【中文分词系列】 4. 基于双向LSTM的seq2seq字标注

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关于字标注法

上一篇文章谈到了分词的字标注法。要注意字标注法是很有潜力的，要不然它也不会在公开测试中取得最优的成绩了。在我看来，字标注法有效有两个主要的原因，第一个原因是它将分词问题变成了一个序列标注问题，而且这个标注是对齐的，也就是输入的字跟输出的标签是一一对应的，这在序列标注中是一个比较成熟的问题；第二个原因是这个标注法实际上已经是一个总结语义规律的过程，以4tag标注为为例，我们知道，“李”字是常用的姓氏，一半作为多字词（人名）的首字，即标记为b；而“想”由于“理想”之类的词语，也有比较高的比例标记为e，这样一来，要是“李想”两字放在一起时，即便原来词表没有“李想”一词，我们也能正确输出be，也就是识别出“李想”为一个词，也正是因为这个原因，即便是常被视为最不精确的HMM模型也能起到不错的效果。

关于标注，还有一个值得讨论的内容，就是标注的数目。常用的是4tag，事实上还有6tag和2tag，而标记分词结果最简单的方法应该是2tag，即标记“切分/不切分”就够了，但效果不好。为什么反而更多数目的tag效果更好呢？因为更多的tag实际上更全面概括了语义规律。比如，用4tag标注，我们能总结出哪些字单字成词、哪些字经常用作开头、哪些字用作末尾，但仅仅用2tag，就只能总结出哪些字经常用作开头，从归纳的角度来看，是不够全面的。但6tag跟4tag比较呢？我觉得不一定更好，6tag的意思是还要总结出哪些字作第二字、第三字，但这个总结角度是不是对的？我觉得，似乎并没有哪些字固定用于第二字或者第三字的，这个规律的总结性比首字和末字的规律弱多了（不过从新词发现的角度来看，6tag更容易发现长词。）。

双向LSTM

关于双向LSTM，理解的思路是：双向LSTM是LSTM的改进版，LSTM是RNN的改进版。因此，首先需要理解RNN。

笔者曾在拙作《从Boosting学习到神经网络：看山是山？》说到过，模型的输出结果，事实上也是一种特征，也可以作为模型的输入来用，RNN正是这样的网络结构。普通的多层神经网络，是一个输入到输出的单向传播过程。如果涉及到高维输入，也可以这样做，但节点太多，不容易训练，也容易过拟合。比如图像输入是1000x1000的，难以直接处理，这就有了CNN；又或者1000词的句子，每个词用100维的词向量，那么输入维度也不小，这时候，解决这个问题的一个方案是RNN（CNN也可以用，但RNN更适合用于序列问题。）。

RNN的意思是，为了预测最后的结果，我先用第一个词预测，当然，只用第一个预测的预测结果肯定不精确，我把这个结果作为特征，跟第二词一起，来预测结果；接着，我用这个新的预测结果结合第三词，来作新的预测；然后重复这个过程；直到最后一个词。这样，如果输入有n个词，那么我们事实上对结果作了n次预测，给出了n个预测序列。整个过程中，模型共享一组参数。因此，RNN降低了模型的参数数目，防止了过拟合，同时，它生来就是为处理序列问题而设计的，因此，特别适合处理序列问题。

LSTM对RNN做了改进，使得能够捕捉更长距离的信息。但是不管是LSTM还是RNN，都有一个问题，它是从左往右推进的，因此后面的词会比前面的词更重要，但是对于分词这个任务来说是不妥的，因为句子各个字应该是平权的。因此出现了双向LSTM，它从左到右做一次LSTM，然后从右到左做一次LSTM，然后把两次结果组合起来。

在分词任务中的应用

关于深度学习与分词，很早就有人尝试过了，比如下列文章：
http://blog.csdn.net/itplus/article/details/13616045
https://github.com/xccds/chinese_wordseg_keras
http://www.leiphone.com/news/201608/IWvc75oJglAIsDvJ.html

这些文章中，不管是用简单的神经网络还是LSTM，它们的做法都跟传统模型是一样的，都是通过上下文来预测当前字的标签，这里的上下文是固定窗口的，比如用前后5个字加上当前字来预测当前字的标签。这种做法没有什么不妥之处，但仅仅是把以往估计概率的方法，如HMM、ME、CRF等，换为了神经网络而已，整个框架是没变的，本质上还是n-gram模型。而有了LSTM，LSTM本身可以做序列到序列（seq2seq）的输出，因此，为什么不直接输出原始句子的序列呢？这样不就真正利用了全文信息了吗？这就是本文的尝试。

