大模型如何作为reranker？

作者：爱工作的小小酥

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只为了感动自己而去做一些事情纯属浪费时间。 ————爱工作的小小酥

引言

用于检索的模型中，我们最熟悉的就是单塔和双塔了，双塔经常用于召回阶段，单塔用于排序阶段。并且，其往往都是Encoder 结构的模型，例如BERT。

进入大模型时代后，模型结构大多只以deocder构成。当大模型在各个领域任务上表现出出色的能力，其在检索任务中是否也能超越以前的模型呢？

在之前的文章「爱工作的小小酥：大模型时代如何得到更好的embedding表征？」中，我们介绍了LLM如何用于编码embedding，以用于召回阶段。

我们这次再来看一下生成式模型——大模型如何用于排序阶段。

在检索任务的排序阶段，我们为了query和document的特征可以深度交互，要把query和document进行拼接输入模型，最后得到匹配分数。那么，对于以decoder结构为主的大模型来说，主要有以下需要解决的问题点：

1. 如何得到分数值？

2. 采用什么样的训练损失训练模型？

如何得到分数值？

LLM作为一种生成模型，需要一步步解码token得到所有结果。而对于reranker模型来说，不需要生成token，而只需要一个相似度值。在现有的研究中，主要分为3种情况：使用固定的token的特征的logits、直接让模型输出顺序「不再需要输出分数」、使用query中的词对应的logits。

使用固定的token

生成式模型，一步解码后得到的是在所有词表上的分布，我们往往通过选择在这个词表上最大的词作为此步解码token。因此，在这个过程中，我们可以得到当前步词表上所有token的logits，其实选择其中任何一个都可以用于计算分数，只是通过设置不同的prompt，可能有些token会更有意义一些。

（1）模型生成Yes，No。

当构造的prompt中，让模型输出Yes或者No时，此时选择Yes token对应的概率作为分数就会更有意义。

相对应的，也可以设置为True或者False，当然也要在prompt中做出相应更改。具体计算分数的时候有的会直接在所有词表上进行softmax，有的直接使用yes token的logits，有的只在Yes和No之间进行softmax「感觉这个更合理一些」。

具体使用方法参考论文：The Expando-Mono-Duo Design Pattern for Text Ranking with Pretrained Sequence-to-Sequence Models

（2）模型第一个输出token中的特殊token

如果设置的prompt中没有明确输出指令，常常会指定「特殊的token」作为计算分数的特征，例如<extra_id_10>或者。此时，一般使用一个linear层直接将logits转化为分数「对应下面的Dense」。

具体参考论文：

RankT5: Fine-Tuning T5 for Text Ranking with Ranking Losses

Fine-Tuning LLaMA for Multi-Stage Text Retrieval

直接输出顺序

问答作为目前大模型最直观的使用方式，我们其实也可以直接让大模型排序，而不是输出分数后，最后再排序。例如，使用如下的prompt，就可以实现对document排序。

这种方法会有一个问题，模型接受的长度有限，而候选文档的个数一般都很多。目前现有的方法是采用「滑动窗口」的方式进行排序，有点类似冒泡排序。

参考论文：

Is ChatGPT Good at Search? Investigating Large Language Models as Re-Ranking Agents

RankVicuna: Zero-Shot Listwise Document Reranking with Open-Source Large Language Models

Zero-Shot Listwise Document Reranking with a Large Language Model

使用query的logits平均计算

还有一种用的人比较少的计算分数的方式，不按照常规构建rerank模型数据方式，而是只使用document，计算其生成label query的概率，这个作为query和document匹配的概率。

例如，使用下面的prompt，让模型生成对应的query。

然后，基于下面的公式，求取所有query token对应的概率。

参考论文：Improving Passage Retrieval with Zero-Shot Question Generation

采用什么样的训练损失训练模型？

Pointwise Ranking Loss

Pointwise loss只需要匹配query和一个document之间的相似度关系，在三种损失里面是相对容易数据的一种训练方法，通常情况下，只需要对每个query，选择出困难负样本即可，具体可以参考bge的官方训练代码。

https://github.com/FlagOpen/FlagEmbedding/tree/master

这里将每个query、对应的正样本、对应的负样本作为一个组，每个组内部使用交叉熵损失计算loss。有点类似组内的INfoNCE，没有in batch negative。

参考论文：

Fine-Tuning LLaMA for Multi-Stage Text Retrieval

The Expando-Mono-Duo Design Pattern for Text Ranking with Pretrained Sequence-to-Sequence Models

RankT5: Fine-Tuning T5 for Text Ranking with Ranking Losses

Pairwise Ranking Loss

Pairwise 训练的样本为三元组，<query, 正样本，负样本>, 模型输出query是否和第一个样本更加匹配。最终需要根据相应的算法将两两顺序转化为最终的顺序。目前最常采用的损失函数为RankNet loss。

这种损失函数构造样本就会更加复杂一些，需要得到query和所有候选的顺序。有的会直接使用更大的模型得到顺序，例如chatgpt。有的直接随机采样负样本，忽略负样本之间的顺序，只保证正样本在负样本前面即可。

最后，可以采用以下累积分数的方式得到每个document的得分：

参考论文：

Is ChatGPT Good at Search? Investigating Large Language Models as Re-Ranking Agents

The Expando-Mono-Duo Design Pattern for Text Ranking with Pretrained Sequence-to-Sequence Models

RankT5: Fine-Tuning T5 for Text Ranking with Ranking Losses

Listwise Ranking Loss

Listwise loss是对整个序列顺序计算损失，因此，这个损失函数要求知道数据的真实顺序。构造数据的方法类似上述的Pairwise Ranking Loss。

目前经常采用的损失函数包括ListNet softmax 版本和PolyLoss。

在RankT5论文中，验证listwise的损失效果最好，但目前看使用这个损失的模型也比较少，可能比较难构造数据。

参考论文：RankT5: Fine-Tuning T5 for Text Ranking with Ranking Losses

总结

生成式模型不像之前的BERT，其多出了一个decoder结构，如何借助decoder本身的能力得到一个更加有意义的相似度分数成为关键，在现有的方法中主要通过更改prompt或者直接增大特殊token实现。除此之外，还可以直接利用大模型本身的能力，使其对候选文档直接排序。而在训练方式和，和之前的小模型相差不大，都是选用Pointwise Ranking Loss、Pairwise Ranking Loss或者Listwise Ranking Loss。