基于ChatGPT使用AI实现自然对话的原理分析

2023-05-18 12:03

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1.概述

ChatGPT是当前自然语言处理领域的重要进展之一，通过预训练和微调的方式，ChatGPT可以生成高质量的文本，可应用于多种场景，如智能客服、聊天机器人、语音助手等。本文将详细介绍ChatGPT的原理、实战演练和流程图，帮助读者更好地理解ChatGPT技术的应用和优势。

2.内容

在当今快速发展的人工智能领域，自然语言处理（Natural Language Processing, NLP）技术是研究的重要方向之一。NLP技术的目标是帮助计算机更好地理解和处理人类语言，从而实现人机交互、自然语言搜索、文本摘要、语音识别等应用场景。

ChatGPT是当前自然语言处理领域的重要进展之一，可以生成高质量的文本，可应用于多种场景，如智能客服、聊天机器人、语音助手等。本文将详细介绍ChatGPT的原理、实战演练和流程图，帮助读者更好地理解ChatGPT技术的应用和优势。

2.1 原理分析

ChatGPT是由OpenAI推出的一种基于Transformer的预训练语言模型。在自然语言处理中，预训练语言模型通常是指使用无标签文本数据训练的模型，目的是为了提高下游任务（如文本分类、命名实体识别、情感分析）的性能。ChatGPT是预训练语言模型的一种，它采用了单向的Transformer模型，通过大规模的文本数据预训练模型，再在具体任务上进行微调，从而实现高质量的文本生成和自然对话。

下面我们来详细介绍一下ChatGPT的原理。

2.1.1Transformer模型

ChatGPT模型采用了单向的Transformer模型，Transformer模型是一种基于注意力机制的编码-解码框架，由Google在2017年提出。它是目前自然语言处理中应用最广泛的模型之一，已经被证明在多种任务上取得了比较好的性能。

Transformer模型的核心是多头注意力机制，它允许模型在不同位置上对输入的信息进行不同的关注，从而提高模型的表达能力。同时，Transformer模型采用了残差连接和Layer Normalization等技术，使得模型训练更加稳定，减少了梯度消失和梯度爆炸等问题。

在Transformer模型中，输入的序列首先经过Embedding层，将每个词映射为一个向量表示。然后输入到多层Transformer Encoder中，每一层包括多头注意力机制和前向传播网络。在多头注意力机制中，模型会计算出每个位置与其他位置的关联程度，从而得到一个权重向量，将这个权重向量应用到输入上，就得到了每个位置的加权表示。接下来，模型会将每个位置的加权表示与原始输入进行残差连接和Layer Normalization，从而得到更好的表达。

在ChatGPT模型中，Encoder和Decoder是相同的，因为它是单向的模型，只能使用历史信息生成当前的文本。每次生成一个新的词时，模型会将历史文本作为输入，通过Decoder生成下一个词。

2.1.2预训练

ChatGPT模型的预训练使用的是大规模的无标签文本数据，例如维基百科、网页文本等，这些数据可以包含数十亿甚至数百亿的单词。预训练的目的是让模型学习到文本的语言规律和语义信息，从而提高模型的泛化能力。预训练使用的是语言建模任务，即在给定部分文本的情况下，模型预测下一个词是什么。预测的损失函数采用交叉熵损失函数，通过反向传播和随机梯度下降算法更新模型参数。

2.1.3 微调

ChatGPT模型的微调是指在特定的任务上，针对不同的数据集，对预训练模型进行微调。微调的目的是将模型应用到具体的场景中，例如聊天机器人、智能客服等。微调过程中，我们会为模型添加一些特定的输出层，根据具体的任务来调整模型的参数。

2.2 ChatGPT

ChatGPT是一款通用的自然语言生成模型，即GPT翻译成中文就是生成型预训练变换模型。这个模型被互联网巨大的语料库训练之后，它就可以根据你输入的文字内容，来生成对应的文字回答。也就是常见的聊天问答模式，比如：