LSTM可以根据输入序列输出一个序列，这个序列考虑了上下文的联系，因此，可以给每个输出序列接一个softmax分类器，来预测每个标签的概率。基于这个序列到序列的思路，我们就可以直接预测句子的标签。

Keras实现

事不宜迟，动手最重要。词向量维度用了128，句子长度截断为32（抛弃了多于32字的样本，这部分样本很少，事实上，用逗号、句号等天然分隔符分开后，句子很少有多于32字的。）。这次我用了5tag，在原来的4tag的基础上，加上了一个x标签，用来表示不够32字的部分，比如句子是20字的，那么第21～32个标签均为x。

在数据方面，我用了Bakeoff 2005的语料中微软亚洲研究院（Microsoft Research）提供的部分。代码如下，如果有什么不清晰的地方，欢迎留言。

# -*- coding:utf-8 -*-
import re
import numpy as np
import pandas as pd

s = open('msr_train.txt').read().decode('gbk')
s = s.split('\r\n')

def clean(s): #整理一下数据，有些不规范的地方
    if u'“/s' not in s:
        return s.replace(u' ”/s', '')
    elif u'”/s' not in s:
        return s.replace(u'“/s ', '')
    elif u'‘/s' not in s:
        return s.replace(u' ’/s', '')
    elif u'’/s' not in s:
        return s.replace(u'‘/s ', '')
    else:
        return s

s = u''.join(map(clean, s))
s = re.split(u'[，。！？、]/[bems]', s)

data = [] #生成训练样本
label = []
def get_xy(s):
    s = re.findall('(.)/(.)', s)
    if s:
        s = np.array(s)
        return list(s[:,0]), list(s[:,1])

for i in s:
    x = get_xy(i)
    if x:
        data.append(x[0])
        label.append(x[1])

d = pd.DataFrame(index=range(len(data)))
d['data'] = data
d['label'] = label
d = d[d['data'].apply(len) <= maxlen]
d.index = range(len(d))
tag = pd.Series({'s':0, 'b':1, 'm':2, 'e':3, 'x':4})

chars = [] #统计所有字，跟每个字编号
for i in data:
    chars.extend(i)

chars = pd.Series(chars).value_counts()
chars[:] = range(1, len(chars)+1)

#生成适合模型输入的格式
from keras.utils import np_utils
d['x'] = d['data'].apply(lambda x: np.array(list(chars[x])+[0]*(maxlen-len(x))))
d['y'] = d['label'].apply(lambda x: np.array(map(lambda y:np_utils.to_categorical(y,5), tag[x].reshape((-1,1)))+[np.array([[0,0,0,0,1]])]*(maxlen-len(x))))

#设计模型
word_size = 128
maxlen = 32
from keras.layers import Dense, Embedding, LSTM, TimeDistributed, Input, Bidirectional
from keras.models import Model

sequence = Input(shape=(maxlen,), dtype='int32')
embedded = Embedding(len(chars)+1, word_size, input_length=maxlen, mask_zero=True)(sequence)
blstm = Bidirectional(LSTM(64, return_sequences=True), merge_mode='sum')(embedded)
output = TimeDistributed(Dense(5, activation='softmax'))(blstm)
model = Model(input=sequence, output=output)
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])

batch_size = 1024
history = model.fit(np.array(list(d['x'])), np.array(list(d['y'])).reshape((-1,maxlen,5)), batch_size=batch_size, nb_epoch=50)

#转移概率，单纯用了等概率
zy = {'be':0.5,
      'bm':0.5,
      'eb':0.5,
      'es':0.5,
      'me':0.5,
      'mm':0.5,
      'sb':0.5,
      'ss':0.5
     }

zy = {i:np.log(zy[i]) for i in zy.keys()}

def viterbi(nodes):
    paths = {'b':nodes[0]['b'], 's':nodes[0]['s']}
    for l in range(1,len(nodes)):
        paths_ = paths.copy()
        paths = {}
        for i in nodes[l].keys():
            nows = {}
            for j in paths_.keys():
                if j[-1]+i in zy.keys():
                    nows[j+i]= paths_[j]+nodes[l][i]+zy[j[-1]+i]
            k = np.argmax(nows.values())
            paths[nows.keys()[k]] = nows.values()[k]
    return paths.keys()[np.argmax(paths.values())]

