自己动手实现神经网络分词模型
本文由**罗周杨[email protected]**原创，转载请注明原作者和出处。
原文链接：https://luozhouyang.github.io/deepseg
分词作为NLP的基础工作之一，对模型的效果有直接的影响。一个效果好的分词，可以让模型的性能更好。
在尝试使用神经网络来分词之前，我使用过jieba分词，以下是一些感受：
- 分词速度快
- 词典直接影响分词效果，对于特定领域的文本，词典不足，导致分词效果不尽人意
- 对于含有较多错别字的文本，分词效果很差
后面两点是其主要的缺点。根据实际效果评估，我发现使用神经网络分词，这两个点都有不错的提升。
本文将带你使用tensorflow实现一个基于BiLSTM+CRF的神经网络中文分词模型。
完整代码已经开源: luozhouyang/deepseg 。
怎么做分词
分词的想法和NER十分接近，区别在于，NER对各种词打上对应的实体标签，而分词对各个字打上位置标签。
目前，项目一共只有以下5中标签：
- B，处于一个词语的开始
- M，处于一个词语的中间
- E，处于一个词语的末尾
- S，单个字
- O，未知
举个更加详细的例子，假设我们有一个文本字符串：
'上','海','市','浦','东','新','区','张','东','路','1387','号'
它对应的分词结果应该是：
上海市 浦东新区 张东路 1387 号
所以，它的标签应该是：
'B','M','E','B','M','M','E','B','M','E','S','S'
所以，对于我们的分词模型来说，最重要的任务就是，对于输入序列的每一个token，打上一个标签，然后我们处理得到的标签数据，就可以得到分词效果。
用神经网络给序列打标签，方法肯定还有很多。目前项目使用的是双向LSTM网络后接CRF这样一个网络。这部分会在后面详细说明。
以上就是我们分词的做法概要，如你所见，网络其实很简单。
Estimator
项目使用tensorflow的estimator API完成，因为estimator是一个高级封装，我们只需要专注于核心的工作即可，并且它可以轻松实现分布式训练。如果你还没有尝试过，建议你试一试。
estimator的官方文档可以很好地帮助你入门： estimator
使用estimator构建网络，核心任务是：
- 构建一个高效的数据输入管道
- 构建你的神经网络模型
对于数据输入管道，本项目使用tensorflow的Dataset API，这也是官方推荐的方式。
具体来说，给estimator喂数据，需要实现一个input_fn，这个函数不带参数，并且返回(features, labels)元组。当然，对于PREDICT模式，labels为None。
要构建神经网络给estimator，需要实现一个model_fn(features, labels, mode, params, config)，返回一个tf.estimator.EstimatorSepc对象。
更多的内容，请访问官方文档。
构建input_fn
首先，我们的数据输入需要分三种模式TRAIN、EVAL、PREDICT讨论。
TRAIN模式即模型的训练，这个时候使用的是数据集是训练集，需要返回(features,labels)元组EVAL模式即模型的评估，这个时候使用的是数据集的验证集，需要返回(features,labels)元组PREDICT模式即模型的预测，这个时候使用的数据集是测试集，需要返回(features,None)元组
以上的features和labels可以是任意对象，比如dict，或者是自己定义的python class。实际上，比较推荐使用dict的方式，因为这种方式比较灵活，并且在你需要导出模型到serving的时候，特别有用。这一点会在后面进一步说明。
那么，接下来可以为上面三种模式分别实现我们的inpuf_fn。
对于最常见的TRAIN模式：
def build_train_dataset(params):
"""Build data for input_fn in training mode.
Args:
params: A dict
Returns:
A tuple of (features,labels).
