NER实战（数据处理+模型分析（词典匹配，统计ML，DL）+评价标准+模型融合）
0、NER 简介
多特征：实体识别不是一个特别复杂的任务，不需要太深入的模型，那么就是加特征，特征越多效果越好，所以字特征、词特征、词性特征、句法特征、KG表征等等的就一个个加吧，甚至有些中文 NER 任务里还加入了拼音特征、笔画特征。。？心有多大，特征就有多多
多任务：很多时候做 NER 的目的并不仅是为了 NER，而是服务于一个更大的目标或系统，比如信息抽取、问答系统等等。如果把整个大任务做一个端到端的模型，就需要做成一个多任务模型，把 NER 作为其中一个子任务；另外，单纯的 NER 也可以做成多任务（cascade），比如实体类型过多时，仅用一个序列标注任务来同时抽取实体与判断实体类型，会有些力不从心，就可以拆成两个子任务来做
时令大杂烩：把当下比较流行的深度学习话题或方法跟 NER 结合一下，比如结合强化学习的 NER、结合 few-shot learning 的 NER、结合多模态信息的 NER、结合跨语种学习的 NER 等等的，具体就不提了
首先是 LSTM-CRF，
和 BERT-CRF，
然后就是几个多任务模型， Cascade 开头的（因为实体类型比较多，把NER拆成两个任务，一个用来识别实体，另一个用来判断实体类型），
后面的几个模型里，WLF 指的是 Word Level Feature（即在原本字级别的序列标注任务上加入词级别的表征），
WOL 指的是 Weight of Loss（即在loss函数方面通过设置权重来权衡Precision与Recall，以达到提高F1的目的）
1. 模型介绍
代码：上述所有模型的代码都在这里，带 BERT 的可以自己去下载 BERT_CHINESE 预训练的 ckpt 模型，然后解压到 bert_model 目录下
数据集：一个电商场景下商品标题中的实体识别，因为是工作中的数据，并且通过远程监督弱标注的质量也一般，完整数据就不放了。但是我 sample 了一些数据留在 git 里了
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HMM/PERCEPTRON/CRF
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BI-LSTM+CRF
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BERT+CRF & BERT+LSTM+CRF
BERT 还有一个至关重要的训练技巧，就是调整学习率。BERT内的参数在 fine-tuning 时，学习率一定要调小，特别时后面还接了别的东西时，一定要按两个学习率走，甚至需要尝试多次反复调，要不然 BERT 很容易就步子迈大了掉沟里爬不上来，个人经验。 -
Cascade 多任务NER
2、嵌套实体如何识别?
1、阅读理解
2、指针网络(预测实体的头尾)，收敛可能较慢
Details: NER除了LSTM+CRF，还有哪些解码方式？如何解决嵌套实体问题？
虽然NER是一个比较常见的NLP任务，通常采用LSTM+CRF处理一些简单NER任务。NER还存在嵌套实体问题（实体重叠问题），如「《叶圣陶散文选集》」中会出现两个实体「叶圣陶」和「叶圣陶散文选集」分别代表「作者」和「作品」两个实体。而传统做法由于每一个token只能属于一种Tag，无法解决这类问题。笔者尝试通过归纳几种常见并易于理解的 实体抽取解码方式 来回答这个问题。
1、序列标注：SoftMax和CRF
本质上是token-level 的多分类问题，通常采用CNNs/RNNs/BERT+CRF处理这类问题。与SoftMax相比，CRF进了标签约束。对这类方法的改进，介绍2篇比较有价值的工作：
针对CRF解码慢的问题，LAN[1]提出了一种逐层改进的基于标签注意力机制的网络，在保证效果的前提下比 CRF 解码速度更快。文中也发现BiLSTM-CRF在复杂类别情况下相比BiLSTM-softmax并没有显著优势。
