百度机器翻译团队获得WMT2019中英翻译冠军
8月1日，WMT2019国际机器翻译大赛研讨会在意大利佛罗伦萨召开。本届大赛，百度机器翻译团队在中文-英文翻译任务上获得冠军。
WMT全称是Workshop on Machine Translation，是业界公认的国际顶级机器翻译比赛之一，其中中文-英文翻译任务是历年参赛队伍最多、竞争最为激烈的机器翻译任务之一。今年中英方向参赛队伍有来自微软、字节跳动、金山、爱丁堡大学、东北大学、日本情报通信研究院等国内外知名机器翻译团队。本届大赛，百度翻译团队凭借在数据处理、模型架构、数据增强、模型集成等方面的创新性突破，最终力压群雄，取得第一。
本次大会的评审专家对于百度参评系统给予高度评价，“This is a very solid system paper describing a strong system in the shared evaluation”，“The techniques employed are cutting-edge”。本文对主要技术进行介绍。
如上图所示，数据处理模块通过数据筛选、噪音去除、数据增强等，产生训练数据；对于翻译模型，从预训练、网络结构等方面进行改进，使模型学到更多维度、更深层次的信息。在训练和模型集成阶段，凭借百度强大的机器学习平台和海量的计算资源，从上百个模型中选择不同的模型组合集成。最终，结合统计特征和深度学习模型的特征，通过Re-ranking算法从多个译文候选中选择最优的翻译结果。
接下来将从数据预处理、翻译模型改进、训练数据增强、模型集成和重排序等方面介绍百度翻译团队的参赛系统。
一、数据处理
神经网络翻译模型对训练数据尤为敏感，不仅要求数据规模大，还要求数据质量高。因此，数据处理对于提升翻译质量至关重要。针对组委会提供的双语数据，通过fast_align进行数据清洗，fast_align可以衡量两个句子互为翻译的概率，从而根据翻译概率去除低质数据。以翻译自动评价指标BLEU衡量，清洗后的数据训练模型提高了1.1个百分点。
相比双语数据，主办方提供了更多的单语数据。采用Back Translation技术利用英语单语数据提升模型的翻译质量。具体做法是，先用中英双语数据训练一个英中的翻译系统，由英中模型将英文句子翻译成对应的中文句子，将模型生成的中文句子和英文句子组合成双语句对，并和真实的中英双语句对混合作为中英模型的训练数据。此技术可以提升翻译质量(BLEU)0.8个百分点。
二、翻译模型
目前，主流的神经网络翻译模型是Transformer，根据模型参数的大小可以分成base Transformer和big Transformer。其中，big Transformer具有更多的参数和更好的翻译效果。在本次比赛中，我们基于Transformer模型，创新性地提出了三种改进的模型，显著提升了翻译质量，成为比赛决胜的关键点之一。此次改进的模型包括：
Pre-trained Transformer: 在大规模单语语料上训练语言模型，并以此作为翻译模型的编码器。
Deeper Transformer: 加深编码器的层数，提取更多维度特征。
Bigger Transformer: 增大前向网络的隐藏节点。
Pre-trained Transformer
最近的研究表明，在大规模语料上训练的语言模型，对其下游任务有很显著的提升。我们在中文数据上训练出一个24层的Transformer语言模型，采用自编码的训练方法，即随机将句子中的词变为masked标签，并经过24层的Transformer进行编码，最后预测masked位置的实际的词。以预训练的语言模型作为翻译模型的编码器，在中英双语数据上继续训练翻译模型。在使用双语数据训练阶段，预训练语言模型（编码器）的参数在前10000步保持不变，只更新解码器的参数，之后编码器和解码器都会更新参数。
Pre-trained Transformer相比标准的big Transformer拥有更深的encoder（从6层扩展到24层），并且经过在超大规模的中文单语数据上预训练，可以对源语言（中文）句子提取更多的有效特征，从而有效的提高模型的翻译质量。从自动评价指标BLEU上看，Pre-trained Transformer相比big Transformer，显著提升了1个百分点。
Deeper Transformer
更深的编码器可以提取更多的特征，但是对于翻译模型的训练而言，仅加深编码器的层数，通常会遇到梯度消失的问题，导致模型无法正常收敛。我们提出Deeper Transformer, 在更深的编码器中，通过增加残差连接，即前面所有层都作为下一层的输入，避免了梯度消失，实现了端到端的翻译训练。标准的base Transformer和big Transformer模型，编码器和解码器都是6层的。而对于采用deeper Transformer的模型, base Transformer的编码器可以扩展到30层，big Transformer的编码器可以扩展到15层。
