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Abstract

小样本学习旨在基于有限数量的样本就行预测。结构化数据（如知识图谱、本体库）已被用于少样本设置的各种任务。但是现有方法采用的先验存在知识缺失、知识噪声和知识异质性等问题，影响了小样本学习的性能。在本研究中，我们探索了基于预训练语言模型的小样本学习知识注入，并提出本体增强的提示优化。具体而言，本文开发了基于外部知识图谱的本体转换来解决知识缺失问题，实现了结构化知识向文本的转换。本文进一步通过可见矩阵引入跨度敏感知识注入，以选择信息性知识来处理知识噪声问题。为了弥补知识和文本之间的差距，本文提出了一种集体训练算法来联合优化表示。

Introduction

在过去几年中，FSL已被引入到广泛的机器学习任务中，如关系抽取、事件抽取和知识图谱补全等。（Over the past few years, FSL has been introduced in a wide range of machine learning tasks, such as relation extraction, event extraction and knowledge graph completion.）但是，FSL存在以下问题：

知识缺失 由于外部知识库的不完整性，知识注入可能无法检索与任务相关的事实，从而为下游任务提供无用或者不相关的信息。如何丰富与任务相关的知识是一个重要问题。
知识噪声 先前的研究表明，并不是所有的知识都对下游任务有益，不加区分的知识注入可能会导致负面信息注入，影响下游任务执行。因此上下文敏感和任务的知识选择对于知识增强学习至关重要。
知识异质性 下游任务的语料库与注入的知识截然不同，导致两个单独的向量表示。如何设计一个特殊融合知识信息的联合训练目标是另一个挑战。

针对上述问题所提出的策略：

提出了本体转换来丰富和转换结构化知识到文本形式。（简单来说，就是将实体等信息作为提示，加入到输入文本中，弥补知识缺失问题）
具体而言，本文使用预定义的模板将知识转换为文本作为提示。提示调优可以减少预训练模型任务和下游任务之间的差距。例如，“Turing entered King’s College, Cambridge in 1931, and then went to Princeton University to study for a doctorate（图灵1931年进入剑桥国王学院，然后去普林斯顿大学攻读博士学位）”，可以根据本体将他们包装成“s. Turing [MASK] King's College”，PLMs应该预测掩码位置的标签来确定输入的标签。需要注意的是，本体作为提示将实体/跨度的知识加入到输入文本中，这是与模型无关的，即可以插入任何类型的PLMs中。
提出跨度敏感知识注入，以选择信息化知识并减轻噪声注入。（也就是要避免不相关和噪声知识对模型产生影响）
利用一个基于跨度及相应的外部知识的可视矩阵来指导知识注入，这样，并非输入句子中所有token 都会受到外部知识的影响。
提出一种联合优化表示的集体训练算法。
注意，注入的外部知识应与上下文相关联；我们通过随机初始化添加了一些可学习的token，并对这些token和注入的token进行优化。由于，在低数据状态下提示调优是不稳定的，可能会获得较差的性能，我们进一步优化所有参数以集体训练本体文本和输入文本表示。

Methodology

OntoPrompt是一个通用框架，可以应用于多种任务，如Figure 2所示。本文在关系抽取、事件抽取和知识图谱补全任务上评估我们的模型。

General Framework with Prompt-Tuning

输入为句子与模板的拼接： $X_{prompt}=[CLS]X_{in}[SEP]T[SEP]$ ，其中包含一个[MASK]。输入到掩码语言模型之后，模型可以获得候选类别的分布概率： $p(y|X_{prompt})=\sum_{w\in v_y}^{}p([MASK]=w|X_{prompt})$ ，其中，w表示类y的第w个标签token。本文，将本体作为辅助提示，以注入知识并将其附加到输入序列模板中。

Ontology Transformation

在本文中，将本体表示为 $O=\left \{ C, E ,D \right \}$ ，其中，C是概念集合，E表示本体之间的连接边，D是每个本体的文本描述。概念集合是指特定领域的概念，如在RE和EE中利用与所述本体相关的类型本体等。对于不同的下游任务，每个任务利用不同的本体源进行本体转换。首先从外部知识图谱中抽取每个实例的本体，然后将这些本体转换为原始文本作为辅助提示。

应用于关系抽取
利用MUC来定义命名实体的概念。注意，命名实体可以提供重要的类型信息，这有利于RE。然后将这些定义用作本体模式中的文本描述，即将“[CLS] <InputText> [SEP] <Template> [SEP] <OntologyText> [SEP]”作为最终的输入序列。本文为<OntologyText>中的实体构造占位符，并用外部文本描述来替换这些占位符，并利用来自本体的实体对之间的路径作为元关系文本来增强<OntologyText>。
并将可学习的tokens，[u1]-[u4]，作为虚拟tokens添加到[MASK]的两边，使模型自动学习最合适的单词作为提示。
应用于事件抽取
构建了一个更大的事件本体，同样将“[CLS] <InputText> [SEP] <Template> [SEP] <OntologyText> [SEP]”作为最终的输入序列，为触发词构造占位符并在<OntologyText>中输入。
应用于知识图谱补全
外部Wikidata作为本体源，并提取文本描述。将知识图谱补全视为三元组分类任务，并链接实体和关系作为输入序列。与上述任务相同，将“[CLS] <InputText> [SEP] <Template> [SEP] <OntologyText> [SEP]”作为默认输入序列。