自然語言處理（Natural Language Processing，簡稱NLP）是人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）領(lǐng)域中的一個重要方向，被譽為人工智能技術(shù)的一個掌上明珠；它研究能實現(xiàn)人與計算機之間用自然語言進(jìn)行有效通信的各種理論和方法，涉及面極為廣泛。國際知名學(xué)者周海中先生曾經(jīng)指出：“自然語言處理是極有吸引力的研究領(lǐng)域，它具有重大的理論意義和實用價值?！蹦壳埃琋LP已成為推動科技進(jìn)步的強大動力和提高綜合國力的關(guān)鍵支撐。

NLP主要研究能實現(xiàn)人與計算機之間用自然語言進(jìn)行有效通信的各種理論和方法。而用自然語言與計算機進(jìn)行通信，有著十分重要的實際應(yīng)用意義，也有著革命性的理論意義。實現(xiàn)人機間自然語言通信意味著要使計算機既能理解自然語言文本的意義，也能以自然語言文本來表達(dá)給定的意圖、思想等；前者稱為自然語言理解（Natural Language Understanding，簡稱NLU），后者稱為自然語言生成（Natural Language Generation，簡稱NLG）。因此，NLP大體包括了NLU和NLG兩個部分。因為處理自然語言的關(guān)鍵是要讓計算機“理解”自然語言，所以通常把NLU視為NLP，也稱為計算語言學(xué)。

NLP是一門融語言學(xué)、計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)于一體的科學(xué)。因此，這一領(lǐng)域的研究將涉及自然語言，即人們?nèi)粘Ｊ褂玫恼Z言，所以它與語言學(xué)的研究有著密切的聯(lián)系，但又有重要的區(qū)別。NLP并不是一般地研究自然語言，而是研制能有效地實現(xiàn)自然語言通信的計算機系統(tǒng)，特別是其中的軟件系統(tǒng)。因而它是計算機科學(xué)的一部分?？梢哉f，NLP是計算機科學(xué)、語言學(xué)、AI等關(guān)注計算機和人類語言之間的相互作用的領(lǐng)域。目前，人們對AI的需求也從計算智能、感知智能到了以NLP為代表的認(rèn)知智能的層面。沒有成功的NLP，就不會有真正的認(rèn)知智能。

由于AI包括感知智能（比如圖像識別、語言識別和手勢識別等）和認(rèn)知智能（主要是語言理解知識和推理），而語言在認(rèn)知智能起到最核心的作用。如果能把語言問題解決了，AI最難的部分也就基本解決了。美國微軟公司創(chuàng)始人比爾·蓋茨先生曾經(jīng)表示，”語言理解是人工智能領(lǐng)域皇冠上的明珠“。前微軟公司全球執(zhí)行副總裁沈向洋先生也在公開演講時說：“懂語言者得天下……下一個十年，人工智能的突破在自然語言的理解……人工智能對人類影響最為深刻的就是自然語言方面”。由于理解自然語言需要關(guān)于外在世界的廣泛知識以及運用操作這些知識的能力，所以NLP也被視為解決AI完備（AI-complete）的核心問題之一。可以說，NLP目前是AI領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，對它的研究也是充滿魅力和挑戰(zhàn)的。

最早的NLP研究工作是機器翻譯。1949年，美國知名科學(xué)家沃倫·韋弗先生首先提出了機器翻譯設(shè)計方案。20世紀(jì)60年代，許多科學(xué)家對機器翻譯曾有大規(guī)模的研究工作，耗費了巨額費用；但他們顯然是低估了自然語言的復(fù)雜性，加上語言處理的理論和技術(shù)均不成熟，所以進(jìn)展不大。當(dāng)時的主要做法是存儲兩種語言的單詞、短語對應(yīng)譯法的大辭典，翻譯時一一對應(yīng)，技術(shù)上只是調(diào)整語言的同條順序。但日常生活中語言的翻譯遠(yuǎn)不是如此簡單，很多時候還要參考某句話前后的意思，需要上下文聯(lián)系起來才能正確翻譯--這就是機譯技術(shù)難度高之所在。