Deeper Transformer相比标准的big Transformer性能提升较少，但是在模型集成阶段，加入Deeper Transformer可以显著提升整个系统的翻译质量，在本文后面的模型集成部分会有更详细的介绍。
Bigger Transformer
此外，我们提出了Bigger Transformer，在宽度的维度上增强模型。探索了增大前向网络节点和隐藏层节点对翻译质量的影响，发现增大前向网络节点可以显著提升翻译质量。Bigger Transformer的前向网络节点数是15000，而标准的big Transformer的前向网络节点数是4096。但是，更多的参数更容易在训练过程中出现过拟合问题。通过增大dropout的比率和label smoothing的参数避免了过拟合。相比big Transformer, Bigger Transformer提升了0.8 BLEU。
三、数据增强
对于单语数据，采用联合训练方法增强back translation生成的译文，构造更高质量的“伪”双语数据。首先使用中英双语数据分别训练中英和英中翻译模型，中英模型将中文单语数据翻译成英文，英中模型将英文单语数据翻译成中文。中英模型在英中模型产生的“伪”的双语数据上继续训练，英中模型在中英模型生成的“伪”的双语数据上继续训练，中英和英中模型的性能都得到提升。在下一轮中，翻译效果更好的中英、英中模型可以生成质量更高的伪数据，用来进一步提升翻译模型。
对于双语数据的目标端（英文），通过英-中翻译模型生成源端（中文）译文，将“生成”的中文和“真实”的英文作为增强的数据混入双语数据共同训练中英模型。
对于双语数据的源端（中文），采用知识蒸馏的方法，以R2L翻译模型(从右到左的翻译顺序)和异构模型(不同结构的模型)作为“Teacher”, 生成目标端（英文）译文，再将“真实”的中文和“生成”的英文作为增强数据，指导模型学习更多的知识。R2L翻译模型作为“Teacher”，由于翻译模型解码的特性，生成的英文译文的后部分翻译的通常比前部分更好，通过知识蒸馏方法可以让翻译模型（L2R）学习到更多的句子后部信息。不同结构的翻译模型具有不同的翻译特性，例如，Deeper Transformer和Bigger Transformer可以作为Pre-trained Transformer的“Teacher”，指导Pre-trained Transformer学习Deeper Transformer和Bigger Transformer的特性。如下图所示，D’表示模型生成的双语句对，多个不同的D’组合作为模型的训练语料。
多种数据增强方法，不仅可以增强模型的鲁棒性，还指导模型学习其他模型特有的知识，从而进一步提升翻译效果。
四、模型集成
模型集成解码可以显著提升翻译效果。我们使用不同的模型，在不同的数据上采用不同的策略训练出上百个翻译模型，以探索不同的模型集成对翻译质量的影响。经过大量的实验发现，相同结构的模型进行集成，即使性能都很强，但是集成的翻译效果收益较小；而集成不同结构的模型，翻译的效果得到了非常显著的提升，相比最强的单系统提升了1.4 BLEU。
五、重排序
集成模型生成k个候选译文，通过k-best MIRA算法学习各个特征的权重，从而对候选译文进一步排序，选择最好的译文。设计了4种特征，可以有效的提高翻译质量：
1.翻译模型特征：集成模型生成译文的得分和R2L模型对译文的打分。
2.语言模型特征：多个语言模型和后向语言模型对译文的打分。
3.长度特征：译文和原文的长度比和长度差。
4.加权投票特征：计算每个译文和其他候选译文的BLEU，并计算其平均值。
通过以上技术创新，相比于基线系统，我们获得了6-7个百分点的大幅提升。作为国内最早的互联网机器翻译系统之一，百度翻译在技术和产品上一直处于业界领先。早在2015年，百度翻译就发布了全球首个神经网络翻译系统，并于同年获得国家科技进步二等奖。通过不断的技术创新，翻译质量保持业界领先。在刚刚过去的百度开发者大会上，发布了业界首个端到端的同传翻译小程序，为用户提供沉浸式同传体验。随着技术的不断进步与发展，机器翻译将在跨越语言鸿沟中发挥越来越大的作用。
百度自然语言处理（Natural Language Processing，NLP）以『理解语言，拥有智能，改变世界』为使命，研发自然语言处理核心技术，打造领先的技术平台和创新产品，服务全球用户，让复杂的世界更简单。
（编辑:T-win）
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