def simple_cut(s):
    if s:
        r = model.predict(np.array([list(chars[list(s)].fillna(0).astype(int))+[0]*(maxlen-len(s))]), verbose=False)[0][:len(s)]
        r = np.log(r)
        nodes = [dict(zip(['s','b','m','e'], i[:4])) for i in r]
        t = viterbi(nodes)
        words = []
        for i in range(len(s)):
            if t[i] in ['s', 'b']:
                words.append(s[i])
            else:
                words[-1] += s[i]
        return words
    else:
        return []

not_cuts = re.compile(u'([\da-zA-Z ]+)|[。，、？！\.\?,!]')
def cut_word(s):
    result = []
    j = 0
    for i in not_cuts.finditer(s):
        result.extend(simple_cut(s[j:i.start()]))
        result.append(s[i.start():i.end()])
        j = i.end()
    result.extend(simple_cut(s[j:]))
    return result

我们可以用model.summary()看一下模型的结构。

>>> model.summary()
_______________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param # Connected to
=======================================================
input_2 (InputLayer) (None, 32) 0
_______________________________________________________
embedding_2 (Embedding) (None, 32, 128) 660864 input_2[0][0]
_______________________________________________________
bidirectional_1 (Bidirectional) (None, 32, 64) 98816 embedding_2[0][0]
_______________________________________________________
timedistributed_2 (TimeDistribute) (None, 32, 5) 325 bidirectional_1[0][0]
=======================================================
Total params: 760005
_______________________________________________________

最终的模型结果如何？我不打算去对比那些评测结果了，现在的模型在测试上达到90%以上的准确率不是什么难事。我关心的是对新词的识别和对歧义的处理。下面是一些测试结果（随便选的）：

RNN 的 意思 是 ， 为了 预测 最后 的 结果 ， 我 先 用 第一个 词 预测 ， 当然 ， 只 用 第一个 预测 的 预测 结果 肯定 不 精确 ， 我 把 这个 结果 作为 特征 ， 跟 第二词 一起 ， 来 预测 结果 ； 接着 ， 我 用 这个 新 的 预测 结果 结合 第三词 ， 来 作 新 的 预测 ； 然后 重复 这个 过程 。

结婚 的 和 尚未 结婚 的

苏剑林 是 科学 空间 的 博主 。

广东省 云浮市 新兴县

魏则西 是 一 名 大学生

这 真是 不堪入目 的 环境

列夫·托尔斯泰 是 俄罗斯 一 位 著名 的 作家

保加利亚 首都 索非亚 是 全国 政治 、 经济 、 文化中心 ， 位于 保加利亚 中 西部

罗斯福 是 第二次世界大战 期间 同 盟国 阵营 的 重要 领导人 之一 。 1941 年 珍珠港 事件发生 后 ， 罗斯 福力 主对 日本 宣战 ， 并 引进 了 价格 管制 和 配给 。 罗斯福 以 租 借 法案 使 美国 转变 为 “ 民主 国家 的 兵工厂 ” ， 使 美国 成为 同 盟国 主要 的 军火 供应商 和 融资 者 ， 也 使得 美国 国内 产业 大幅 扩张 ， 实现 充分 就业 。 二战 后期 同 盟国 逐渐 扭转 形势 后 ， 罗斯福 对 塑造 战后 世界 秩序 发挥 了 关键 作用 ， 其 影响 力 在 雅尔塔 会议 及 联合国 的 成立 中 尤其 明显 。 后来 ， 在 美国 协助 下 ， 盟军 击败 德国 、 意大利 和 日本 。

可以发现，测试结果是很乐观的。不论是人名（中国人名或外国人名）还是地名，识别效果都很好。关于这个模型，目前就说到这里，以后会继续深入的。

最后

事实上本文是提供了一个框架，能够直接通过双向LSTM对序列进行标注，给出完整的标注序列。这种标注的思路，可以用于很多任务，如词性标注、实体识别，因此，基于双向LSTM的seq2seq标注思路，有很广的应用，值得研究。甚至最近热门的深度学习的机器翻译，都是用这种序列到序列的模型实现的。

msr_train.txt.zip

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