　　大約20世紀(jì)90年代開始，NLP領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化。這種變化有兩個明顯的特征：

　?。?）對系統(tǒng)的輸入，要求研制的NLP系統(tǒng)能處理大規(guī)模的真實文本，而不是如以前的研究性系統(tǒng)那樣，只能處理很少的詞條和典型句子。只有這樣，研制的系統(tǒng)才有真正的實用價值。

　?。?）對系統(tǒng)的輸出，鑒于真實地理解自然語言是十分困難的，對系統(tǒng)并不要求能對自然語言文本進(jìn)行深層的理解，但要能從中抽取有用的信息。同時，由于強調(diào)了“大規(guī)?！焙汀罢鎸嵨谋尽?。

　　所以下面兩方面的基礎(chǔ)性工作也得到了重視和加強：

　?。?）大規(guī)模真實語料庫的研制。大規(guī)模的經(jīng)過不同深度加工的真實文本的語料庫，是研究自然語言統(tǒng)計性質(zhì)的基礎(chǔ)；如果沒有這樣的語料庫，統(tǒng)計方法只能是無源之水。

　?。?）大規(guī)模、信息豐富的詞典的編制工作。因此規(guī)模為幾萬，十幾萬，甚至幾十萬詞，含有豐富的信息（如包含詞的搭配信息）的計算機可用詞典對NLP的重要性是很明顯的。

系統(tǒng)的輸入與輸出這兩個特征在NLP的諸多領(lǐng)域都有所體現(xiàn)，其發(fā)展直接促進(jìn)了計算機自動檢索技術(shù)的出現(xiàn)和興起。實際上，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，以海量計算為基礎(chǔ)的機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)建模等技術(shù)的表現(xiàn)也愈發(fā)優(yōu)異。NLP之所以能夠度過“寒冬”，再次發(fā)展，也是因為計算機科學(xué)與統(tǒng)計科學(xué)的不斷結(jié)合，才讓人類甚至機器能夠不斷從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)“特征”并加以學(xué)習(xí)。不過要實現(xiàn)對自然語言真正意義上的理解，僅僅從原始文本中進(jìn)行學(xué)習(xí)是不夠的，我們還需要新的方法和模型。

目前存在的問題主要有兩個方面：一方面，迄今為止的語法都限于分析一個孤立的句子，上下文關(guān)系和談話環(huán)境對本句的約束和影響還缺乏系統(tǒng)的研究，因此分析歧義、詞語省略、代詞所指、同一句話在不同場合或由不同的人說出來所具有的不同含義等問題，尚無明確規(guī)律可循，需要加強語義學(xué)和語用學(xué)的研究才能逐步解決。另一方面，人理解一個句子不是單憑語法，還運用了大量的有關(guān)知識，包括生活知識和專門知識，這些知識無法全部貯存在計算機里。因此一個書面理解系統(tǒng)只能建立在有限的詞匯、句型和特定的主題范圍內(nèi)；計算機的貯存量和運轉(zhuǎn)速度大大提高之后，才有可能適當(dāng)擴大范圍。

由于語言工程、認(rèn)知科學(xué)等主要局限于實驗室，目前來看數(shù)據(jù)處理可能是NLP應(yīng)用場景最多的一個發(fā)展方向。實際上，自從進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，各大平臺就沒有停止過對用戶數(shù)據(jù)的深度挖掘。要想提取出有用的信息，僅提取關(guān)鍵詞、統(tǒng)計詞頻等是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須對用戶數(shù)據(jù)（尤其是發(fā)言、評論等）進(jìn)行語義上的理解。另外，利用離線大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方法進(jìn)行NLP任務(wù)的研究是目前非常有潛力的一種研究范式，尤其是谷歌、推特、百度等大公司在這類應(yīng)用上的成功經(jīng)驗，引領(lǐng)了目前大數(shù)據(jù)研究的浪潮。