语言模型的工作方式，是对语言文本进行概率建模。

用来预测下一段输出内容的概率，形式上非常类似于我们小时候玩的文字接龙游戏。比如输入的内容是你好，模型就会在可能的结果中，选出概率最高的那一个，用来生成下一部分的内容

从体验的反馈来看，ChatGPT对比其他的聊天机器人，主要在这样几个方面上进步明显：

首先，它对用户实际意图的理解有了明显的提升，以前用过类似的聊天机器人，或者自动客服的朋友，应该会经常遇到机器人兜圈子，甚至答非所问的情况，而ChatGPT在这方面有了显著的提升，大家在实际体验了之后感觉都非常的明显；
其次，是非常强的上下文衔接能力，你不仅能够问他一个问题，而且还可以通过不断追加提问的方式，让它不断的改进回答内容，最终达到用户想要的理想效果。
然后，是对知识和逻辑的理解能力，当你遇到某个问题，它不仅只是给一个完整的回答，同时，你对这个问题的各种细节追问，它都能回答出来。

ChatGPT目前暂时还没有看到与之相关的论文，但是，官网有一篇Instruct GPT和ChatGPT是非常接近的。在官网上也指出了ChatGPT是InstructGPT的兄弟模型，它经过训练可以按照指示中的说明进行操作并提供详细的响应。

这里我们可以看到2个模型的训练过程非常的相似，文章地址：

https://openai.com/research/instruction-following
https://openai.com/blog/chatgpt

ChatGPT训练流程如下所示：

InstructGPT训练流程如下所示：

在OpenAI关于InstructiGPT中的论文中，有可以找到这些直观优势的量化分析。

InstructGPT对比上一代GPT3:

首先在71%的情况下，InstructGPT生成的回答要比GPT3模型的回答要更加符合训练人员的喜好。这里提到GPT3是OpenAI的上一代自然语言生成模型。
其次，InstructGPT在回答问题的真实程度上，也会更加可靠，当两个模型同时被问到他们完全不知道的内容时，InstructGPT只有21%的情况会编造结果，而GPT3就高了，多达到了41%。这里，我们可以发现，即便是最厉害的模型它也有五分之一的概率会胡说八道；
除此之外，InstructGPT在产生有毒回答的概率上也减小了25%。

所以，汇总下来，InstructGPT比上一代模型能够提供更加真实可靠的回答，并且回答的内容也会远比上一代更加符合用户的意愿。

3.如何做到这些提升的呢？

我们要看清楚ChatGPT，为什么可以做到如此出色的效果。就需要我们把视角稍微拉远一点，看一看这款模型，近几年的发展历史。
ChapGPT是OpenAI的另一款模型，它是InstructGPT的兄弟模型，也就是基于InstructGPT做了一些调整，而InstructGPT的上一代是GPT3，再往上一个版本是GPT2，再往上是GPT，那再往前就是Google的那一篇关于transformer的著名论文（https://arxiv.org/pdf/1706.03762.pdf），这里需要提一下的是，同样是基于transformer结构的，还有Google自家的BERT架构，以及对应的分支。
所以，我们能够得到这样一个分支图。

这里，本人能力有限，没法对每一篇论文分析总结。但是，想提到一些自己在学习的过程中感觉比较有趣的决定和突破。
首先，同样是transformer架构上分支出来的，BERT和GPT的一大不同，来自于他们transformer具体结构的区别，BERT使用的是transformer的encoder组件，而encoder的组件在计算某个位置时，会关注他左右两侧的信息，也就是文章的上下文。而GPT使用的是transformer decoder组件，decoder组件在计算某个位置时，只关注它左侧的信息，也就是文章的上文。

我们如果用一个通俗的比喻就是，BERT在结构上对上下文的理解会更强，更适合嵌入式的表达，也就是完型填空式的任务。而GPT在结构上更适合只有上文，完全不知道下文的任务，而聊天恰好就是这样的场景。
另一个有趣的突破，来自模型量级上的提升。

从GPT到GPT2，再到GPT3，OpenAI大力出奇迹，将模型参数从1.17亿，提升到15亿，然后进一步暴力提升到了1750亿个。以至于GPT3比以前同类型的语言模型，参数量增加了10倍以上。