由于分词边界错误会导致实体抽取错误，基于LatticeLSTM[2]+CRF的方法可引入词汇信息并避免分词错误（词汇边界通常为实体边界，根据大量语料构建词典，若当前字符与之前字符构成词汇，则从这些词汇中提取信息，联合更新记忆状态）。
但由于这种序列标注采取BILOU标注框架，每一个token只能属于一种，不能解决重叠实体问题，如图所示。
基于BILOU标注框架，笔者尝试给出了2种改进方法去解决实体重叠问题：
改进方法1：采取token-level 的多label分类，将SoftMax替换为Sigmoid，如图所示。当然这种方式可能会导致label之间依赖关系的缺失，可采取后处理规则进行约束。
改进方法2：依然采用CRF，但设置多个标签层，对于每一个token给出其所有的label，然后将所有标签层合并。显然这可能会增加label数量[3]，导致label不平衡问题。基于这种方式，文献[4]也采取先验图的方式去解决重叠实体问题。
2、Span抽取：指针网络
指针网络（PointerNet）最早应用于MRC中，而MRC中通常根据1个question从passage中抽取1个答案片段，转化为2个n元SoftMax分类预测头指针和尾指针。对于NER可能会存在多个实体Span，因此需要转化为n个2元Sigmoid分类预测头指针和尾指针。
将指针网络应用于NER中，可以采取以下两种方式：
第一种：MRC-QA+单层指针网络。在ShannonAI的文章中[5]，构建query问题指代所要抽取的实体类型，同时也引入了先验语义知识。如图所示，由于构建query问题已经指代了实体类型，所以使用单层指针网络即可；除了使用指针网络预测实体开始位置、结束位置外，还基于开始和结束位置对构成的所有实体Span预测实体概率[6]。此外，这种方法也适合于给定事件类型下的事件主体抽取，可以将事件类型当作query，也可以将单层指针网络替换为CRF。
第二种：多层label指针网络。由于只使用单层指针网络时，无法抽取多类型的实体，我们可以构建多层指针网络，每一层都对应一个实体类型。
需要注意的是：
1）MRC-QA会引入query进行实体类型编码，这会导致需要对愿文本重复编码输入，以构造不同的实体类型query，这会提升计算量。
2）笔者在实践中发现，n个2元Sigmoid分类的指针网络，会导致样本Tag空间稀疏，同时收敛速度会较慢，特别是对于实体span长度较长的情况。
3、片段排列+分类
上述序列标注和Span抽取的方法都是停留在token-level进行NER，间接去提取span-level的特征。而基于片段排列的方式[7]，显示的提取所有可能的片段排列，由于选择的每一个片段都是独立的，因此可以直接提取span-level的特征去解决重叠实体问题。
对于含T个token的文本，理论上共有 [公式] 种片段排列。如果文本过长，会产生大量的负样本，在实际中需要限制span长度并合理削减负样本。
需要注意的是：
实体span的编码表示：在span范围内采取注意力机制与基于原始输入的LSTM编码进行交互。然后所有的实体span表示并行的喂入SoftMax进行实体分类。
这种片段排列的方式对于长文本复杂度是较高的。
4、Seq2Seq：
ACL2019的一篇paper中采取Seq2Seq方法[3]，encoder部分输入的原文tokens，而decoder部分采取hard attention方式one-by-one预测当前token所有可能的tag label，直至输出 (end of word) label，然后转入下一个token再进行解码。
3. 如何平衡准确率与召回率?
1、分类任务：调节解码时的阈值
对于一个分类任务，是很容易通过设置一个可调的“阈值”来达到控制 P/R 的目的的。举个例子，判断一张图是不是 H 图，做一个二分类模型，假设模型认为图片是 H 图的概率是 p，人为设定一个阈值 a，假如 p>a 则认为该图片是 H 图。默认情况 p=0.5，此时如果降低 p，就能达到提高 Recall 降低 Precision 的目的.
