【进阶篇】RNN配置

导语

PaddlePaddle 高度支持灵活和高效的循环神经网络配置。接下来的进阶篇推文将围绕RNN模型展开，指导你如何在 PaddlePaddle 中配置和使用循环神经网络。本部分推文目录如下：

2.11：【进阶篇】RNN配置

2.12：【进阶篇】Recurrent Group教程

2.13：【进阶篇】支持双层序列作为输入的Layer

2.14：【进阶篇】单双层RNN API对比介绍

编写｜PaddlePaddle

排版｜wangp

本教程将指导你如何在 PaddlePaddle 中配置循环神经网络（RNN）。本教程中，您将了解如何：

• 配置循环神经网络架构

• 使用学习完成的循环神经网络模型生成序列

我们将使用 vanilla 循环神经网络和 sequence to sequence 模型来指导你完成这些步骤。sequence to sequence 模型的代码可以在 book/08.machine_translation（链接：https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/08.machine_translation）找到。 wmt14数据的提供文件在 python/paddle/v2/dataset/wmt14.py （链接：https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/python/paddle/v2/dataset/wmt14.py）。

 1 

配置循环神经网络架构

（1）简单门控循环神经网络(Gated Recurrent Neural Network)

循环神经网络在每个时间步骤顺序地处理序列。下面列出了 LSTM 的架构的示例：

LSTM 架构示例

一般来说，循环网络从 t=1 到 t=T 或者反向地从 t=T 到 t=1 执行以下操作：

其中 fx(.) 称为单步函数（即单时间步执行的函数，step function），而 fy(.) 称为输出函数。在 vanilla 循环神经网络中，单步函数和输出函数都非常简单。然而，PaddlePaddle 可以通过修改这两个函数来实现复杂的网络配置。我们将使用 sequence to sequence 模型演示如何配置复杂的循环神经网络模型。在本节中，我们将使用简单的 vanilla 循环神经网络作为使用recurrent_group配置简单循环神经网络的例子。 注意，如果你只需要使用简单的RNN，GRU或LSTM，那么推荐使用grumemory和lstmemory，因为它们的计算效率比recurrent_group更高。

对于 vanilla RNN，在每个时间步长，单步函数为：

其中 xt 是RNN状态，并且 It 是输入，Wx 和 Wi 分别是RNN状态和输入的变换矩阵。b 是偏差。它的输出函数只需要 xt 作为输出。

recurrent_group是构建循环神经网络的最重要的工具。 它定义了单步函数，输出函数和循环神经网络的输入。注意，这个函数的step参数需要实现step function（单步函数）和output function（输出函数）：

def simple_rnn(input,

               size=None,

               name=None,

               reverse=False,

               rnn_bias_attr=None,

               act=None,

               rnn_layer_attr=None):

    def __rnn_step__(ipt):

       out_mem = paddle.layer.memory(name=name, size=size)

       rnn_out = paddle.layer.mixed(input = [paddle.layer.full_matrix_projection(input=ipt),

                                             paddle.layer.full_matrix_projection(input=out_mem)],

                                    name = name,

                                    bias_attr = rnn_bias_attr,

                                    act = act,

                                    layer_attr = rnn_layer_attr,

                                    size = size)

       return rnn_out

    return paddle.layer.recurrent_group(name='%s_recurrent_group' % name,

                                        step=__rnn_step__,

                                        reverse=reverse,

                                        input=input)

PaddlePaddle 使用“Memory”（记忆模块）实现单步函数。Memory是在PaddlePaddle中构造循环神经网络时最重要的概念。 Memory是在单步函数中循环使用的状态，例如 xt+1=fx(xt) 。 一个Memory包含输出和输入。当前时间步处的Memory的输出作为下一时间步Memory的输入。Memory也可以具有boot layer(引导层)，其输出被用作Memory的初始值。 在我们的例子中，门控循环单元的输出被用作输出Memory。请注意，rnn_out层的名称与out_mem的名称相同。这意味着rnn_out (xt + 1)的输出被用作out_memMemory的输出。

