# 学術ドメインに特化した日本語事前訓練モデルの構築

山内 洋輝 1 梶原 智之 ${ }^{1}$ 桂井麻里衣 ${ }^{2}$ 大向一輝 3,4 二宮崇 ${ }^{1}$
1 愛媛大学 2 同志社大学 3 東京大学 4 国立情報学研究所
yamauchi@ai.cs.ehime-u.ac.jp \{kajiwara,ninomiya\}@cs.ehime-u.ac.jp
katsurai@mm.doshisha.ac.jp i2k@l.u-tokyo.ac.jp

## 概要

本研究では、日本語の学術文書を用いて RoBERTa および BARTを事前訓練し、公開する。近年の自然言語処理では、事前訓練モデルの転移学習によって、様々なタスクの性能が向上している。特に、専門用語の扱いが重要となる医療や学術などのドメインにおいては、目的ドメインに特化した事前訓練の有効性が報告されている。我々は、学術データベー ス CiNii Articles の論文抄録を用いて、日本語の学術ドメインにおける事前訓練モデルを構築する。科研費の研究課題名を対象とする評価実験の結果、汎用モデルに対する提案モデルの有効性を確認した。

## 1 はじめに

様々な分野と言語において、研究成果が学術論文として日々Web 上に蓄積されている。例えば、自然言語処理の分野の英語論文は ACL Anthology ${ }^{1)}$ 上に現在およそ 8.1 万件が公開されている。これらの大量の学術論文から人手で漏れなく知識を得るには大きなコストがかかるため、自然言語処理を用いた情報抽出 $[1]$ および知識獲得 $[2,3]$ が期待されている。現在主流の深層学習に基づく自然言語処理では、高品質なモデルを得るために、大規模なラベル付きコーパスを用いた教師あり学習が有効である。しかし、学術分野などの専門用語の扱いが重要なドメインにおいては、専門知識を持つアノテータが必要であり、アノテーションのコストが非常に高い。そのため、様々なドメイン・タスク・言語において、大規模なラベル付きコーパスが得られない少資源問題が大きな課題となっている。

近年の自然言語処理では、少資源問題の対策として、BERT [4] や BART [5] のような大規模な生コー パスを用いた事前訓練モデルの転移学習が広く利

1) https://aclanthology.org/用されている。特に、医療 [6] ・学術 [7, 8] ・ SNS [9] などのドメインでは、目的ドメインに特化した事前訓練の有効性が報告されている。日本語では、 Wikipedia ${ }^{2}$ や CC100 [10] を用いて事前訓練された汎用モデル334)5) とともに、医療 [11] や $\mathrm{SNS}^{6}$ ののドメインに特化した事前訓練モデルが公開されている。しかし、SciBERT [7]のような、学術ドメインに特化した日本語の事前訓練モデルは公開されていない。

本研究では、日本語における学術ドメインの自然言語処理の性能改善のために、学術データベース $\mathrm{CiNii} \mathrm{Articles}^{7)}$ の論文抄録を用いて事前訓練モデルを構築した。我々は、CiNii Articles に所蔵されている日本語論文のうち約 127 万件から抽出した約 628 万文の論文抄録テキストを用いて、RoBERTa [12] および BART [5] に相当する事前訓練を行った。前者は、テキスト分類などの利用を想定した事前訓練済みエンコーダモデルであり、以降は Academic $\left.\mathrm{RoBERTa}^{8}\right)$ と呼ぶ。後者は、テキスト生成などの利用を想定した事前訓練済みエンコーダ・デコーダモデルであり、以降は Academic BART9) と呼ぶ。

学術ドメインにおける日本語の文分類および文対分類の評価実験の結果、汎用モデルである東北大 $\mathrm{BERT}^{3)}$ および早大 $\mathrm{RoBERTa}^{4)}$ と比較して、学術ドメインに特化した Academic RoBERTa の有効性を確認できた。また、学術ドメインにおける日本語のへッドライン生成の評価実験の結果、汎用モデルである京大 $\mathrm{BART}^{5}$ )と比較して、学術ドメインに特化した Academic BART の有効性を確認できた。

