第四届“中国法研杯”司法人工智能挑战赛-刑期预测赛道三等奖方案

一、前言

本文将回顾第四届“中国法研杯”司法人工智能挑战赛-刑期预测算法赛道比赛。使用多任务预训练、然后进行微调的形式最终在比赛中取得了三等奖的成绩。

二、任务介绍

主办方在第一届“中国法研杯”比赛上提出了刑期预测任务，本届将针对往届刑期预测准确率不高的罪名进行专项研究，并提供更多维度信息（如省份、年份）进行帮助提升。

三、数据集与分析

3.1、数据集介绍

本任务技术评测使用的训练集、验证集、测试集由中国司法大数据院提供，包含大约40余万篇裁判文书的犯罪事实、本院认为、刑期、年份、省份信息。

3.2、数据分析

长文本：从图中可见，数据文本序列较长，需考虑长文本输入问题。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-sqiICQN0-1684392501970)(F:\weixin\imgs\image-20230518121449610.png)]$

刑期分布：在给出的数据集中，刑期分布在1~234个月区间内，且不是连续的，因此在建模时本文没有使用回归预测的方法，而是使用文本分类的方法。
案由分布：从下图可见，案由分布极不均衡。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-DDrh08vh-1684392501971)(F:\weixin\imgs\image-20230518122030651.png)]$

数据样例

在比赛过程中，本文收集了往年的法研杯比赛数据集，通过正则等手段清洗获得了与本次比赛案由相同的数据，进行多任务预训练。

往年数据清洗过滤后的数据样例，该数据用于多任务预训练：

{
    "caseCause": "故意伤害罪", 
    "justice": "贵州省平坝县人民检察院指控：2014年4月9日下午，被告人王某丁与其堂哥王4某（另案处理）假释驾驶大货车（贵×××××）准备到乐某镇大屯村拉砂，行至大屯村时与被害人王某乙相遇，王4某与王某乙因琐事发生矛盾，准备打架时被路人劝开，双方离开现场。之后，王4某打电话邀约王某乙打架，接着又打电话召集郑3某、艾1某雷、邱某（均另案处理）、。王3某王6某、王某丁与艾1某雷、邱某、郑3某等人聚集后，行至乐某商务宾馆门前大街上时，与被害人高某乙、王某乙、王某甲、李某等人相遇，王4某、王某丁等人就从郑3某驾驶的面包车上拿出杀高某乙系创伤性、失血性休克死亡；王某甲所受之伤为轻伤一级；王某乙所受之伤为轻伤二级；李某所受之伤为轻微伤。公诉机关认为，被告人王某丁伙同王4某等人××他人身体，致一人死亡，二人受轻伤，一人受轻微伤，其行为触犯了《中华人民共和国刑法》××××，犯罪事实清楚，证据确实、充分，应当以××罪追究其刑事责任。王某丁在共同犯罪中其次起次要作用，是从犯，依法应当从轻、减轻或者免除处罚；其到案后如实公式供述自己的罪行，是坦白，依法可从轻处罚。根据《中华人民共和国刑事诉讼法》××的规定，特对被告人王某丁提起公诉。请依法判处。", 
    "opinion": "", 
    "judge": 42
}

本次比赛的数据样例，该数据用于微调阶段：

{
    "caseCause": "走私普通货物、物品罪", 
    "justice": "经审理查明，2015年4月8日15时许，被告人刘某经拱北口岸旅检现场无申报通道进境，无书面向海关申报，被海关关员截查。关员从其携带的手提袋内查获“ ”牌酵素液2瓶、“”牌面霜1瓶、“”牌沐浴乳1瓶、“”牌洗碗精1瓶、“”牌果味软糖3瓶、“”牌花洒1个。被告人刘某自述其为赚取带工费人携带上列货物过关。经闸口海关核定，上述货物偷逃应缴税额共计人民币。 另查明，被告人刘某因走私分别于2014年8月17日、10月7日被闸口海关给予行政处罚。", 
    "opinion": "本院认为，被告人刘某一年内曾因走私被给予二次行政处罚后，又逃避海关监管，走私普通货物入境，其行为已构成走私普通货物罪。公诉机关指控的事实、罪名成立，应予支持。被告人刘某归案后如实供述自己的罪行，可从轻处罚。根据被告人刘某的犯罪情节和悔罪表现，适用缓刑确实不致再危害社会，可以宣告缓刑。依照《中华人民共和国刑法》第一百五十三条第一款第（一）项、第六十七条第三款、第七十二条第一款、第三款、第七十三条第一款、第三款、第五十二条、第六十四条的规定，", 
    "province": "广东省", 
    "judge": 1
}