"""
src_file = params['train_src_file']
tag_file = params['train_tag_file']
if not os.path.exists(src_file) or not os.path.exists(tag_file):
raise ValueError("train_src_file and train_tag_file must be provided")
src_dataset = tf.data.TextLineDataset(src_file)
tag_dataset = tf.data.TextLineDataset(tag_file)
dataset = _build_dataset(src_dataset, tag_dataset, params)
iterator = dataset.make_one_shot_iterator()
(src, src_len), tag = iterator.get_next()
features = {
"inputs": src,
"inputs_length": src_len
}
return features, tag
使用tensorflow的Dataset API很简单就可以构建出数据输入管道。首先，根据参数获取训练集文件，分别构建出一个tf.data.TextLineDataset对象，然后构建出数据集。根据数据集的迭代器，获取每一批输入的(features,labels)元组。每一次训练的迭代，这个元组都会送到model_fn的前两个参数(features,labels,...)中。
根据代码可以看到，我们这里的features是一个dict，每一个键都存放着一个Tensor：
inputs：文本数据构建出来的字符张量，形状是(None,None)inputs_length：文本分词后的长度张量，形状是(None)
而我们的labels就是一个张量，具体是什么呢？需要看一下_build_dataset()函数做了什么：
def _build_dataset(src_dataset, tag_dataset, params):
"""Build dataset for training and evaluation mode.
Args:
src_dataset: A `tf.data.Dataset` object
tag_dataset: A `tf.data.Dataset` object
params: A dict, storing hyper params
Returns:
A `tf.data.Dataset` object, producing features and labels.
"""
dataset = tf.data.Dataset.zip((src_dataset, tag_dataset))
if params['skip_count'] > 0:
dataset = dataset.skip(params['skip_count'])
if params['shuffle']:
dataset = dataset.shuffle(
buffer_size=params['buff_size'],
seed=params['random_seed'],
reshuffle_each_iteration=params['reshuffle_each_iteration'])
if params['repeat']:
dataset = dataset.repeat(params['repeat']).prefetch(params['buff_size'])
dataset = dataset.map(
lambda src, tag: (
tf.string_split([src], delimiter=",").values,
tf.string_split([tag], delimiter=",").values),
num_parallel_calls=params['num_parallel_call']
).prefetch(params['buff_size'])
dataset = dataset.filter(
lambda src, tag: tf.logical_and(tf.size(src) > 0, tf.size(tag) > 0))
dataset = dataset.filter(
lambda src, tag: tf.equal(tf.size(src), tf.size(tag)))
if params['max_src_len']:
dataset = dataset.map(
lambda src, tag: (src[:params['max_src_len']],
tag[:params['max_src_len']]),
num_parallel_calls=params['num_parallel_call']
).prefetch(params['buff_size'])
dataset = dataset.map(
lambda src, tag: (src, tf.size(src), tag),
num_parallel_calls=params['num_parallel_call']
).prefetch(params['buff_size'])
dataset = dataset.padded_batch(
batch_size=params.get('batch_size', 32),
padded_shapes=(
tf.TensorShape([None]),
tf.TensorShape([]),
tf.TensorShape([None])),
padding_values=(
tf.constant(params['pad'], dtype=tf.string),
0,
tf.constant(params['oov_tag'], dtype=tf.string)))
dataset = dataset.map(
lambda src, src_len, tag: ((src, src_len), tag),
num_parallel_calls=params['num_parallel_call']
).prefetch(params['buff_size'])
return dataset
虽然代码都很直白，在此还是总结一下以上数据处理的步骤：
- 跳过和随机打乱数据
- 根据
,将文本序列和对应的标签切分开来 - 过滤掉空的序列
- 限制序列的最大长度
- 增加序列的原始长度信息
- 对齐和批量
上述过程，最重要的就是padded_batch这一步了。经过之前的处理，现在我们的数据包含以下三项信息：
src，原始的字符序列，长度不定src_len，原始字符序列的长度（切分后的列表的长度），长度固定，是一个标量tag，序列对应的标签序列，长度不定
把数据喂入网络之前，我们需要对这些数据进行对齐操作。什么是对齐呢？顾名思义：在这一批数据中，找出最长序列的长度，以此为标准，如果序列比这个长度更短，则文本序列在末尾追加特殊标记（例如O）。因为大家的长度都是不定的，所以要补齐多少个特殊标记也是不定的，所以padded_shapes里面设置成tf.TensorShape([None])即可，函数会自动计算长度的差值，然后进行补齐。
而src_len一项是不需要对齐的，因为所有的src_len都是一个scalar。
至此，TRAIN模式下的数据输入准备好了。
EVAL模式下的数据准备和TRAIN模式一模一样，唯一的差别在于使用的数据集不一样，TRAIN模式使用的是训练集，但是EVAL使用的是验证集，所以只需要改一下文件即可。以下是EVAL模式的数据准备过程：
def build_eval_dataset(params):
"""Build data for input_fn in evaluation mode.
