来源 阿里语音AI 公众号
1.背景
任务型语音对话系统主要由以下的模块组成，分别是语音识别(ASR)、自然语言理解(语义理解， NLU)、对话管理(DM)、自然语言生成(NLG)和语音合成(TTS)。
图 1任务型语音对话系统交互流程
语音识别是任务型对话系统交互任务唤醒后的首要环节，也是后续模块处理的基础。然而在语音交互过程中，说话人的口音、环境噪音，或者语句内容本身的同音多词等因素，会造成语音识别错误。图1展示的串行流程的语音对话系统中，识别错误会逐级传递放大，并累积至后续链路，最终造成对话任务的失败。
图 2错误累积图示
本文主要详细介绍语音对话中的纠错系统。纠错系统旨在对错误的语音识别结果进行鲁棒理解和修正，给业务后续搜索提供更准确的输入，以及改善识别展示结果。
图 3纠错示例
纠错系统将主要应用在以下业务中：
智能语音电视，使得人们可以通过语音对话技术来控制电视机，包括使用语音来搜索播放歌曲、视频、进行各种命令控制以及查询信息服务等，从繁琐的遥控器文字输入中解脱出来。
高德语音助手，秉承AI赋能出行业务的目标，通过语音交互的方式高效搜索地点规划路线、查询多种内容服务、操作各种出行设置，让用户在导航过程中解放双手，降低行驶过程中操作屏幕的风险。
2.研究现状
在文本纠错任务上， 学术界目前的主流是使用端到端模型， 输入是原始文本，输出是纠错后的文本。最近ICASSP2020的论文[1], 使用基于BERT的神经网络翻译(NMT)模型对语音识别结果进行纠正。这样的方式避免了人工特征提取的步骤，依靠端到端模型“直接”完成纠错任务。ACL2020的论文 [2]，通过联合训练基于BiGRU的检测网络和基于BERT的修正网络，预测输入序列每个位置对应的纠正词。这些模型都需要大量高质量的训练数据保障模型效果。同时，端到端的模型无法直接更新纠错词库，需要重新训练模型或增加额外模块。
另一个方向是工业界普遍采用的分阶段纠错架构，通常分为错误检测、候选召回、纠错排序、纠错结果评估等多个阶段。分阶段模块化的设计，方便各模块单独优化，落地的效果比较好。友商的纠错系统，有的是基于通用领域的纠错，有的是针对文法、拼写错误场景的纠错，而我们的纠错任务面向任务型对话垂直领域的语音识别文本，需要针对我们实际的业务需求设计纠错架构。
3.问题和痛点
在系统的分析了我们的纠错任务面临的问题和痛点之后， 我们做了相应的纠错系统设计， 如下表总结。我们的目标是构建高效、易复用、可闭环的纠错系统，解决系统和业务上的问题和痛点。
4.纠错系统介绍
4.1整体框架
整体上我们采用分阶段的纠错架构，来解决任务型语音对话中的识别错误问题。纠错系统主要有三个模块组成，分别是实体词抽取、纠错候选召回和纠错候选排序。纠错系统的最终输出，可以用于后续链路的搜索，以及修正语音识别回显文字。
图 4纠错系统整体架构
4.2实体词抽取
实体词抽取模块负责抽取句子中的实体词， 完成错误定位。任务型对话系统的语音识别输入通常是短文本，意图都是限定领域的。一个常见的用户输入通常包含多个组成部分，包括动词、实体词、语气词等。其中，动词和实体词是句子中的关键信息。动词变化少，ASR识别较少出错，而实体词量级巨大，往往是ASR识别错误最多的部分。所以，我们可以将错误定位的任务转化为实体词抽取任务。
图 5实体词抽取模块输入输出
我们使用BERT模型作为实体词抽取模型。具体的，我们首先采用AliNLP工具对输入语句进行分词和词性标注，并引入业务相关的词典信息，对每个词标注词典信息。BERT的输入特征包含词信息、词性信息、词典信息以及位置信息。
我们首先采用中文维基数据进行BERT预训练，任务分别是句子填空和下一句预测，再使用标注语料在我们的任务上进行fine-tune。虽然BERT是命名实体抽取任务的state-of-the-art (SOTA) 模型，但是在我们的实体词抽取任务中，最初只达到了83.04% F1 score。分析错误case，发现问题主要集中在语音识别错误的情况下，而这恰恰是纠错系统需要解决的场景。因此，针对这个问题，我们对训练数据进行增强。我们使用业务NLU语法规则 (JSGF) 展开 （图7） 来丰富训练数据，将训练数据量级提升至百万级别。然后我们模拟真实语音识别的错误分布，引入了约20%包含识别错误的数据。识别错误的样本中，替换错误约占77%，删除错误占18%，插入错误占5%。进行数据增强后，我们的训练数据分布基本与线上实际分布一致，重新训练调优后，实体词抽取F1 score从 83.04% 优化至95.58%。