Memory也可以是序列。在这种情况下，在每个时间步中，我们有一个序列作为循环神经网络的状态。这在构造非常复杂的循环神经网络时是有用的。 其他高级功能包括定义多个Memory，以及使用子序列来定义分级循环神经网络架构。

我们在函数的结尾返回rnn_out。 这意味着 rnn_out 层的输出被用作门控循环神经网络的输出函数。

（2）Sequence to Sequence Model with Attention

我们将使用 sequence to sequence model with attention 作为例子演示如何配置复杂的循环神经网络模型。该模型的说明如下图所示：

复杂的循环神经网络模型说明图

在这个模型中，源序列 S={s1,…,sT} 用双向门控循环神经网络编码。双向门控循环神经网络的隐藏状态 HS={H1,…,HT} 被称为 编码向量。解码器是门控循环神经网络。当解读每一个 yt 时, 这个门控循环神经网络生成一系列权重 WtS={Wt1,…,WtT} , 用于计算编码向量的加权和。加权和用来生成 yt 。

模型的编码器部分如下所示。它叫做grumemory来表示门控循环神经网络。如果网络架构简单，那么推荐使用循环神经网络的方法，因为它比 recurrent_group 更快。我们已经实现了大多数常用的循环神经网络架构，可以参考 api_trainer_config_helpers_layers 了解更多细节。

我们还将编码向量投射到 decoder_size 维空间。这通过获得反向循环网络的第一个实例，并将其投射到 decoder_size 维空间完成：

# 定义源语句的数据层

src_word_id = paddle.layer.data(

    name='source_language_word',

 type=paddle.data_type.integer_value_sequence(source_dict_dim))

# 计算每个词的词向量

src_embedding = paddle.layer.embedding(

    input=src_word_id,

    size=word_vector_dim,

 param_attr=paddle.attr.ParamAttr(name='_source_language_embedding'))

# 应用前向循环神经网络

src_forward = paddle.networks.simple_gru(

    input=src_embedding, size=encoder_size)

# 应用反向递归神经网络（reverse=True表示反向循环神经网络）

src_backward = paddle.networks.simple_gru(

    input=src_embedding, size=encoder_size, reverse=True)

# 将循环神经网络的前向和反向部分混合在一起

encoded_vector = paddle.layer.concat(input=[src_forward, src_backward])

# 投射编码向量到 decoder_size

encoded_proj = paddle.layer.mixed(

    size=decoder_size,

 input=paddle.layer.full_matrix_projection(encoded_vector))

# 计算反向RNN的第一个实例

backward_first = paddle.layer.first_seq(input=src_backward)

# 投射反向RNN的第一个实例到 decoder size

decoder_boot = paddle.layer.mixed(

   size=decoder_size,

   act=paddle.activation.Tanh(),

  input=paddle.layer.full_matrix_projection(backward_first))

解码器使用 recurrent_group 来定义循环神经网络。单步函数和输出函数在 gru_decoder_with_attention 中定义：

group_input1 = paddle.layer.StaticInput(input=encoded_vector, is_seq=True)

group_input2 = paddle.layer.StaticInput(input=encoded_proj, is_seq=True)

group_inputs = [group_input1, group_input2]

trg_embedding = paddle.layer.embedding(

        input=paddle.layer.data(

            name='target_language_word',      type=paddle.data_type.integer_value_sequence(target_dict_dim)),

        size=word_vector_dim,

 param_attr=paddle.attr.ParamAttr(name='_target_language_embedding'))

    group_inputs.append(trg_embedding)

group_inputs.append(trg_embedding)