Args:
params: A dict.
Returns:
A tuple of (features, labels).
"""
src_file = params['eval_src_file']
tag_file = params['eval_tag_file']
if not os.path.exists(src_file) or not os.path.exists(tag_file):
raise ValueError("eval_src_file and eval_tag_file must be provided")
src_dataset = tf.data.TextLineDataset(src_file)
tag_dataset = tf.data.TextLineDataset(tag_file)
dataset = _build_dataset(src_dataset, tag_dataset, params)
iterator = dataset.make_one_shot_iterator()
(src, src_len), tag = iterator.get_next()
features = {
"inputs": src,
"inputs_length": src_len
}
return features, tag
至于PREDICT模式，稍微有点特殊，因为要对序列进行预测，我们是没有标签数据的。所以，我们的数据输入只有features这一项，labels这一项只能是None。该模式下的数据准备如下：
def build_predict_dataset(params):
"""Build data for input_fn in predict mode.
Args:
params: A dict.
Returns:
A tuple of (features, labels), where labels are None.
"""
src_file = params['predict_src_file']
if not os.path.exists(src_file):
raise FileNotFoundError("File not found: %s" % src_file)
dataset = tf.data.TextLineDataset(src_file)
if params['skip_count'] > 0:
dataset = dataset.skip(params['skip_count'])
dataset = dataset.map(
lambda src: tf.string_split([src], delimiter=",").values,
num_parallel_calls=params['num_parallel_call']
).prefetch(params['buff_size'])
dataset = dataset.map(
lambda src: (src, tf.size(src)),
num_parallel_calls=params['num_parallel_call']
).prefetch(params['buff_size'])
dataset = dataset.padded_batch(
params.get('batch_size', 32),
padded_shapes=(
tf.TensorShape([None]),
tf.TensorShape([])),
padding_values=(
tf.constant(params['pad'], dtype=tf.string),
0))
iterator = dataset.make_one_shot_iterator()
(src, src_len) = iterator.get_next()
features = {
"inputs": src,
"inputs_length": src_len
}
return features, None
整体的思路差不多，值得注意的是，PREDICT模式的数据不能够打乱数据。同样的进行对齐和分批之后，就可以通过迭代器获取到features数据，然后返回(features,labels)元组，其中labels=None。
至此，我们的input_fn就实现了！
值得注意的是，estimator需要的input_fn是一个没有参数的函数，我们这里的input_fn是有参数的，那怎么办呢？用funtiontools转化一下即可，更详细的内容请查看源码。
还有一个很重要的一点，很多项目都会在这个input_fn里面讲字符序列转化成数字序列，但是我们没有这么做，而是依然保持是字符，为什么：
因为这样就可以把这个转化过程放到网络的构建过程中，这样的话，导出模型所需要的serving_input_receiver_fn的构建就会很简单！
这一点详细地说明一下。如果我们把字符数字化放到网络里面去，那么我们导出模型所需要的serving_input_receiver_fn就可以这样写：
def server_input_receiver_fn()
receiver_tensors{
"inputs": tf.placeholder(dtype=tf.string, shape=(None,None)),
"inputs_length": tf.placeholder(dtype=tf.int32, shape=(None))
}
features = receiver_tensors.copy()