同时，训练数据量也从GPT的5GB，增加到GPT2的40GB，再到GPT3的45TB，与此相关的是在方向上（https://arxiv.org/pdf/2005.14165.pdf）

OpenAI没有追求模型在特定类型任务上的表现，而是不断的增加模型的泛化能力。同时，GPT3的训练费用，也到达了惊人的1200万美元。

那下一个有趣的节点，就达到了今天的主角ChatGPT的兄弟，InstructGPT。从GPT3到InstructGPT的一个有趣改进。来自于引入了人类的反馈。用OpenAI论文的说法是，在InstructGPT之前，大部分大规模语言模型的目标，都是基于上一个输入片段token，来推测下一个输入片段。

然而这个目标和用户的意图是不一致的，用户的意图是让语言模型，能够有用并且安全的遵循用户的指令，那这里的指令instruction，也就是InstructGPT名字的来源，当然，也就呼应的今天ChatGPT的最大优势，对用户意图的理解。为了达到这个目的，他们引入了人类老师，也就是标记人员，通过标记人员的人工标记，来训练出一个反馈模型，那这个反馈模型，实际上就是一个模仿喜好，用来给GPT3的结果来打分的模型，然后这个反馈模型再去训练GPT3，之所以没有让标记人员，直接训练GPT3，可能是因为数据量太大的原因吧。

所以，这个反馈模型，就像是被抽象出来的人类意志。可以用来激励GPT3的训练，那整个训练方法，就被叫做基于人类反馈的强化学习。至此简易版的InstructGPT的前世今生就介绍完了。我们来回顾一下OpenAI一直在追求的几个特点：

首先，是只有上文的decoder结构，这种结构下训练出来的模型，天然适合问答这种交互方式；
然后，是通用模型，OpenAI一直避免在早期架构和训练阶段，就针对某个特定的行业做调优，这也让GPT3有着很强的通用能力
最后，是巨量数据和巨量参数，从信息论的角度来看，这就像深层的语言模型，涵盖的人类生活中，会涉及的几乎所有的自然语言和编程语言，当然，这也就极大的提高了个人或者小公司参与的门槛。

既然说到了原理，还有一个方面是前面没有提及到的，就是连续对话的能力。所以，ChatGPT是如何做到能够记住对话的上下文的呢？
这一能力，其实在GPT3时代就已经具备了，具体做法是这样的，语言模型生成回答的方式，其实是基于一个个的token，这里的token，可以粗略的理解为一个个单词。所以ChatGPT给你生成一句话的回答，其实是从第一个词开始，重复把你的问题以及当前生成的所有内容，再作为下一次的输入，再生成下一个token，直到生成完整的回答。

4.实战演练

为了更好地理解ChatGPT模型的实际应用，我们可以尝试使用Hugging Face提供的Transformers库来构建一个聊天机器人模型。

1.准备数据集

我们可以使用Cornell电影对话数据集来作为ChatGPT模型的训练数据集。Cornell电影对话数据集包含了超过220,579条对话记录，每条记录都有一个问题和一个回答。我们可以将问题和回答组合在一起，形成聊天机器人的训练样本。

2.数据预处理

在训练ChatGPT模型之前，我们需要对数据进行预处理，将文本转换为数字表示。我们可以使用tokenizer将文本转换为tokens，并将tokens转换为模型输入的数字表示。在使用Hugging Face的Transformers库中，我们可以使用AutoTokenizer自动选择适合的tokenizer，根据模型的类型和配置来进行初始化。

以下是对电影对话数据集进行预处理的代码：

from transformers import AutoTokenizer
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('distilgpt2')
pad_token_id = tokenizer.pad_token_id
max_length = 512
def preprocess_data(filename):
    with open(filename, 'r', encoding='iso-8859-1') as f:
        lines = f.readlines()
    conversations = []
    conversation = []
    for line in lines:
        line = line.strip()
        if line.startswith('M '):
            conversation.append(line[2:])
        elif line.startswith('E '):
            conversation.append(line[2:])
            if len(conversation) > 1:
                conversations.append(conversation)
            conversation = []
    questions = []
    answers = []
    for conversation in conversations:
        for i in range(len(conversation) - 1):
            questions.append(conversation[i])
            answers.append(conversation[i+1])
    inputs = tokenizer(questions, answers, truncation=True, padding=True, max_length=max_length)
    return inputs, pad_token_id
inputs, pad_token_id = preprocess_data('movie_conversations.txt')