但是 NER 任务怎么整呢，他的结果是一个完整的序列，你又不能给每个位置都卡一个阈值，没有意义.
2、所有深度学习任务：Weight of Loss e.g. 提高召回：漏预测增加损失、错预测降低损失；反之提高精确率
在所有深度学习任务上，都可以通过调整 Loss 来达到各种特殊的效果. 即在loss函数方面通过设置权重来权衡Precision与Recall，以达到提高F1的目的
通过控制模型学习时的 Loss 来控制 P/R：如果模型没有识别到一个本应该识别到的实体，就增大对应的 Loss，加重对模型的惩罚；如果模型识别到了一个不应该识别到的实体，就减小对应的 Loss，当然是选择原谅他.
# logits_bio 是预测结果，形状为 B*S*V，softmax 之后就是每个字在BIO词表上的分布概率，不过不用写softmax，因为下面的函数会帮你做
# self.outputs_seq_bio 是期望输出，形状为 B*S
# 这是原本计算出来的 loss
loss_bio = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=logits_bio, labels=self.outputs_seq_bio) # B * S
# 这是根据期望的输出，获得 mask 向量，向量里出现1的位置代表对应的字是一个实体词，而 O_tag_index 就是 O 在 BIO 词表中的位置
masks_of_entity = tf.cast(tf.not_equal(self.outputs_seq_bio, O_tag_index), tf.float32) # B * S
# 这是基于 mask 计算 weights
weights_of_loss = masks_of_entity + 0.5 # B *S
# 这是加权后的 loss
loss_bio = loss_bio * weights_of_loss # B * S
我还不知道怎么把这个方法和 CRF 结合起来。因为在代码里，CRF 通过函数crf_log_likelihood 直接计算得到整个句子级别的 loss，而不是像上面一样，用交叉熵在每个字上计算 loss，所以这种基于 mask 的方法就没法用了
但是从实验效果来看，虽然去掉了 CRF，但是加入 WOL 之后的方法的 F1Score 还是要大一些。原本 Precision 远大于 Recall，通过权衡，把两个分数拉到同个水平，可以提升最终的 F1Score.
3、加入领域字典+规则模板提高召回
4. How to combine Word-Level Feature and char-level feature ?
即在原本字级别的序列标注任务上加入词级别的表征
中文 NER 和英文 NER 有个比较明显的区别，就是英文 NER 是从单词级别（word level）来做，而中文 NER 一般是字级别（character level）来做。
词级别的中文NER：利用ML模型，如HMM, CRF, 感知机。基于分词器和词性标注器的结果，根据规则将分词和词性标注集转化为命名实体识别的标注集。
字级别的中文NER：利用深度学习模型，如BERT，因为BERT提取的是字特征向量。优点是可以避免因为分词错误所以识别不到实体的情况。
NER-DL：如何结合字特征和词特征呢？
对于英文NER：
在英文 NLP 任务中，想要把字级别特征加入到词级别特征上去，一般是这样：单独用一个BiLSTM 作为 character-level 的编码器，把单词的各个字拆开，送进 LSTM 得到向量 vc；然后和原本 word-level 的（经过 embedding matrix 得到的）的向量 vw 加在一起，就能得到融合两种特征的表征向量。如图所示：
对于中文NER：
我的输入是字级别的，怎么把词级别的表征结果加入进来呢？
ACL2018 有个文章[4]是做这个的，提出了一种 Lattice-LSTM 的结构，但是涉及比较底层的改动，不好实现。后来在 ACL2020 论文里看到一篇文章[5]，简单明了。然后我就再简化一下，直接把字和词分别通过 embedding matrix 做表征，按照对应关系，拼在一起:
从结果上看，增加了词级别特征后，提升很明显:
我还没有找到把词级别特征结合到 BERT 中的方法。因为 BERT 是字级别预训练好的模型，如果单纯从 embedding 层这么拼接，那后面那些 Transformer 层的参数就都失效了