return tf.estimator.export.ServingInputReceiver(
features=features,
receiver_tensors=receiver_tensors)
可以看到，我们在这里也不需要把接收到的字符张量数字化！
相反，如果我们在处理数据集的时候进行了字符张量的数字化，那就意味着构建网络的部分没有数字化这个步骤！所有喂给网络的数据都是已经数字化的！
这也就意味着，你的serving_input_receiver_fn也需要对字符张量数字化！这样就会使得代码比较复杂！
说了这么多，其实就一点：
- 在
input_fn里面不要把字符张量转化成数字张量！把这个过程放到网络里面去！
构建神经网络
接下来是最重要的步骤，即构建出我们的神经网络，也就是实现model_fn(features,labels,mode,params,config)这个函数。
首先，我们的参数中的features和labels都是字符张量，老规矩，我们需要进行word embedding。代码很简单：
words = features['inputs']
nwords = features['inputs_length']
# a UNK token should placed in the first row in vocab file
words_str2idx = lookup_ops.index_table_from_file(
params['src_vocab'], default_value=0)
words_ids = words_str2idx.lookup(words)
training = mode == tf.estimator.ModeKeys.TRAIN
# embedding
with tf.variable_scope("embedding", reuse=tf.AUTO_REUSE):
variable = tf.get_variable(
"words_embedding",
shape=(params['vocab_size'], params['embedding_size']),
dtype=tf.float32)
embedding = tf.nn.embedding_lookup(variable, words_ids)
embedding = tf.layers.dropout(
embedding, rate=params['dropout'], training=training)
接下来，把词嵌入之后的数据，输入到一个双向LSTM网络：
# BiLSTM
with tf.variable_scope("bilstm", reuse=tf.AUTO_REUSE):
# transpose embedding for time major mode
inputs = tf.transpose(embedding, perm=[1, 0, 2])
lstm_fw = tf.nn.rnn_cell.LSTMCell(params['lstm_size'])
lstm_bw = tf.nn.rnn_cell.LSTMCell(params['lstm_size'])
(output_fw, output_bw), _ = tf.nn.bidirectional_dynamic_rnn(
cell_fw=lstm_fw,
cell_bw=lstm_bw,
inputs=inputs,
sequence_length=nwords,
dtype=tf.float32,
swap_memory=True,
time_major=True)
output = tf.concat([output_fw, output_bw], axis=-1)
output = tf.transpose(output, perm=[1, 0, 2])
output = tf.layers.dropout(
output, rate=params['dropout'], training=training)
BiLSTM出来的结果，接入一个CRF层：
logits = tf.layers.dense(output, params['num_tags'])
with tf.variable_scope("crf", reuse=tf.AUTO_REUSE):
variable = tf.get_variable(
"transition",
shape=[params['num_tags'], params['num_tags']],
dtype=tf.float32)
predict_ids, _ = tf.contrib.crf.crf_decode(logits, variable, nwords)
return logits, predict_ids
返回的logits用来计算loss，更新权重。
损失计算如下：
def compute_loss(self, logits, labels, nwords, params):
"""Compute loss.
Args:
logits: A tensor, output of dense layer
labels: A tensor, the ground truth label
nwords: A tensor, length of inputs
params: A dict, storing hyper params
Returns:
A loss tensor, negative log likelihood loss.