图 6实体词抽取实验结果
图 7使用业务规则生成训练数据
图 8语音识别错误分布
4.3纠错候选召回
纠错候选召回模块用来召回可能的纠错结果。根据不同业务的需求，我们建立了三种可选的召回链路。
第一种是基于本地自建的召回方式。经典的召回算法有基于编辑距离和基于倒排索引的方式。基于编辑距离的算法需要遍历词库中的所有词条，非常耗时。即使使用基于优化搜索空间的BK-tree算法[3]，在选取编辑距离等于2的条件下，仍需要计算约20%词条的编辑距离。而业务实体词库中的词条数量基本都是百万以上级别的，这样的算法远远达不到接入的性能要求。基于倒排索引的算法可以有效解决效率问题，传统方法使用分词后的词汇作为索引来存储。但是纠错系统中的召回步骤，搜索串往往是包含错误的，分词后查询难以匹配正确的词条。所以，我们采用基于拼音索引的方式来存储，即使包含错误，查询操作仍具有泛化性。为了保证召回数量可控，我们提出了一种基于可回退的拼音n-gram倒排索引算法，如图9所示，建立索引时使用各阶拼音n-gram作为键值，召回时优先查询高阶键值，无法满足数量阈值时回退到低阶键值查询，保证召回数量。图9展示了建立索引时的流程：获取词典条目后，使用业务规则 （例如图10）对词条进行泛化以及获取别名，随后通过我们提出的基于可回退的拼音n-gram倒排序算法，以各阶拼音n-gram作为键值存储词条。
图 9可回退的拼音n-gram倒排索引算法建立索引流程
图 10业务泛化规则
对比经典的搜索算法，我们的算法在召回速度和数量上均达到了最优。
图 11召回算法对比。视频名词库约50万条，query=小猪倍琦
第二种召回方式是使用开源的Elastic Search引擎进行召回。我们采用词条的拼音名作为索引项，按照词条长度以及城市信息对索引表进行分片，多机房部署服务，降低网络开销。最终在保证召回效果的情况下，我们将ES搜索耗时降低到10ms以内，满足了业务接入需求。
第三种召回方式是使用业务方自带的搜索接口，比如高德地名查询、虾米音乐查询、优酷视频查询等。在不增加额外开发工作的情况下，可以进一步丰富我们的召回链路。
图 12搜索召回处理流程
图12展示了处理搜索召回的流程。对于实体词抽取结果，我们根据一定的业务规则进行预处理，生成多个候选结果，提供给纠错排序模块处理。
4.4纠错候选排序
纠错候选排序模块，根据各种特征，对所有召回结果做一个排序，得到最终匹配结果提供给后续业务使用。
图 13纠错候选排序模块流程
图13展示了纠错候选排序的整体流程。纠错系统上线前，最大的问题是数据冷启动。对此，我们首先构建了一种基于规则的pointwise排序算法。核心思想是定义一系列匹配先验规则，综合构成匹配计算函数，对每一个召回结果计算得分，并根据得分进行整体排序。
给定用户语音识别结果
，对每个召回结果
，我们计算匹配度
其中
是手工调整的匹配系数， 
是根据众包数据总结出来的匹配先验规则，主要有以下层面：
- 拼音层面：声母近似（平翘舌等）、韵母近似（前后鼻音等）、整体近音、方言等
- 字层面：编辑距离、公共子串、公共子序列等
- 业务层面：PV、城市信息等
对每个匹配先验规则
，我们将其得分归一化至0-1区间，系数
求和值为1，最后得到的匹配度得分
分布于0-1区间。
由于规则算法需要构建大量的匹配规则并手工调整系数，我们接下来使用了基于模型的pointwise排序算法，对每个召回样本进行二分类，选取正例结果对应概率作为置信度，参与整体样本排序。同样的，由于上线前我们没有真实的训练数据，我们采样选取了数百万条实体词条，模拟语音识别错误，生成对应的模拟用户输入结果。通过规则排序算法进行自动标注，按照正负例1:10的比例选取约十万条数据用于最终的模型训练。
