引言
在自然语言处理（NLP）任务中，数据质量是模型性能的关键因素之一。重复或冗余的数据会导致模型过度拟合或浪费计算资源，特别是在大语言模型（如 BERT、GPT 系列等）训练和推理阶段。传统的基于字符匹配的去重方法（如字符串哈希或编辑距离）在面对语义相似的文本时表现有限，而语义相似度算法则能更好地捕获文本之间的深层语义关系。
本文将介绍一种基于语义表示的去重方法，通过大语言模型生成的嵌入向量结合高效的相似度计算工具（如 FAISS），对大规模文本数据进行去重。此方法不仅适用于数据清洗，还可以应用在搜索引擎、推荐系统等需要衡量语义相似度的场景。
原理与方法
1. 传统去重方法的局限性
在 NLP 任务中，传统的去重方法包括：
- 字符串哈希：
基于文本的哈希值进行判重，适合完全重复的文本，但无法处理语义相似但表达不同的情况，例如：- 文本 A：我喜欢吃苹果。
- 文本 B：苹果是我最喜欢的水果。
虽然两者语义相近，但哈希值完全不同。
- 编辑距离（Levenshtein Distance）：
衡量两个字符串的编辑代价，适合处理少量字符差异的文本，但无法捕捉深层语义关系。
上述方法对文本的语义相似性缺乏鲁棒性，特别是在短文本或同义表达常见的场景下。例如，问答生成、文档去重、语料清洗等任务中，语义相似的重复数据可能会严重影响模型性能。
2. 基于语义嵌入的去重
语义嵌入（Semantic Embedding）是一种将文本映射到高维向量空间的技术，向量的物理距离或角度可以反映文本语义的相似程度。常见的嵌入生成模型包括：
- BERT、RoBERTa、GPT 等大语言模型：能够生成上下文相关的语义表示。
- Sentence-BERT（SBERT）：专为语义相似度任务设计，提升了嵌入的语义表达能力。
基本流程：
-
- 文本嵌入生成：
使用大语言模型将文本转化为固定维度的向量表示（如 768 维）。
- 文本嵌入生成：
-
- 相似度计算：
通过数学距离（如余弦相似度或内积）衡量文本向量之间的相似性。
- 相似度计算：
-
- 去重判断：
基于相似度阈值判断文本是否为重复内容。
- 去重判断：
3. 相似度计算方法对比
在语义嵌入的基础上，常用的相似度计算方法包括：
3.1. 余弦相似度（Cosine Similarity）
余弦相似度衡量两个向量的夹角余弦值，范围为 [ − 1 , 1 ] [-1, 1] [−1,1]，归一化后范围为 [ 0 , 1 ] [0, 1] [0,1]。公式如下：
Cosine Similarity ( A , B ) = A ⋅ B ∥ A ∥ ∥ B ∥ \text{Cosine Similarity}(A, B) = \frac{A \cdot B}{\|A\| \|B\|} Cosine Similarity(A,B)=∥A∥∥B∥A⋅B
- 优点：消除向量模长的影响，只关注向量方向。
- 缺点：计算开销稍高。
3.2. 内积相似度（Inner Product Similarity）
内积相似度直接计算两向量的点积值：
Inner Product ( A , B ) = A ⋅ B \text{Inner Product}(A, B) = A \cdot B Inner Product(A,B)=A⋅B
- 优点：计算简单，速度快。
- 缺点：受向量模长影响，需要确保输入向量已归一化（模长为 1），否则结果不等价于余弦相似度。
欧几里得距离（Euclidean Distance）
衡量两个向量在高维空间中的直线距离：
Euclidean Distance ( A , B ) = ∑ i = 1 n ( A i − B i ) 2 \text{Euclidean Distance}(A, B) = \sqrt{\sum_{i=1}^n (A_i - B_i)^2} Euclidean Distance(A,B)=i=1∑n(Ai−Bi)2
- 优点：适合绝对位置相关的任务。
- 缺点：不适合捕获方向性的语义相似度。
4. 高效的大规模相似度计算
直接比较所有嵌入向量的相似度在大规模数据中效率低下（复杂度为 O ( n 2 ) O(n^2) O(n2)）。为此，我们借助 FAISS（Facebook AI Similarity Search）工具，能够在百万级甚至亿级数据中高效实现近似最近邻搜索。
4.1. FAISS 简介
FAISS 是一个高效的相似度搜索库，专为高维向量的最近邻搜索设计，支持以下特性：
- 多种索引结构：
- Flat：暴力搜索，适合中小规模数据。
- IVF（倒排文件索引）：适合大规模数据。
- PQ（分组量化）：进一步压缩内存占用。
- GPU 加速：支持 GPU 版本，在大规模数据上极大提升搜索速度。
- 灵活的距离度量：支持内积、余弦、欧几里得距离等。
4.2. 使用 FAISS 的语义去重流程
- 初始化 FAISS 索引：选择适合任务的数据结构（如 IndexFlatIP）。
- 添加向量：将嵌入向量添加到索引。
- 查询相似度：对每个新向量，查找与索引中最近的向量，判断是否重复。
代码实现
import json
from transformers import BertTokenizer, BertModel
import torch
from tqdm import tqdm
import faiss
from typing import List, Dict, Unionclass TextDeduplicatorWithFAISS:"""使用 FAISS 索引实现的文本去重类（基于余弦相似度）。"""def __init__(self, model_name: str = 'bert-base-chinese', device: str = None) -> None:"""初始化文本去重类。参数:- model_name: 使用的预训练模型名称，默认为 'bert-base-chinese'。- device: 指定运行设备（'cpu' 或 'cuda'），默认为自动检测。"""self.tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained(model_name)self.model = BertModel.from_pretrained(model_name)self.device = device if device else ('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')self.model = self.model.to(self.device)# 初始化 FAISS 索引self.embedding_dim = 768 # BERT 输出嵌入维度self.index = faiss.IndexFlatIP(self.embedding_dim) # 使用内积（IP）作为相似度度量self.index_ids = [] # 存储对应嵌入的 ID，方便后续处理def get_embeddings(self, texts: List[str]) -> torch.Tensor:"""计算文本的嵌入表示，并进行归一化。