"""
tags_str2idx = lookup_ops.index_table_from_file(
params['tag_vocab'], default_value=0)
actual_ids = tags_str2idx.lookup(labels)
# get transition matrix created before
with tf.variable_scope("crf", reuse=True):
trans_val = tf.get_variable(
"transition",
shape=[params['num_tags'], params['num_tags']],
dtype=tf.float32)
log_likelihood, _ = tf.contrib.crf.crf_log_likelihood(
inputs=logits,
tag_indices=actual_ids,
sequence_lengths=nwords,
transition_params=trans_val)
loss = tf.reduce_mean(-log_likelihood)
return loss
定义好了损失，我们就可以选择一个优化器来训练我们的网络啦。代码如下：
def build_train_op(self, loss, params):
global_step = tf.train.get_or_create_global_step()
if params['optimizer'].lower() == 'adam':
opt = tf.train.AdamOptimizer()
return opt.minimize(loss, global_step=global_step)
if params['optimizer'].lower() == 'momentum':
opt = tf.train.MomentumOptimizer(
learning_rate=params.get('learning_rate', 1.0),
momentum=params['momentum'])
return opt.minimize(loss, global_step=global_step)
if params['optimizer'].lower() == 'adadelta':
opt = tf.train.AdadeltaOptimizer()
return opt.minimize(loss, global_step=global_step)
if params['optimizer'].lower() == 'adagrad':
opt = tf.train.AdagradOptimizer(
learning_rate=params.get('learning_rate', 1.0))
return opt.minimize(loss, global_step=global_step)
# TODO(luozhouyang) decay lr
sgd = tf.train.GradientDescentOptimizer(
learning_rate=params.get('learning_rate', 1.0))
return sgd.minimize(loss, global_step=global_step)
当然，你还可以添加一些hooks，比如在EVAL模式下，添加一些统计：
def build_eval_metrics(self, predict_ids, labels, nwords, params):
tags_str2idx = lookup_ops.index_table_from_file(
params['tag_vocab'], default_value=0)
actual_ids = tags_str2idx.lookup(labels)
weights = tf.sequence_mask(nwords)
metrics = {
"accuracy": tf.metrics.accuracy(actual_ids, predict_ids, weights)
}
return metrics
至此，我们的网络构建完成。完整的model_fn如下：
def model_fn(self, features, labels, mode, params, config):
words = features['inputs']
nwords = features['inputs_length']
# a UNK token should placed in the first row in vocab file
words_str2idx = lookup_ops.index_table_from_file(
params['src_vocab'], default_value=0)
words_ids = words_str2idx.lookup(words)
training = mode == tf.estimator.ModeKeys.TRAIN
# embedding
with tf.variable_scope("embedding", reuse=tf.AUTO_REUSE):
variable = tf.get_variable(
"words_embedding",
shape=(params['vocab_size'], params['embedding_size']),
dtype=tf.float32)
embedding = tf.nn.embedding_lookup(variable, words_ids)
embedding = tf.layers.dropout(
embedding, rate=params['dropout'], training=training)
# BiLSTM
with tf.variable_scope("bilstm", reuse=tf.AUTO_REUSE):
# transpose embedding for time major mode
inputs = tf.transpose(embedding, perm=[1, 0, 2])
lstm_fw = tf.nn.rnn_cell.LSTMCell(params['lstm_size'])
lstm_bw = tf.nn.rnn_cell.LSTMCell(params['lstm_size'])
(output_fw, output_bw), _ = tf.nn.bidirectional_dynamic_rnn(
cell_fw=lstm_fw,
cell_bw=lstm_bw,
inputs=inputs,
sequence_length=nwords,
dtype=tf.float32,
swap_memory=True,
time_major=True)
output = tf.concat([output_fw, output_bw], axis=-1)
output = tf.transpose(output, perm=[1, 0, 2])
output = tf.layers.dropout(
