BERT模型实战之多文本分类（附源码）

写在前面

BERT模型也出来很久了，之前看了论文学习过它的大致模型（可以参考前些日子写的笔记NLP大杀器BERT模型解读），但是一直有杂七杂八的事拖着没有具体去实现过真实效果如何。今天就趁机来动手写一写实战，顺便复现一下之前的内容。这篇文章的内容还是以比较简单文本分类任务入手，数据集选取的是新浪新闻cnews，包括了[‘体育’, ‘财经’, ‘房产’, ‘家居’, ‘教育’, ‘科技’, ‘时尚’, ‘时政’, ‘游戏’, ‘娱乐’]总共十个主题的新闻数据。那么我们就开始吧！

Transformer模型

BERT模型就是以Transformer基础上训练出来的嘛，所以在开始之前我们首先复习一下目前NLP领域可以说是最高效的‘变形金刚’Transformer。由于网上Transformer介绍解读文章满天飞了都，这里就不浪费太多时间了。

本质上来说，Transformer就是一个只由attention机制形成的encoder-decoder结构。关于attention的具体介绍可以参考之前这篇理解Attention机制原理及模型。理解Transformer模型可以将其进行解剖，分成几个组成部分：

1. Embedding （word + position）
2. Attention mechanism （scaled dot-product + multi-head）
3. Feed-Forward network
4. ADD（类似于Resnet里的残差操作）
5. Norm（加快收敛）
6. Softmax
7. Fine-tuning

前期准备

1.下载BERT

我们要使用BERT模型的话，首先要去github上下载相关源码：

git clone  https://github.com/google-research/bert.git

下载成功以后我们现在的文件大概就是这样的

2.下载bert预训练模型

Google提供了多种预训练好的bert模型，有针对不同语言的和不同模型大小的。Uncased参数指的是将数据全都转成小写的（大多数任务使用Uncased模型效果会比较好，当然对于一些大小写影响严重的任务比如NER等就可以选择Cased）

对于中文模型，我们使用Bert-Base, Chinese。下载后的文件包括五个文件：

bert_model.ckpt：有三个，包含预训练的参数
vocab.txt：词表
bert_config.json：保存模型超参数的文件

3. 数据集准备

前面有提到过数据使用的是新浪新闻分类数据集，每一行组成是 【标签+ TAB + 文本内容】

Start Working

BERT非常友好的一点就是对于NLP任务，我们只需要对最后一层进行微调便可以用于我们的项目需求。我们只需要将我们的数据输入处理成标准的结构进行输入就可以了。

DataProcessor基类

首先在run_classifier.py文件中有一个基类DataProcessor类：

class DataProcessor(object):
  """Base class for data converters for sequence classification data sets."""

  def get_train_examples(self, data_dir):
    """Gets a collection of `InputExample`s for the train set."""
    raise NotImplementedError()

  def get_dev_examples(self, data_dir):
    """Gets a collection of `InputExample`s for the dev set."""
    raise NotImplementedError()

  def get_test_examples(self, data_dir):
    """Gets a collection of `InputExample`s for prediction."""
    raise NotImplementedError()

  def get_labels(self):
    """Gets the list of labels for this data set."""
    raise NotImplementedError()

  @classmethod
  def _read_tsv(cls, input_file, quotechar=None):
    """Reads a tab separated value file."""
    with tf.gfile.Open(input_file, "r") as f:
      reader = csv.reader(f, delimiter="\t", quotechar=quotechar)
      lines = []
      for line in reader:
        lines.append(line)
      return lines

在这个基类中定义了一个读取文件的静态方法_read_tsv，四个分别获取训练集，验证集，测试集和标签的方法。接下来我们要定义自己的数据处理的类，我们将我们的类命名为MyTaskProcessor

编写MyTaskProcessor

MyTaskProcessor继承DataProcessor，用于定义我们自己的任务

class MyTaskProcessor(DataProcessor):
  """Processor for my task-news classification """
  def __init__(self):
    self.labels = ['体育', '财经', '房产', '家居', '教育', '科技', '时尚', '时政', '游戏', '娱乐']

  def get_train_examples(self, data_dir):
    return self._create_examples(
      self._read_tsv(os.path.join(data_dir, 'cnews.train.txt')), 'train')

  def get_dev_examples(self, data_dir):
    return self._create_examples(
      self._read_tsv(os.path.join(data_dir, 'cnews.val.txt')), 'val')

  def get_test_examples(self, data_dir):
    return self._create_examples(
      self._read_tsv(os.path.join(data_dir, 'cnews.test.txt')), 'test')

  def get_labels(self):
    return self.labels

  def _create_examples(self, lines, set_type):
    """create examples for the training and val sets"""
    examples = []
    for (i, line) in enumerate(lines):
      guid = '%s-%s' %(set_type, i)
      text_a = tokenization.convert_to_unicode(line[1])
      label = tokenization.convert_to_unicode(line[0])
      examples.append(InputExample(guid=guid, text_a=text_a, label=label))
    return examples

注意这里有一个self._read_tsv（）方法，规定读取的数据是使用TAB分割的，如果你的数据集不是这种形式组织的，需要重写一个读取数据的方法，更改“_create_examples()”的实现。