2) https://ja.wikipedia.org/

3) https://huggingface.co/cl-tohoku/bert-base-japanese

4) https://huggingface.co/nlp-waseda/ roberta-base-japanese

5） https://nlp.ist.i.kyoto-u.ac.jp/?BART 日本語 Pretrained モデル

6) https://github.com/hottolink/hottoSNS-bert

7) https://ci.nii.ac.jp/

8) https://github.com/hirokiyamauch/AcademicRoBERTa

9) https://github.com/hirokiyamauch/AcademicBART

## 2 日本語学術文書を用いた事前訓練

本研究では、日本語における学術ドメインの自然言語処理の性能改善のために、学術ドメインに特化した日本語事前訓練モデルを構築し、公開する。まず 2.1 節において、学術論文情報データベース $\mathrm{CiNii}$ $\mathrm{Articles}^{7)}$ から論文抄録を抽出し、事前訓練用の日本語コーパスを作成する。そして 2.2 節において、本コーパス上で単語穴埋め $[5,12]$ の事前訓練を行う。

## 2.1 コーパスの作成

国立情報学研究所が運用する学術論文情報データベース CiNii Articlesを用いて、学術ドメインに特化した日本語コーパスを作成した。2022 年 3 月時点で CiNii Articles に収録されていた学術論文のうち、平仮名または片仮名を含む約 127 万件の論文抄録を抽出し、以下の 5 段階の前処理を施して約 628 万文 （約 1.8 億語）のコーパスを作成した。

1. 定型表現の削除

2. 文分割

3. 日本語文の抽出

4. 重複文の削除

5. 文字数制限

それぞれの前処理ステップにおけるコーパスサイズの変化を表 1 に示す。

定型表現の削除対象とした論文抄録には、「論文タイプ || 研究ノート」や「特集乱流の数値シミュレーション（NST）その 3」など、自動的な情報抽出によるノイズが含まれる。これらの定型表現をコーパスから除外するために、同一文書が一定回数以上出現する際に、それらの文書を削除する。なお、論文抄録のテキストとしては適切なものの、ID などの登録ミスの影響で同一文書が $5 \sim 6$ 回出現するという例が見られたため、定型表現として判定する際の閾値を 7 回以上と設定した。

文分割上記の前処理によって得られた約 115 万文書に対して、文への分割を行う。ルールベースの文分割 ${ }^{10)}$ によって、約 730 万文が得られた。

日本語文の抽出日本語以外の言語で書かれた文を削除し、日本語文のみを得る。ただし、専門用語は他言語で表現される場合が少なくないため、文字単位で数えて間値以上の割合が日本語（平仮名または片仮名または漢字) である文を抽出する。本研究

10) https://github.com/wwwcojp/ja_sentence_segmenter表 1 前処理によるコーパスサイズの変化

では、この閾値を 0.5 に設定することで約 62 万文を削除し、約 668 万文の日本語文を得た。

重複文の削除高頻度な表現によるバイアスを防ぐために、「下腹部痛を主訴に来院」などの特定の分野において頻出する文や「その結果を以下に示す」などの学術論文における定型文を削除する。文単位での重複がある場合に、その文を 1 回だけコー パスに含めることで約 35 万文を削除し、約 633 万文の重複のない日本語文を得た。

文字数制限定型表現の検出漏れや文分割のエラーを取り除くために、極端な短文および長文を削除する。10 文字未満の文には「(編集委員会作成)」 などの実際の論文抄録には含まれないと考えられる表現が多く見られた。そこで本研究では、 10 文字以上 200 文字以下の文を抽出することで、最終的に約 628 万文のコーパスを作成した。

## 2.2 事前訓練

Academic RoBERTa 2.1 節のコーパスを用いて、 マスク言語モデリング [12] の事前訓練を行う。前処理として、SentencePiece ${ }^{11)}$ [13] によるサブワー ド分割を実施し、語彙サイズは 32,000 とした。 fairseq ${ }^{12)}[14]$ の実装を用いて、roberta-base と同じ構造（隠れ層が 12 層、次元数が 768 次元、自己注意のヘッド数が 12 個）の Transformer [15]を訓練した。最大入力トークン数は 512、バッチサイズは 64 文、 Dropout 率は 0.1 とし、最適化には Adam [16] を用いた。学習率スケジューリングには polynomial decay を用い、最大の学習率は 0.0001 、Warmup ステップは 1 万とした。先行研究4) との公平な比較のために、訓練ステップ数は 70 万ステップとした。