参数:- texts: 要计算嵌入的一组文本列表。返回:- 归一化后的文本嵌入张量，形状为 (batch_size, hidden_size)。"""inputs = self.tokenizer(texts, return_tensors="pt", padding=True, truncation=True, max_length=512)inputs = inputs.to(self.device) # 将输入张量移动到指定设备with torch.no_grad(): # 禁用梯度计算以节省内存outputs = self.model(**inputs)embeddings = outputs.last_hidden_state[:, 0, :].cpu() # 获取 [CLS] 的嵌入并移动到 CPU# 对嵌入进行归一化处理（实现余弦相似度）embeddings = embeddings / torch.norm(embeddings, dim=1, keepdim=True)return embeddingsdef is_duplicate(self, embedding: torch.Tensor, threshold: float = 0.9) -> bool:"""检查一个嵌入是否与 FAISS 索引中的嵌入重复。参数:- embedding: 待检查的嵌入向量，形状为 (1, hidden_size)。- threshold: 相似度的阈值，默认为 0.9。返回:- 是否为重复项（True / False）。"""if self.index.ntotal == 0: # 如果索引为空，肯定不是重复return False# 通过 FAISS 查找最近的向量及其相似度embedding_np = embedding.numpy() # 转为 NumPy 格式distances, _ = self.index.search(embedding_np, k=1) # 查找最近的 1 个向量# 检查最近向量的相似度是否高于阈值max_similarity = distances[0][0] # FAISS 返回的是归一化向量的内积（等价于余弦相似度）return max_similarity >= thresholddef add_to_index(self, embedding: torch.Tensor, doc_id: int) -> None:"""将新的嵌入添加到 FAISS 索引中。参数:- embedding: 要添加的嵌入向量，形状为 (1, hidden_size)。- doc_id: 该嵌入对应的文档 ID。"""embedding_np = embedding.numpy() # 转为 NumPy 格式self.index.add(embedding_np) # 添加到索引中self.index_ids.append(doc_id) # 保存对应的文档 IDdef process_and_save(self, input_path: str, output_path: str, threshold: float = 0.9) -> None:"""处理输入文件，去除相似文本并保存到输出文件。参数:- input_path: 输入 JSONL 文件路径。- output_path: 输出 JSONL 文件路径。- threshold: 去重的相似度阈值，默认值为 0.9。"""doc_id = 0 # 用于标记每条文档的唯一 IDwith open(input_path, 'r', encoding='utf-8') as infile, open(output_path, 'w', encoding='utf-8') as outfile:for line in tqdm(infile, desc="Processing lines"):item: Dict[str, Union[str, int, float]] = json.loads(line) # 从 JSONL 文件中读取一条数据output_text: str = item['output'] # 获取文本内容# 获取当前文本的嵌入current_embedding = self.get_embeddings([output_text])# 检查是否为重复if not self.is_duplicate(current_embedding, threshold):# 如果不重复，保存文本，并将嵌入添加到索引outfile.write(json.dumps(item, ensure_ascii=False) + '\n')self.add_to_index(current_embedding, doc_id)doc_id += 1# 使用示例
if __name__ == "__main__":# 初始化去重器deduplicator = TextDeduplicatorWithFAISS(model_name='bert-base-chinese')# 去重并保存结果deduplicator.process_and_save(input_path='=./processed_unique_data-5.jsonl',output_path='=./processed_unique_data-6.jsonl',threshold=0.95)
数据示例：
{"id": 1, "output": "什么是人工智能？人工智能是指让机器具备人类智能的技术。"}
{"id": 2, "output": "人工智能的定义是什么？人工智能是赋予机器类似人类智能的能力。"}
总结
本文介绍了一种基于语义嵌入的大规模文本去重方法，通过结合大语言模型（如 BERT）和高效相似度搜索工具（FAISS），实现了对语料库的语义级去重。该方法具有以下优点：
- 高精度：捕捉语义相似性，避免遗漏同义表达的重复数据。
- 高扩展性：支持大规模数据处理，适用于百万级文本的去重任务。
- 通用性强：不仅适用于去重，还可扩展至相似文本检索、推荐系统等任务。