编写main以及训练

至此我们就完成了对我们的数据加工成BERT所需要的格式，就可以进行模型训练了。

def main(_):
  tf.logging.set_verbosity(tf.logging.INFO)

  processors = {
      "cola": ColaProcessor,
      "mnli": MnliProcessor,
      "mrpc": MrpcProcessor,
      "xnli": XnliProcessor,
      "mytask": MyTaskProcessor,
  }

python run_classifier.py \

 --task_name=mytask \

 --do_train=true \

 --do_eval=true \

 --data_dir=$DATA_DIR/ \

 --vocab_file=$BERT_BASE_DIR/vocab.txt \

 --bert_config_file=$BERT_BASE_DIR/bert_config.json \

 --init_checkpoint=$BERT_BASE_DIR/bert_model.ckpt \

 --max_seq_length=128 \

 --train_batch_size=32 \

 --learning_rate=2e-5 \

 --num_train_epochs=3.0 \

 --output_dir=mytask_output

其中DATA_DIR是你的要训练的文本的数据所在的文件夹，BERT_BASE_DIR是你的bert预训练模型存放的地址。task_name要求和你的DataProcessor类中的名称一致。下面的几个参数，do_train代表是否进行fine tune，do_eval代表是否进行evaluation，还有未出现的参数do_predict代表是否进行预测。如果不需要进行fine tune，或者显卡配置太低的话，可以将do_trian去掉。max_seq_length代表了句子的最长长度，当显存不足时，可以适当降低max_seq_length。

BERT prediction

上面一节主要就是介绍了怎么去根据我们实际的任务（多文本分类）去fine-tune bert模型，那么训练好适用于我们特定的任务的模型后，接下来就是使用这个模型去做相应地预测任务。预测阶段唯一需要做的就是修改 – do_predict=true。你需要将测试样本命名为test.csv，输出会保存在输出文件夹的test_result.csv，其中每一行代表一个测试样本对应的预测输出，每一列代表对应于不同类别的概率。

export BERT_BASE_DIR=/path/to/bert/uncased_L-12_H-768_A-12
export GLUE_DIR=/path/to/glue
export TRAINED_CLASSIFIER=/path/to/fine/tuned/classifier

python run_classifier.py \
  --task_name=MRPC \
  --do_predict=true \
  --data_dir=$GLUE_DIR/MRPC \
  --vocab_file=$BERT_BASE_DIR/vocab.txt \
  --bert_config_file=$BERT_BASE_DIR/bert_config.json \
  --init_checkpoint=$TRAINED_CLASSIFIER \
  --max_seq_length=128 \
  --output_dir=/tmp/mrpc_output/

有趣的优化

指定训练时输出loss

bert自带代码中是这样的，在run_classifier.py文件中，训练模型，验证模型都是用的tensorflow中的estimator接口，因此我们无法实现在训练迭代100步就用验证集验证一次，在run_classifier.py文件中提供的方法是先运行完所有的epochs之后，再加载模型进行验证。训练模型时的代码：

train_input_fn = file_based_input_fn_builder(
        input_file=train_file,
        seq_length=FLAGS.max_seq_length,
        is_training=True,
        drop_remainder=True)
    estimator.train(input_fn=train_input_fn, max_steps=num_train_steps)

想要实现在训练过程中输出loss日志，我们可以使用hooks参数：

train_input_fn = file_based_input_fn_builder(
        input_file=train_file,
        seq_length=FLAGS.max_seq_length,
        is_training=True,
        drop_remainder=True)
    tensors_to_log = {'train loss': 'loss/Mean:0'}
    logging_hook = tf.train.LoggingTensorHook(tensors=tensors_to_log, every_n_iter=100)
    estimator.train(input_fn=train_input_fn, hooks=[logging_hook], max_steps=num_train_steps)

增加验证集输出的指标值

原生BERT代码中验证集的输出指标值只有loss和accuracy，

def metric_fn(per_example_loss, label_ids, logits, is_real_example):
        predictions = tf.argmax(logits, axis=-1, output_type=tf.int32)
        accuracy = tf.metrics.accuracy(
            labels=label_ids, predictions=predictions, weights=is_real_example)
        loss = tf.metrics.mean(values=per_example_loss, weights=is_real_example)
        return {
            "eval_accuracy": accuracy,
            "eval_loss": loss,
        }

但是在分类时，我们可能还需要分析auc，recall，precision等的值。

def metric_fn(per_example_loss, label_ids, logits, is_real_example):
        predictions = tf.argmax(logits, axis=-1, output_type=tf.int32)
        accuracy = tf.metrics.accuracy(
            labels=label_ids, predictions=predictions, weights=is_real_example)
        loss = tf.metrics.mean(values=per_example_loss, weights=is_real_example)
        auc = tf.metrics.auc(labels=label_ids, predictions=predictions, weights=is_real_example)
        precision = tf.metrics.precision(labels=label_ids, predictions=predictions, weights=is_real_example)
        recall = tf.metrics.recall(labels=label_ids, predictions=predictions, weights=is_real_example)

        return {
            "eval_accuracy": accuracy,
            "eval_loss": loss,
            'eval_auc': auc,
            'eval_precision': precision,
            'eval_recall': recall,
        }

以上~
2019.03.21