NLP是為各類企業(yè)及開發(fā)者提供的用于文本分析及挖掘的核心工具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電商、金融、物流、醫(yī)療、文化娛樂等行業(yè)客戶的多項業(yè)務(wù)中。它可幫助用戶搭建內(nèi)容搜索、內(nèi)容推薦、輿情識別及分析、文本結(jié)構(gòu)化、對話機器人等智能產(chǎn)品，也能夠通過合作，定制個性化的解決方案。由于理解自然語言，需要關(guān)于外在世界的廣泛知識以及運用操作這些知識的能力，所以NLP也被視為解決強AI的核心問題之一，其未來一般也因此密切結(jié)合AI發(fā)展，尤其是設(shè)計一個模仿人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

訓(xùn)練NLP文本解析AI系統(tǒng)需要采集大量多源頭數(shù)據(jù)集，對科學(xué)家來說是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)：需要使用最新的深度學(xué)習(xí)模型，模仿人類大腦中神經(jīng)元的行為，在數(shù)百萬甚至數(shù)十億的注釋示例中進(jìn)行訓(xùn)練來持續(xù)改進(jìn)。當(dāng)下一種流行的NLP解決方案是預(yù)訓(xùn)練，它改進(jìn)了對未標(biāo)記文本進(jìn)行訓(xùn)練的通用語言模型，以執(zhí)行特定任務(wù)；它的思想就是，該模型的參數(shù)不再是隨機初始化，而是先有一個任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練得到一套模型參數(shù)，然后用這套參數(shù)對模型進(jìn)行初始化，再進(jìn)行訓(xùn)練，以獲得更好的預(yù)測性見解。

目前我們已經(jīng)進(jìn)入了以互聯(lián)網(wǎng)為主要標(biāo)志的海量信息時代，這些信息大部分是以自然語言表示的。一方面，海量信息也為計算機學(xué)習(xí)人類語言提供了更多的“素材”；另一方面，這也為NLP提供了更加寬廣的應(yīng)用舞臺。例如，作為NLP的重要應(yīng)用，搜索引擎逐漸成為人們獲取信息的重要工具，出現(xiàn)了以谷歌、百度等為代表的搜索引擎巨頭；機器翻譯也從實驗室走入尋常百姓家；基于自然語言處理的中文輸入法（如搜狗、微軟、谷歌等輸入法）成為計算機用戶的必備工具；帶有語音識別的計算機和手機也正大行其道，協(xié)助用戶更有效地生活、工作和學(xué)習(xí)。

現(xiàn)在，NLP領(lǐng)域已經(jīng)有了大量的人工標(biāo)注知識，而深度學(xué)習(xí)可以通過有監(jiān)督學(xué)習(xí)得到相關(guān)的語義知識，這種知識和人類總結(jié)的知識應(yīng)該存在某種對應(yīng)關(guān)系，尤其是在一些淺層語義方面。因為人工標(biāo)注，本質(zhì)上已經(jīng)給深度學(xué)習(xí)提供了學(xué)習(xí)的目標(biāo)；只是深度學(xué)習(xí)可以不眠不休地學(xué)習(xí)，這種逐步靠攏學(xué)習(xí)目標(biāo)的過程，可能遠(yuǎn)比人類總結(jié)過程來得更快更好。這一點，從谷歌公司旗下DeepMind研究團隊開發(fā)的圍棋軟件AlphaGo短時間內(nèi)連勝兩位人類圍棋高手的事實，似乎能夠得到驗證。

深度學(xué)習(xí)在NLP中的應(yīng)用非常廣泛，可以說橫掃NLP的各個應(yīng)用，從底層的分詞、語言模型、句法分析、語音識別等到高層的語義理解、語用闡釋、對話管理、知識問答等方面都幾乎都有深度學(xué)習(xí)的模型，并且取得了不錯的效果。有關(guān)研究已從傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)算法轉(zhuǎn)變成更有表現(xiàn)力的深度學(xué)習(xí)模型，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。不過，目前的深度學(xué)習(xí)技術(shù)還不具備理解和使用自然語言所必需的概念抽象和邏輯推理能力，還有待今后進(jìn)一步的研究。