四、评价指标

给定样本的预测刑期 $y_i^{\prime}$ 和真实刑期 $y_i$ ，当前样本的分数为:
$\operatorname{score}_i=\left\{\begin{array}{l} 1,\left|y_i-y_i^{\prime}\right| \leqslant 0.25 y_i \\ 0,\left|y_i-y_i^{\prime}\right|>0.25 y_i \end{array}\right.$
即预测刑期和真实刑期的偏离程度≤２5％视为正确，否则视为错误。测试集最终准确率为所有样本分数的均值。

五、解决方案

5.1、多任务预训练

所谓多任务预训练指的是在预训练阶段不仅仅是做了MLM任务，还利用往年数据做了一个有监督的分类任务，这种做法的动机是让预训练任务尽可能的贴近下游的微调任务，具体多任务损失函数设计如下：
$Loss_总=loss_{mlm}+loss_{cls}$

5.2、多任务预训练代码实现：

考虑到文本序列较长，本文在预训练基模型选型上选用了Nezha模型。

代码：

class NezhaPreTraining(NeZhaPreTrainedModel):
    _keys_to_ignore_on_load_unexpected = [r"seq_relationship"]

    def __init__(self, config):
        super().__init__(config)

        self.bert = NeZhaModel(config)
        self.cls = BertOnlyMLMHead(config)

        # 增加分类模块
        self.legal_cls = nn.Linear(config.hidden_size, config.num_labels)

        self.init_weights()

    def get_output_embeddings(self):
        return self.cls.predictions.decoder

    def set_output_embeddings(self, new_embeddings):
        self.cls.predictions.decoder = new_embeddings

    def forward(
            self,
            input_ids=None,
            attention_mask=None,
            token_type_ids=None,
            head_mask=None,
            position_ids=None,
            inputs_embeds=None,
            labels=None,
            next_sentence_label=None,
    ):
        outputs = self.bert(
            input_ids,
            attention_mask=attention_mask,
            token_type_ids=token_type_ids,
            head_mask=head_mask,
            inputs_embeds=inputs_embeds,
        )

        sequence_output, pooled_output = outputs[:2]
        prediction_scores = self.cls(sequence_output)
        seq_relationship_score = self.legal_cls(pooled_output)

        outputs = (prediction_scores, seq_relationship_score,) + outputs[2:]

        total_loss = None
        if labels is not None and next_sentence_label is not None:
            loss_fct = nn.CrossEntropyLoss()
            # MLM损失
            masked_lm_loss = loss_fct(prediction_scores.view(-1, self.config.vocab_size), labels.view(-1))
            # 分类损失
            next_sentence_loss = loss_fct(seq_relationship_score.view(-1, self.config.num_labels),
                                          next_sentence_label.view(-1))
            # 总损失
            total_loss = masked_lm_loss + next_sentence_loss
            outputs = (total_loss,) + outputs

        return outputs

5.3、微调

在比赛过程中，主要采用了两种模型结构实现微调，分别为Nezha+CNN、Nezha+LSTM和Nezha+Linear，下面直接上模型代码。

Nezha+CNN

class NeZhaCNN(NeZhaPreTrainedModel):
    def __init__(self, config):
        super().__init__(config)
        self.num_labels = config.num_labels
        self.bert = NeZhaModel(config)
        self.dropout = nn.Dropout(config.hidden_dropout_prob)
        self.filter_num = 256
        self.filter_sizes = [3, 4, 5]
        self.convs = nn.ModuleList([nn.Conv2d(1, self.filter_num, (k, config.hidden_size)) for k in self.filter_sizes])
        self.fc_cnn = nn.Linear(self.filter_num * len(self.filter_sizes), self.config.num_labels)
        self.classifier = nn.Linear(config.hidden_size, self.config.num_labels)
        self.init_weights()

    @add_start_docstrings_to_model_forward(BERT_INPUTS_DOCSTRING.format("batch_size, sequence_length"))
    def forward(
            self,
            input_ids=None,
            attention_mask=None,
            token_type_ids=None,
            position_ids=None,
            head_mask=None,
            inputs_embeds=None,
            labels=None,
    ):

        outputs = self.bert(
            input_ids,
            attention_mask=attention_mask,
            token_type_ids=token_type_ids,
            head_mask=head_mask,
            inputs_embeds=inputs_embeds,
        )

        last_hidden_state = outputs[0]
        x = last_hidden_state.unsqueeze(1)
        x = [F.relu(conv(x)).squeeze(3) for conv in self.convs]
        x = [F.max_pool1d(item, item.size(2)).squeeze(2) for item in x]
        x = torch.cat(x, 1)
        x = self.dropout(x)
        logits = self.fc_cnn(x)
        outputs = (logits,) + outputs[2:]

        if labels is not None:
            if self.num_labels == 1:
                loss_fct = MSELoss()
                loss = loss_fct(logits.view(-1), labels.view(-1))
            else:
                loss_fct = CrossEntropyLoss()
                loss = loss_fct(logits.view(-1, self.num_labels), labels.view(-1))
            outputs = (loss,) + outputs

        return outputs  # (loss), logits, (hidden_states), (attentions)