# 对于配备有注意力机制的解码器，在训练中，

# 目标向量（groudtruth）是数据输入，

# 而源序列的编码向量可以被无边界的memory访问

# StaticInput 意味着不同时间步的输入都是相同的值，

# 否则它以一个序列输入，不同时间步的输入是不同的。

# 所有输入序列应该有相同的长度。

decoder = paddle.layer.recurrent_group(

        name=decoder_group_name,

        step=gru_decoder_with_attention,

        input=group_inputs)

单步函数的实现如下所示。首先，它定义解码网络的Memory。然后定义 attention，门控循环单元单步函数和输出函数：

def gru_decoder_with_attention(enc_vec, enc_proj, current_word):

    # 定义解码器的Memory

    # Memory的输出定义在 gru_step 内

    # 注意 gru_step 应该与它的Memory名字相同

    decoder_mem = paddle.layer.memory(

        name='gru_decoder', size=decoder_size, boot_layer=decoder_boot)

    # 计算 attention 加权编码向量

    context = paddle.networks.simple_attention(

        encoded_sequence=enc_vec,

        encoded_proj=enc_proj,

        decoder_state=decoder_mem)

    # 混合当前词向量和attention加权编码向量

     decoder_inputs = paddle.layer.mixed(

        size=decoder_size * 3,

        input=[

 paddle.layer.full_matrix_projection(input=context)  paddle.layer.full_matrix_projection(input=current_word)

        ])

    # 定义门控循环单元循环神经网络单步函数

     gru_step = paddle.layer.gru_step(

        name='gru_decoder',

        input=decoder_inputs,

        output_mem=decoder_mem,

        size=decoder_size)

    # 定义输出函数

     out = paddle.layer.mixed(

        size=target_dict_dim,

        bias_attr=True,

        act=paddle.activation.Softmax(),

 input=paddle.layer.full_matrix_projection(input=gru_step))

    return out     

 2 

生成序列

训练模型后，我们可以使用它来生成序列。通常的做法是使用beam search 生成序列。以下代码片段定义 beam search 算法。注意，beam_search 函数假设 step 的输出函数返回的是下一个时刻输出词的 softmax 归一化概率向量。我们对模型进行了以下更改：

A.使用 GeneratedInput 来表示 trg_embedding。 GeneratedInput 将上一时间步所生成的词的向量来作为当前时间步的输入。

B.使用 beam_search 函数。这个函数需要设置：

• bos_id: 开始标记。每个句子都以开始标记开头；

• eos_id: 结束标记。每个句子都以结束标记结尾；

• beam_size: beam search 算法中的beam大小；

• max_length: 生成序列的最大长度。

代码如下：

group_input1 = paddle.layer.StaticInput(input=encoded_vector, is_seq=True)

group_input2 = paddle.layer.StaticInput(input=encoded_proj, is_seq=True)

group_inputs = [group_input1, group_input2]

# 在生成时，解码器基于编码源序列和最后生成的目标词预测下一目标词

# 编码源序列（编码器输出）必须由只读Memory的 StaticInput 指定

# 这里， GeneratedInputs 自动获取上一个生成的词，并在最开始初始化为起始词，如 <s>

trg_embedding = paddle.layer.GeneratedInput(

        size=target_dict_dim,    

 embedding_name='_target_language_embedding'

        embedding_size=word_vector_dim)

group_inputs.append(trg_embedding)

beam_gen = paddle.layer.beam_search(

        name=decoder_group_name,

        step=gru_decoder_with_attention,

        input=group_inputs,

        bos_id=0, # Beginnning token.

        eos_id=1, # End of sentence token.

        beam_size=beam_size,

        max_length=max_length)

return beam_gen

注意，这种生成技术只用于类似解码器的生成过程。如果你正在处理序列标记任务，请参阅 book/06.understand_sentiment （链接：https://github.com/PaddlePaddle/book/tree/develop/06.understand_sentiment）了解更多详细信息。

完整的配置文件在 book/08.machine_translation/train.py （链接：https://github.com/PaddlePaddle/book/blob/develop/08.machine_translation/train.py）。

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