Beam Search（集束搜索/束搜索）

 

首先给出wiki地址：http://en.wikipedia.org/wiki/Beam_search

1.简介

Beam Search（集束搜索）是一种启发式图搜索算法，通常用在图的解空间比较大的情况下，为了减少搜索所占用的空间和时间，在每一步深度扩展的时候，剪掉一些质量比较差的结点，保留下一些质量较高的结点。这样减少了空间消耗，并提高了时间效率，但缺点就是有可能存在潜在的最佳方案被丢弃，因此Beam Search算法是不完全的，一般用于解空间较大的系统中。

2.流程

Beam Search（集束搜索）使用广度优先策略建立搜索树，在树的每一层，按照启发代价对节点进行排序，然后仅留下预先确定的个数（Beam Width-集束宽度）的节点，仅这些节点在下一层次继续扩展，其他节点就被剪掉了。如果集束宽度无穷大，那该搜索就是宽度优先搜索。

• 将初始节点插入到list中，
• 将给节点出堆，如果该节点是目标节点，则算法结束；
• 否则扩展该节点，取集束宽度的节点入堆。然后到第二步继续循环。
• 算法结束的条件是找到最优解或者堆为空。

 

集束宽度可以是预先定好的，也可以是变动的，可以先按照一个最小的集束宽度进行搜索，如果没有找到合适的解，再扩大集束宽度再找一遍。

Ps. 个人认为集束搜索方法其实提供了一种找最优解的思路，就是说在适当的情况下，可以剪掉一些可信度低的路径，在实际使用中，可以每一层的集束宽度不一致，比如在初始的一些层次中多保留一些结果，在后边就可以放心大胆的进行剪枝。当然也可以活学活用，可以结合深度优先算法，通过回溯，可以找到最优解。

3.应用

Beam Search（集束搜索）多用在一些大型系统中，比如机器翻译系统，语音识别系统等，因为这些系统中的数据集可能非常大，而且结果也没有唯一正确的解，系统用最快的方式找到最接近正确的解才是系统的目标。

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解码是seq2seq模型的常见问题，常用方法有贪心搜索（Greedy Search）集束搜索（Beam Search）。

简单贪心搜索

 

 

From [1]
如图，Decoder根据Encoder的中间语义编码向量cc和<s>标签得到第一个输出的概率分布[0.1,0.1,0.3,0.4,0.1][0.1,0.1,0.3,0.4,0.1]，选择概率最大的0.4，即moi。

根据隐向量h1h1和moi得到第二个输出的概率分布[0.1,0.1,0.1,0.1,0.6][0.1,0.1,0.1,0.1,0.6]，选择概率最大的0.6，即suis。

以此类推，直到遇到<\s>标签，得到最终的序列moi suis étudiant。

集束搜索
上面的贪心搜索只选择了概率最大的一个，而集束搜索则选择了概率最大的前k个。这个k值也叫做集束宽度（Beam Width）。

还是以上面的例子作为说明，k值等于2，则集束搜索的过程如下图：

 

 

得到第一个输出的概率分布[0.1,0.1,0.3,0.4,0.1][0.1,0.1,0.3,0.4,0.1]，选择概率最大的前两个，0.3和0.4，即Je和moi。

然后Je和moi分别作为Decoder的输入，得到两个概率分布，然后再选择概率和最大的前两个序列，0.3+0.8和0.4+0.6，即Je suis和moi suis。

以此类推，最终可以得到两个序列，即Je suis étudiant和moi suis étudiant，很明显前者的概率和最大，为2.2，所以这个序列是最终得到的结果。

集束搜索本质上也是贪心的思想，只不过它考虑了更多的候选搜索空间，因此可以得到更多的翻译结果。

References
[1] https://www.tensorflow.org/tutorials/seq2seq
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作者：加勒比海鲜
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/guolindonggld/article/details/79938567
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