在上述代码中，我们使用了AutoTokenizer来初始化tokenizer，并指定了最大的序列长度为512。同时，我们也定义了padding token的id，并使用preprocess_data函数来对Cornell电影对话数据集进行预处理。在预处理过程中，我们将每个问题和回答组合在一起，使用tokenizer将文本转换为tokens，并将tokens转换为数字表示。我们还设置了padding和truncation等参数，以使得所有输入序列长度相同。

3.训练模型

在对数据集进行预处理后，我们可以使用Hugging Face的Transformers库中提供的GPT2LMHeadModel类来构建ChatGPT模型。GPT2LMHeadModel是一个带有语言模型头的GPT-2模型，用于生成与前面输入的文本相关的下一个词。

以下是使用GPT2LMHeadModel训练ChatGPT模型的代码：

from transformers import GPT2LMHeadModel, Trainer, TrainingArguments
model = GPT2LMHeadModel.from_pretrained('distilgpt2')
model.resize_token_embeddings(len(tokenizer))
training_args = TrainingArguments(
    output_dir='./results',
    num_train_epochs=3,
    per_device_train_batch_size=4,
    save_total_limit=2,
    save_steps=1000,
    logging_steps=500,
    evaluation_strategy='steps',
    eval_steps=1000,
    load_best_model_at_end=True,
)
trainer = Trainer(
    model=model,
    args=training_args,
    train_dataset=inputs['input_ids'],
    data_collator=lambda data: {'input_ids': torch.stack(data)},
)
trainer.train()

在上述代码中，我们首先使用GPT2LMHeadModel来初始化ChatGPT模型，并调整Embedding层的大小以适应我们的tokenizer。接下来，我们定义了TrainingArguments来配置训练参数。其中包括了训练的轮数、每批次的大小、模型保存路径等信息。最后，我们使用Trainer类来训练模型。在这里，我们将输入数据传递给train_dataset参数，并使用一个data_collator函数将输入数据打包成一个批次。

4.生成文本

在训练完成后，我们可以使用ChatGPT模型来生成文本。在Hugging Face的Transformers库中，我们可以使用pipeline来实现文本生成。

以下是使用ChatGPT模型生成文本的代码：

from transformers import pipeline
generator = pipeline('text-generation', model=model, tokenizer=tokenizer)
def generate_text(prompt):
    outputs = generator(prompt, max_length=1024, do_sample=True, temperature=0.7)
    generated_text = outputs[0]['generated_text']
    return generated_text
generated_text = generate_text('Hello, how are you?')
print(generated_text)

在上述代码中，我们首先使用pipeline函数来初始化一个文本生成器，其中指定了ChatGPT模型和tokenizer。接下来，我们定义了generate_text函数来使用生成器生成文本。在这里，我们传入一个prompt字符串作为生成的起始点，并使用max_length参数来指定生成文本的最大长度，使用do_sample和temperature参数来控制文本的随机性和流畅度。

5.总结

ChatGPT是一个强大的自然语言生成模型，可以用于生成对话、推荐、文本摘要等多种任务。在本文中，我们介绍了ChatGPT的原理、实现流程和应用场景，并提供了Cornell电影对话数据集的预处理和ChatGPT模型的训练代码。通过使用Hugging Face的Transformers库，我们可以轻松地构建和训练ChatGPT模型，并使用pipeline来生成文本。希望本文能够帮助读者更好地理解ChatGPT，以及如何应用自然语言生成技术来解决实际问题。

因为，GPT3 API里面单次交互最多支持4000多个token(https://help.openai.com/en/articles/4936856-what-are-tokens-and-how-to-count-them)