Nezha+LSTM

class NeZhaLSTM(NeZhaPreTrainedModel):
    def __init__(self, config):
        super(NeZhaLSTM, self).__init__(config)
        self.num_labels = config.num_labels
        self.bert = NeZhaModel(config)
        self.dropout = nn.Dropout(config.hidden_dropout_prob)
        self.lstm = []
        self.lstm_hidden_size = 512
        self.lstm_layers = 1
        self.lstm_dropout = 0.1
        for i in range(self.lstm_layers):
            self.lstm.append(nn.LSTM(config.hidden_size if i == 0 else self.lstm_hidden_size * 4, self.lstm_hidden_size,
                                     num_layers=1, bidirectional=True, batch_first=True).cuda())
        self.lstm = nn.ModuleList(self.lstm)

        self.classifier = nn.Linear(self.lstm_hidden_size * 2, self.config.num_labels)

        self.init_weights()

    @add_start_docstrings_to_model_forward(BERT_INPUTS_DOCSTRING.format("batch_size, sequence_length"))
    def forward(
            self,
            input_ids=None,
            attention_mask=None,
            token_type_ids=None,
            position_ids=None,
            head_mask=None,
            inputs_embeds=None,
            labels=None,
    ):

        outputs = self.bert(
            input_ids,
            attention_mask=attention_mask,
            token_type_ids=token_type_ids,
            head_mask=head_mask,
            inputs_embeds=inputs_embeds,
        )

        last_hidden_state = outputs[0]
        for lstm in self.lstm:
            try:
                lstm.flatten_parameters()
            except:
                pass
            output, (h_n, c_n) = lstm(last_hidden_state)
        x = h_n.permute(1, 0, 2).reshape(input_ids.size(0), -1).contiguous()
        x = self.dropout(x)
        logits = self.classifier(x)
        outputs = (logits,) + outputs[2:]  # add hidden states and attention if they are here
        if labels is not None:
            if self.num_labels == 1:
                #  We are doing regression
                loss_fct = MSELoss()
                loss = loss_fct(logits.view(-1), labels.view(-1))
            else:
                loss_fct = CrossEntropyLoss()
                loss = loss_fct(logits.view(-1, self.num_labels), labels.view(-1))
            outputs = (loss,) + outputs

        return outputs  # (loss), logits, (hidden_states), (attentions)

Nezha+Linear

class NeZhaForSequenceClassification(NeZhaPreTrainedModel):
    def __init__(self, config):
        super().__init__(config)
        self.num_labels = config.num_labels
        self.bert = NeZhaModel(config)
        self.dropout = nn.Dropout(config.hidden_dropout_prob)
        self.classifier = nn.Linear(config.hidden_size, config.num_labels)
        self.init_weights()

    @add_start_docstrings_to_model_forward(BERT_INPUTS_DOCSTRING.format("batch_size, sequence_length"))
    def forward(
            self,
            input_ids=None,
            attention_mask=None,
            token_type_ids=None,
            position_ids=None,
            head_mask=None,
            inputs_embeds=None,
            labels=None,
    ):

        outputs = self.bert(
            input_ids,
            attention_mask=attention_mask,
            token_type_ids=token_type_ids,
            head_mask=head_mask,
            inputs_embeds=inputs_embeds,
        )

        pooled_output = outputs[1]

        pooled_output = self.dropout(pooled_output)
        logits = self.classifier(pooled_output)

        outputs = (logits,) + outputs[2:]  # add hidden states and attention if they are here

        if labels is not None:
            if self.num_labels == 1:
                #  We are doing regression
                loss_fct = MSELoss()
                loss = loss_fct(logits.view(-1), labels.view(-1))
            else:
                loss_fct = CrossEntropyLoss()
                loss = loss_fct(logits.view(-1, self.num_labels), labels.view(-1))
            outputs = (loss,) + outputs

        return outputs  # (loss), logits, (hidden_states), (attentions)