用隐马尔科夫模型实现中文分词

隐马尔科夫模型通常用来解决序列标注问题,因此可以将分词问题转化为一个序列标注问题来进行建模。

例如可以对中文句子中得每个字做以下标注:B表示一个词开头的第一个字,E表示一个词结尾的最后一个字,M表示一个词中间的字,S表示一个单字词,那么隐藏状态空间就是{B, E, M, S}。同时对隐藏状态的转移概率可以给出一些先验知识:B和M后面只能是M或者E,S和E后面只能是B或者S。而每个字就是模型中得观测状态,取值空间就是语料中得所有中文字。

首先定义定义模型:

class HMM(object):
    def __init__(self):
        pass
    
    def try_load_model(self, trained):
        pass
    
    def train(self, path):
        pass
    
    def viterbi(self, text, states, start_p, trans_p, emit_p):
        pass
    
    def cut(self, text):
        pass

1. __init__ 函数

__init__ 主要是初始化一些全局信息和成员变量,例如状态集合[‘B’, ‘M’, ‘E’, ‘S’],以及存取概率计算的中间文件hmm_model.pkl。

    def __init__(self):
        import os
        # 主要是用于存取算法中间结果,不用每次都训练模型
        self.model_file = './data/hmm_model.pkl'
        # 状态值集合
        self.state_list = ['B', 'M', 'E', 'S']
        # 参数加载,用于判断是否需要重新加载model_file
        self.load_para = False

2. try_load_model 函数

trained 参数用于判断是否加载中间文件结果。如果加载中间文件,则不用训练语料,可以直接进行分词调用。否则,try_load_model函数初始化初始概率状态转移概率、以及发射概率等信息。

    # 用于加载已计算的中间结果,当需要重新训练时,需初始化清空结果
    def try_load_model(self, trained):
        if trained:
            import pickle
            with open(self.model_file, 'rb') as f:
                self.A_dic = pickle.load(f)
                self.B_dic = pickle.load(f)
                self.Pi_dic = pickle.load(f)
                self.load_para = True
        else:
            # 状态转移概率(状态->状态的条件概率)
            self.A_dic = {}
            # 发射概率(状态->词语的条件概率)
            self.B_dic = {}
            # 状态的初始概率
            self.Pi_dic = {}
            self.load_para = False

3. train 函数

    # 计算转移概率、发射概率以及初始概率
    def train(self, path):
        # 重置几个概率矩阵
        self.try_load_model(False)
        # 统计状态出现次数,求p(o)
        Count_dic = {}
        
        # 初始化参数
        def init_parameters():
            for state in self.state_list:
                self.A_dic[state] = {s: 0.0 for s in self.state_list}
                self.Pi_dic[state] = 0.0
                self.B_dic[state] = {}
                Count_dic[state] = 0

        def makeLabel(text):
            out_text = []
            if len(text) == 1:
                out_text.append('S')
            else:
                out_text += ['B'] + ['M'] * (len(text) - 2) + ['E']
            return out_text

        init_parameters()
        line_num = -1
        # 观察者集合,主要是字以及标点等
        words = set()
        with open(path, encoding='utf8') as f:
            for line in f:
                line_num += 1
                line = line.strip()
                if not line:
                    continue
                word_list = [i for i in line if i != ' ']
                words |= set(word_list)  # 更新字的集合
                linelist = line.split()
                line_state = []
                for w in linelist:
                    line_state.extend(makeLabel(w))
                assert len(word_list) == len(line_state)
                for k, v in enumerate(line_state):
                    Count_dic[v] += 1
                    if k == 0:
                        self.Pi_dic[v] += 1  # 每个句子的第一个字的状态,用于计算初始状态概率
                    else:
                        self.A_dic[line_state[k - 1]][v] += 1  # 计算转移概率
                        self.B_dic[line_state[k]][word_list[k]] = \
                            self.B_dic[line_state[k]].get(word_list[k], 0) + 1.0  # 计算发射概率
        
        self.Pi_dic = {k: v * 1.0 / line_num for k, v in self.Pi_dic.items()}
        self.A_dic = {k: {k1: v1 / Count_dic[k] for k1, v1 in v.items()}
                      for k, v in self.A_dic.items()}
        #加1平滑
        self.B_dic = {k: {k1: (v1 + 1) / Count_dic[k] for k1, v1 in v.items()}
                      for k, v in self.B_dic.items()}
        #序列化
        import pickle
        with open(self.model_file, 'wb') as f:
            pickle.dump(self.A_dic, f)
            pickle.dump(self.B_dic, f)
            pickle.dump(self.Pi_dic, f)

        return self

train 函数主要用于通过给定的分词语料进行训练。语料的格式为每行一句话,没歌词以空格分隔。train 函数主要就是通过对语料的统计,得到HMM所需要的初始概率、转移概率以及发射概率(观测状态概率)。

4. cut 函数

    def viterbi(self, text, states, start_p, trans_p, emit_p):
        V = [{}]
        path = {}
        for y in states:
            V[0][y] = start_p[y] * emit_p[y].get(text[0], 0)
            path[y] = [y]
        for t in range(1, len(text)):
            V.append({})
            newpath = {}
            #检验训练的发射概率矩阵中是否有该字
            neverSeen = text[t] not in emit_p['S'].keys() and \
                text[t] not in emit_p['M'].keys() and \
                text[t] not in emit_p['E'].keys() and \
                text[t] not in emit_p['B'].keys()
            for y in states:
                emitP = emit_p[y].get(text[t], 0) if not neverSeen else 1.0 #设置未知字单独成词
                (prob, state) = max(
                    [(V[t - 1][y0] * trans_p[y0].get(y, 0) *
                      emitP, y0)
                     for y0 in states if V[t - 1][y0] > 0])
                V[t][y] = prob
                newpath[y] = path[state] + [y]
            path = newpath
            
        if emit_p['M'].get(text[-1], 0)> emit_p['S'].get(text[-1], 0):
            (prob, state) = max([(V[len(text) - 1][y], y) for y in ('E','M')])
        else:
            (prob, state) = max([(V[len(text) - 1][y], y) for y in states])
        
        return (prob, path[state])

    def cut(self, text):
        import os
        if not self.load_para:
            self.try_load_model(os.path.exists(self.model_file))
        prob, pos_list = self.viterbi(text, self.state_list, self.Pi_dic, self.A_dic, self.B_dic)      
        begin, next = 0, 0    
        for i, char in enumerate(text):
            pos = pos_list[i]
            if pos == 'B':
                begin = i
            elif pos == 'E':
                yield text[begin: i+1]
                next = i+1
            elif pos == 'S':
                yield char
                next = i+1
        if next < len(text):
            yield text[next:]

cut 函数用于实际的分词操作,通过加载训练好的中间文件hmm_model.pkl,然后调用 veterbi 函数来完成。Veterbi算法在前面的《隐马尔科夫模型的三个基本问题-最可能隐藏状态序列求解》以及提到了,主要是求最大概率的路径。

5. 分词测试

hmm = HMM()
hmm.train('./data/trainCorpus.txt_utf8')
text = '这是一个令人震惊的消息!'
res = hmm.cut(text)
print(text)
print(str(list(res)))

输出:

这是一个令人震惊的消息!
['这是', '一个', '令人', '震惊', '的', '消息', '!']

附件:

  • HMM分词源码和语料

THE END.

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