我们将上述匹配先验规则作为模型的特征输入，分别对比了LR、SVR、MLP、Wide & Deep等模型。由于整体数据量数据偏少，在我们的测试集上，深度模型的效果并不佳，相比之下SVR模型取得了最好的效果，并且显著优于规则算法。
图 14纠错候选排序算法对比
4.5 语音识别回显优化
纠错后的实体词，一方面可以用于业务搜索，另一方面可以优化语音识别的回显结果。在与用户实际发音差异较小的情况下，改写语音识别回显内容，能够提高结果的一致性，削弱用户对语音识别错误的感知。
在纠错排序模块中获得最终top1结果后，我们并不能直接将其替换语音识别的原始内容，因为原始语音和纠错词条的发音可能未必一一对应，我们可以看一个例子。
图 15语音识别回显优化的例子
在这个例子中，用户的语音输入是“菏泽鲁星医院”，而匹配的词条是“菏泽市鲁心医院”。识别的错误是将“心”识别成了“星”，但是匹配词条中还有被用户省略的“市”这个字。使用词条直接替换会导致识别结果和用户真实发音不一致，这是回显优化需要尽量避免的情况。在这里，我们提出了一种基于拼音相似的公共子序列算法，通过查询原始串和替换串的拼音，找出拼音相似的最长连续路径。在实际业务中，我们应用了这个算法，相比直接限制原始串和替换串拼音需一一对应的方式，提升了相对约10%的识别回显改写率。
5.业务结果
纠错系统已经在多个业务上落地，均取得了不错的效果。
电视线业务，是将语音对话技术应用于电视机，避免繁琐的大屏遥控器文字输入，可以直接用语音搜索歌曲、视频，进行命令控制等。在这个项目中，歌手名、演员名、音乐名、视频名都是百万乃至千万级的数据。我们支持了人名、视频名、歌曲名等多个槽位的纠错能力，提升了绝对1.3%的全链路对话成功率。
高德语音助手，顾名思义，是高德地图app中的语音助手。在app中可以通过语音交互的方式查询地点、规划路线、查询限号、天气等。在高德语音助手项目中，每天90%的用户请求是查询地点和规划路线，而全国的地点名量级上亿，地名识别很容易发生错误。在这个项目中，我们支持了地名的纠错能力，提升了绝对1.0%的全链路对话成功率。在语音识别回显优化上，提升了绝对2.1%的语音识别回显准确率。
钉钉找人项目，是在钉钉上通过语音找人，比如说“打电话给xxx”，可以方便进行沟通。集团中人名、花名、备注名等说法复杂，语音识别也往往不准确。我们支持了人名类等纠错能力，使得在亲密度列表（top200）人名的识别准确率由88.1%提升至94.5%。
6.未来展望
接下来我们会继续优化纠错系统，主要包括以下几个方向的工作：
1.新业务的快速领域迁移能力，例如使用一些few-shot learning算法。
2.尝试引入更多特征，例如语音识别的声学特征以及用户个性化的特征。
3.尝试研究结合END2END模型，增强纠错系统的整体性能。
参考文献
[1] Oleksii Hrinchuk and Mariya Popova and Boris Ginsburg. “Correction of Automatic Speech Recognition with Transformer Sequence-to-sequence Model”. In Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), 2020.
[2] Shaohua Zhang, Haoran Huang, Jicong Liu, Hang Li. “Spelling Error Correction with Soft-Masked BERT“. In Proceedings of Annual Meeting of the Association for
Computational Linguistics (ACL) , 2020.
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/BK-tree
智能语音产品官网链接：
https://ai.aliyun.com/nls