Academic BART 2.1 節のコーパスを用いて、雑音除去自己符号化 [5] の事前訓練を行う。 fairseq ${ }^{12)}$ [14] の実装を用いて、bart-base と同じ構造

11) https://github.com/google/sentencepiece

12) https://github.com/facebookresearch/fairseq
（encoder-decoder 層が 6 層、次元数が 768 次元、自己注意のヘッド数が 12 個）の Transformer [15] を訓練した。最大入力トークン数は 512、バッチサイズは 16 文 (8 回の勾配蓄積)、Dropout 率は 0.1 とし、最適化には Adam [16] を用いた。学習率スケジューリングには polynomial decay を用い、最大の学習率は 0.0005、Warmup ステップは 1 万とした。先行研究5) との公平な比較のために、訓練ステップ数は 50 万ステップとした。なお、事前訓練には 4 枚の GPU （RTX A6000 48GB）を使用した。

## 3 評価実験

学術ドメインに特化した我々の事前訓練モデルの有効性を評価するために、科学研究費補助金 (科研費）の研究課題名を対象とする評価実験を通して、既存の汎用的な日本語事前訓練モデルと比較する。

## 3.1 比較手法

日本語の汎用的な事前訓練済みエンコーダモデルである東北大 $\mathrm{BERT}^{3}$ ) および早大 $\mathrm{RoBERTa}^{4}$ ) との比較によって、学術ドメインに特化した Academic RoBERTa の有効性を評価する。これらの比較手法は、どちらも Academic RoBERTa と同じ構造の Transformer [15] であり、同じサイズの語彙を持っている。ただし、事前訓練に用いるコーパスやその前処理、訓練時のハイパーパラメータが異なる。

東北大 BERT は、日本語 Wikipedia の約 1,700 万文で事前訓練された BERT [4] である。前処理として、MeCab（IPADIC）[17]による形態素解析および WordPiece [18] によるサブワード分割を行っている。最大入力トークン数は 512 、バッチサイズは 256 文であり、100万ステップの訓練を実施している。

早大 RoBERTa は、日本語 Wikipedia および CC100 [10] の日本語約 40 億文で事前訓練された RoBERTa [12] である。前処理として、Juman++ [19] による形態素解析および SentencePiace [13] によるサブワード分割を行っている。最大入力トークン数は 128、バッチサイズは 256 文 ( $\times 8$ GPU $)$ であり、 70 万ステップの訓練を実施している。

Academic BART との比較には、日本語の汎用的な事前訓練済みエンコーダ・デコーダモデルである京大 BART ${ }^{5}$ を用いる。京大 BART は、日本語 Wikipedia の約 1,800万文で事前訓練された BART [5] である。前処理として、Juman++ [19] による形態素解析および SentencePiace [13] によるサブワード分割表 2 評価用データセットの統計

を行っている。最大入力トークン数は 512 、バッチサイズは 128 文（×4 GPU）であり、50万ステップの訓練を実施している。

## 3.2 評価タスク

学術ドメインにおける評価実験として、科研費の研究課題名に関するテキスト分類およびへッドライン生成を行う。2013 年から 2017 年までの科研費の採択課題13)を 7.3 万件収集し、データセットを構築した。テキスト分類として、研究課題名から研究分野を推定するカテゴリ分類と、研究課題名の対から研究代表者が同一か否かを推定する著者同定の 2 つの評価タスクを設計した。両タスクとも、分類正解率で自動評価する。また、概要から研究課題名を生成するへッドライン生成の評価タスクも設計した。本タスクは ROUGE [20] で自動評価する。

著者同定本タスクは、 2 つの研究課題について、 それらの研究代表者が同一か否かを 2 值分類する文対分類タスクである。本実験では、研究代表者が同一である正例を 5 万組と同一ではない負例を 7 万組の合計 12 万組を収集し、表 2 のように無作為に分割して使用した。モデルには、[SEP] の特殊トークンを挟んで 2 文を同時に入力した。

カテゴリ分類本タスクは、科研費の研究課題名から研究分野を推定する文分類タスクである。科研費では、4 段階の階層構造を持つ研究分野の分類を採用しており、大区分から順に、 $4 \cdot 14 \cdot 77 \cdot 318$ 種類のカテゴリが含まれる。本実験では、区分ごとに 4 種類のカテゴリ分類を実施した。

