、Facebook等公司實習。他2011年加入谷歌，目前帶領團隊進行機器學習、神經網絡和個人化科技的工作，并幫助打造谷歌搜索等產品所需的知識圖表，在谷歌搜索的幾乎每個領域——排名、指數和基礎建設——都能看到由他打造、發布的功能。
谷歌一直在打造由機器學習支持的產品，讓用戶的生活更加簡單、美好。今天，本文將介紹一個全新智能聊天應用Allo背后的技術，該應用使用神經網絡和谷歌搜索，讓文字聊天更加簡單、高效。
正如Inbox的智能回復一樣，Allo能夠理解對話記錄，提供用戶會想采用的回復建議。除了理解對話的語境之外，Allo還能理解你的個人聊天風格，因此可以實現個人定制的聊天回復。
圖片來源：Google Research Blog
一年多以前，團隊開始研究如何讓對話可以更加簡便、更加好玩。Allo智能回復的想法來源于團隊中的Sushant Prakash和Ori Gershony，他們帶領團隊打造了這項技術。我們最初使用了一個神經網絡進行試驗，其模型架構之前已經成功應用在序列預測中，包括Inbox智能回復中使用的編碼-解碼模型。
我們面臨的挑戰之一，是在線聊天在回復時間上有很嚴格的要求。為了解決這個問題，Pavel Sountsov和Sushant想出了一個非常創新的兩階段模型。首先，一個遞歸神經網絡一個字一個字地查看聊天語境，然后用長短時記憶（LSTM）的隱藏狀態將其編碼。下圖展示的就是一個例子，語境是“你在哪？”語境有三個標記，每一個標記都嵌入到一個連續空間中，然后輸入到LSTM里。然后，LSTM狀態將語境編碼為一個連續矢量。這個矢量用來生成作為離散語義類別的回復。
上圖的例子中，最下方是輸入的語境（“你在哪？“），黃色層為”文字嵌入“，藍色層為”LSTM“，綠色層為”softmax函數“，最后輸出”地點短語“，作為預測的回復語義。圖片來源：Google Research Blog。
每一個語義類別都與它可能的回復庫關聯起來。我們使用了第二個遞歸神經網絡來從這個回復庫中，生成一個具體的回復信息。這個神經網絡還將語境轉換為一個隱藏的LSTM狀態，但是這一次，這個隱藏狀態是用來生成回復的完整信息，一次生成一個標記。我們回到上面的例子，LSTM看到了“你在哪？”的語境后，生成了回復：“我在上班。”
上圖中，最下方是語境輸入（"你在哪？"），最上層softmax函數生成"我在上班。"來源：Google Research Blog。
從LSTM生成的大量可能回復庫中，beam搜索能有效選擇出頂層得分最高的回復。下圖展示的是一個搜索空間的小片段，我們可以從中一窺beam搜索技術。
圖片來源：Google Research Blog
正如任何大規模產品一樣，我們面臨了多個工程方面的挑戰，高效生成高質量的回復庫并非易事。舉一個例子，雖然我們使用了這個兩階段的架構，我們最初的幾個神經網絡運行都非常慢，生成一個回復需要大約半秒鐘。半秒鐘聽起來很短，但是針對實時聊天應用來說，這完全是沒法接受的。因此，我們必須讓我們的神經網絡架構進一步進化，將回復時間再減少至少200毫秒。我們改變了softmax層，轉而使用一個層級性的softmax層，可以遍歷一個詞匯樹，比之前遍歷一個詞匯列表更加高效。
在生成預測時我們遇到的另一個挑戰比較有趣，那就是控制信息的長度。有時候，所有可能的回復長度都不合適——如果模型預測的信息太短，可能對于讀者來說就沒有用；而如果我們預測的信息太長，可能就不適合手機屏幕的顯示大小。我們的辦法是，讓beam搜索更偏向于跟進能夠通向更高反應用途的路徑，而不是傾向于選擇最有可能的回復。這樣，我們可以高效生成長度適合的回復預測，對用戶來說會非常有用。
這項智能聊天建議最棒的地方在于，隨著時間，軟件會為用戶進行個人定制，這樣你的個人風格會在聊天對話中體現出來。例如，假設當別人和你說“你好嗎?”（“How are you？”）的時候，你通常的回復方式是“蠻好。”而不是“不錯。”（英文中某個用戶可能更習慣回復“Fine.”而不是“I am good.”），軟件就會了解到你的偏好，在未來的回復建議中就會考慮到這一點。要實現這一點，就要在神經網絡中加入用戶的個人”風格“，將這個神經網絡用于預測回復中下一個詞語是什么，這樣回復建議就會根據你的個性和偏好進行定制化。用戶的風格是在一系列數字中獲取的，我們稱之為用戶嵌入。這些嵌入可以作為常規模型訓練的一部分，但是這種方法需要等上很多天訓練才能結束，而且如果用戶超過了幾百萬人，這種方法就有可能搞不定。為了解決這個問題，Alon Shafrir打造了一項基于L-BFGS的技術，讓Allo能夠快速、大量地生成用戶嵌入。現在，Allo的用戶只需要很短的一段時間，就能獲得個人定制化的回復建議。
我們之前說到的這個神經網絡模型是不針對某種語言的，因此我們可以對每一種語言分別建立預測模型。Sujith Ravi為了確保每一種語言的回復可以從我們對其他語言的語音理解中獲益，他提出了一種基于圖表的機器學習技術，可以將不同語言的可能回復聯系起來。Dana Movshovits-Attias和Peter Young將這項技術應用在一個圖表中，對收到信息的回復，可以與其他有相似詞匯嵌入和語法關系的回復聯系起來。基于谷歌翻譯團隊開發的機器翻譯模型，這個圖表還能將不同語言中具有相似語義的回復聯系起來。
利用這個圖表，我們使用了半監督學習（點擊鏈接，可以通過這篇Sujith Ravi發表在第19屆人工智能與數據國際大會（AISTATS）的論文中了解更多關于半監督學習的信息）來了解回復的語義含義，判斷哪一個可能的回復組群是最有用的。每一個可能的回復語義中都有多個可能的變種，現在我們可以讓LSTM對每個變種進行打分，讓個人化常規來為用戶在聊天情景中選擇最好的回復。這還能幫助實現多元化，因為我們現在可以從不同的語義組群中選擇最終的回復庫。
一個打招呼的信息圖表可能會是這個樣子的。左：法語，中：英語，右：中文。圖片來源：Google Research Blog。
我非常期待Allo中的谷歌個人助理，你可以與它聊天，獲得谷歌搜索上可以了解到的任何信息。它可以直接通過對話理解你的句子，幫助你完成日常任務。舉個例子，你和朋友聊天的時候，谷歌助理可以在Allow應用內幫你發現有什么好吃的餐廳并預定座位。正是因為我們在谷歌進行了最尖端的自然語言理解研究，我們才能實現這項功能。更多細節信息將在未來發布。這些智能功能將于今年夏天晚些時候出現在Allo的安卓和IOS應用中。
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