互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎已經(jīng)有一段時間讓人們使用會話語言和術(shù)語來在線搜索事物。現(xiàn)在，谷歌公司的云端硬盤用戶已經(jīng)可以使用這一功能。用戶可以搜索存儲在谷歌云端硬盤中的文件和內(nèi)容，就像使用谷歌搜索提供的對云端硬盤內(nèi)置NLP的新支持一樣。該功能使用戶可以使用通常用詞組表達(dá)的查詢以及在實際對話中將要使用的查詢來更輕松地找到所需的內(nèi)容。谷歌公司在在線和移動搜索、移動應(yīng)用程序以及GoogleTranslate等服務(wù)中廣泛使用NLP；該公司在這一領(lǐng)域的研究是為提高機器閱讀和理解人類語言能力所做的更廣泛努力的一部分。隨著谷歌調(diào)整其算法，NLP應(yīng)該會隨著時間的推移變得更好。

英國劍橋量子計算公司（CQC）最近宣布，他們利用自然語言的“固有量子”結(jié)構(gòu)，開辟了一個全新的可能應(yīng)用領(lǐng)域。其通過將語法句子翻譯成量子線路，然后在量子計算機上實現(xiàn)生成的程序，并實際執(zhí)行問答。這是第一次在量子計算機上執(zhí)行NLP。通過使用CQC的一流的、平臺無關(guān)的可重定目標(biāo)編譯器t|ket？？，這些程序在IBM量子計算機上成功執(zhí)行并得到結(jié)果，整個突破朝著實現(xiàn)“意義感知”和“語法知悉”的NLP方向邁出了有意義的一大步--這是計算機時代早期以來計算機科學(xué)家及計算語言學(xué)家追尋的夢想。

美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員借助NLP技術(shù)日前開發(fā)出一種工具，可以評估新冠肺炎（COVID-19）患者的病例、社交媒體和健康衛(wèi)生數(shù)據(jù)。他們率先努力通過使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)查看來自各種來源的數(shù)據(jù)和信息（包括患者記錄、社交媒體和公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)）來尋找新冠肺炎病毒的解決方案。借助NLP工具，他們還可以搜索有關(guān)新冠肺炎病毒的在線信息，并了解爆發(fā)的當(dāng)前位置。另外，研究人員還利用NLP技術(shù)對新冠肺炎、藥物和疫苗等密集展開研究，同時包括臨床診斷與治療以及流行病學(xué)研究等。

中國阿里達(dá)摩院的NLP研究團隊最近提出優(yōu)化模型Struct BERT，能讓機器更好地掌握人類語法，加深對自然語言的理解。使用該模型好比給機器內(nèi)置一個“語法識別器”，使機器在面對語序錯亂或不符合語法習(xí)慣的詞句時，仍能準(zhǔn)確理解并給出正確的表達(dá)和回應(yīng)，大大提高機器對詞語、句子以及語言整體的理解力。這一技術(shù)已廣泛使用于阿里旗下阿里小蜜、螞蟻金服、優(yōu)酷等業(yè)務(wù)。阿里達(dá)摩院的語言模型和閱讀理解技術(shù)也被用于行業(yè)賦能，推進(jìn)AI技術(shù)在醫(yī)療、電力、金融等行業(yè)的落地。據(jù)悉，StructBERT模型最近被評為全球性能最強的NLP系統(tǒng)。

根據(jù)市場分析機構(gòu)Mordor Intelligence的一份報告，2019年全球NLP市場價值為109億美元，預(yù)計到2025年將達(dá)到348億美元，復(fù)合年增長率為21.5％。該報告指出，在過去的幾年中，深度學(xué)習(xí)架構(gòu)和算法在市場格局中取得了令人矚目的進(jìn)步，而語音分析解決方案正在主導(dǎo)著這一市場，因為傳統(tǒng)的基于文本的分析已不足以處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)問題。

總之，隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和海量信息的涌現(xiàn)，作為AI領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)和掌上明珠，NLP正在人們的生活、工作、學(xué)習(xí)中扮演著越來越重要的角色，并將在科技進(jìn)步與社會發(fā)展的過程中發(fā)揮越來越重要的作用。

文/林峰、李炎（作者單位分別為美國波士頓大學(xué)工學(xué)院、普渡大學(xué)科技學(xué)院）