ヘッドライン生成本タスクは、科研費における研究課題の概要から研究課題名を生成する要約タスクである。平均 270 文字で構成される概要を入力として、平均 31 文字の研究課題名を推定する。

## 3.3 再訓練

テキスト分類 3.2 節のコーパスを用いて、事前訓練済みエンコーダモデルを再訓練した。前処理として、それぞれ事前訓練と同じ設定でサブワード分

表 3 テキスト分類の評価実験

表 4 ヘッドライン生成の評価実験

割を行った。バッチサイズは 256 文、Dropout 率は 0.1 とし、最適化には Adam [16] を用い、最大の学習率を 5e-5 とした。検証用データの正解率を用いて 10 エポックの early stopping にて再訓練を終了した。

ヘッドライン生成 3.2 節のコーパスを用いて、事前訓練済みエンコーダ・デコーダモデルを再訓練した。前処理として、モデルごとに事前訓練と同じ設定でサブワード分割を行った。バッチサイズは 32 文、Dropout 率は 0.1 とし、最適化には Adam を用い、最大の学習率を $3 \mathrm{e}-5$ とした。検証用データにおける ROUGE-L の評価值を用いて、5エポックの early stopping にて再訓練を終了した。

## 3.4 実験結果

テキスト分類の実験結果を表 3 に示す。RoBERTa は一貫して BERT よりも高い性能を示し、学術ドメインに特化した Academic RoBERTa は全てのタスクにおいて最高性能を達成した。特に、詳細な専門知識が要求される小区分の分類において、提案手法では大区分よりも大きな性能の改善が見られた。

ヘッドライン生成の実験結果を表 4 に示す。本タスクでも、学術ドメインに特化した Academic BART が全ての評価指標において最高性能を示した。

早大 RoBERTa と Academic RoBERTa の間や、京大 BART (Base) と Academic BART の間には、モデル構造や学習ステップ数の相違はない。また、東北大 BERT は約 1,700 万文、早大 RoBERTa は約 40 億文、京大 BART は約 1,800 万文のコーパスを事前訓練に使用しており、我々の約 628 万文はコーパスサイズの点でも優位性を持たない。そのため、Academic RoBERTa および Academic BART の性能改善は、学術ドメインへの特化にのみ起因すると考えられる。表 5 提案モデルの語彙中の特徴的なトークンの例

## 3.5 考察

先行研究 [7] と同様に、語彙について分析する。提案モデルの語彙のうち、49.4\%は既存の事前訓練モデルの語彙 ${ }^{14)}$ に含まれないことがわかった。提案モデルにのみ含まれる特徴的なトークンの例を表 5 に示す。「であることが確認された」のような分野を問わず学術論文に頻出するフレーズや、「ニュー ラルネットワーク」のような特定の分野において頻出する専門用語が、提案モデルの語彙のみに見られた。このようなドメインに特化したトークンを多く語彙に含むことで、学術ドメインにおける高性能な処理を実現できたと考えられる。

## 4 おわりに

本研究では、CiNii Articles の論文抄録から作成した日本語コーパスを用いて、学術ドメインに特化した事前訓練モデル Academic RoBERTa ${ }^{8}$ および Academic BART ${ }^{9}$ を構築し、公開した。科研費の研究課題名を対象とする著者同定・カテゴリ分類・ ヘッドライン生成の評価実験の結果、学術ドメインに特化したモデルが既存の汎用モデルを上回る性能を達成した。分析の結果、学術ドメインに特有の表現を多く語彙に含むことや、詳細な専門知識が要求される小区分ほどテキスト分類の正解率が大きく向上していることから、ドメインに特化した事前訓練の有効性を確認できた。

## 謝辞

本研究は JSPS 科研費（基盤研究 B，課題番号： JP20H04484）および 2020 年度国立情報学研究所公募型共同研究 (20S0405) の助成を受けたものです。本稿の内容の一部は Third Workshop on Scholarly Document Processing [21] において報告したものです。

14）以下の和集合：東北大 BERT の語彙、早大 RoBERTa の語彙、日本語 Wikipedia に対して語彙サイズ 32,000 で SentencePiece のサブワード分割を訓練した際の語彙

## 参考文献

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