output, rate=params['dropout'], training=training)
logits, predict_ids = self.decode(output, nwords, params)
# TODO(luozhouyang) Add hooks
if mode == tf.estimator.ModeKeys.PREDICT:
predictions = self.build_predictions(predict_ids, params)
prediction_hooks = []
export_outputs = {
'export_outputs': tf.estimator.export.PredictOutput(predictions)
}
return tf.estimator.EstimatorSpec(
mode=mode,
predictions=predictions,
export_outputs=export_outputs,
prediction_hooks=prediction_hooks)
loss = self.compute_loss(logits, labels, nwords, params)
if mode == tf.estimator.ModeKeys.EVAL:
metrics = self.build_eval_metrics(
predict_ids, labels, nwords, params)
eval_hooks = []
return tf.estimator.EstimatorSpec(
mode=mode,
loss=loss,
eval_metric_ops=metrics,
evaluation_hooks=eval_hooks)
if mode == tf.estimator.ModeKeys.TRAIN:
train_op = self.build_train_op(loss, params)
train_hooks = []
return tf.estimator.EstimatorSpec(
mode=mode,
loss=loss,
train_op=train_op,
training_hooks=train_hooks)
还是推荐去看源码。
模型的训练、估算、预测和导出
接下来就是训练、估算、预测或者导出模型了。这个过程也很简单，因为使用的是estimator API，所以这些步骤都很简单。
项目中创建了一个Runner类来做这些事情。具体代码请到项目页面。
如果你要训练模型：
python -m deepseg.runner \
--params_file=deepseg/example_params.json \
--mode=train
或者：
python -m deepseg.runner \
--params_file=deepseg/example_params.json \
--mode=train_and_eval
如果你要使用训练的模型进行预测：
python -m deepseg.runner \
--params_file=deepseg/example_params.json \
--mode=predict
如果你想导出训练好的模型，部署到tf serving上面：
python -m deepseg.runner \
--params_file=deepseg/example_params.json \
--mode=export
以上步骤，所有的参数都在example_params.json文件中，根据需要进行修改即可。
另外，本身的代码也相对简单，如果不满足你的需求，可以直接修改源代码。
根据预测结果得到分词
还有一点点小的提示，模型预测返回的结果是np.ndarray，需要将它转化成字符串数组。代码也很简单，就是用UTF-8去解码bytes而已。
拿预测返回结果的predict_tags为例，你可以这样转换：
def convert_prediction_tags_to_string(prediction_tags):
"""Convert np.ndarray prediction_tags of output of prediction to string.
Args:
prediction_tags: A np.ndarray object, value of prediction['prediction_tags']
Returns:
A list of string predictions tags
"""
return " ".join([t.decode('utf8') for t in prediction_tags])
如果你想对文本序列进行分词，目前根据以上处理，你得到了预测的标签序列，那么要得到分词的结果，只需要根据标签结果处理一下原来的文本序列即可：
def segment_by_tag(sequences, tags):
"""Segment string sequence by it's tags.
Args:
sequences: A two dimension source string list
tags: A two dimension tag string list
Returns:
A list of segmented string.
"""
results = []
for seq, tag in zip(sequences, tags):
if len(seq) != len(tag):
raise ValueError("The length of sequence and tags are different!")
result = []
for i in range(len(tag)):
result.append(seq[i])
if tag[i] == "E" or tag[i] == "S":
result.append(" ")
results.append(result)
return results
举个具体的例子吧，如果你有一个序列：
sequence = [
['上', '海', '市', '浦', '东', '新', '区', '张', '东', '路', '1387', '号'],
['上', '海', '市', '浦', '东', '新', '区', '张', '衡', '路', '333', '号']
]
你想对这个序列进行分词处理，那么经过我们的神经网络，你得到以下标签序列：
tags = [
['B', 'M', 'E', 'B', 'M', 'M', 'E', 'B', 'M', 'E', 'S', 'S'],
['B', 'M', 'E', 'B', 'M', 'M', 'E', 'B', 'M', 'E', 'S', 'S']
]
那么，怎么得到分词结果呢？就是利用上面的segment_by_tag函数即可。
得到的分词结果如下：
上海市 浦东新区 张东路 1387 号
上海市 浦东新区 张衡路 333 号
以上就是所有内容了！
如果你有任何疑问，欢迎和我交流！
联系我
- 邮箱: [email protected]
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