第四期coding_group笔记_用CRF实现分词-词性标注

一、背景知识

1.1 什么是分词？

　　NLP的基础任务分为三个部分，词法分析、句法分析和语义分析，其中词法分析中有一种方法叫Tokenization，对汉字以字为单位进行处理叫做分词。

　　Example :  我  去  北  京

　　　　　　　S       S       B       E

　　注：S代表一个单独词，B代表一个词的开始，E表示一个词的结束（北京是一个词）。

1.2 什么是词性标注？

　　句法分析中有一种方法叫词性标注（pos tagging），词性标注的目标是使用类似PN、VB等的标签对句子（一连串的词或短语）进行打签。

　　Example :           I   can  open  this   can  .

　　Pos tagging  -> PN  MD   VV   PN   NN  PU

　　注：PN代词 MD情态动词 VV 动词 NN名词 PU标点符号

1.3 什么是分词-词性标注？

　　分词-词性标注就是将分词和词性标注两个任务同时进行，在一个模型里完成，可以减少错误传播。

　　Example :   我    去    北    京

　　　　　　　S-PN      S-VV        B-NN        E-NN

　　注：如果想理解更多关于nlp基础任务的知识，可参看我整理的张岳老师暑期班的第一天的笔记。

1.4 什么是CRF？

　　条件随机场（conditional random field）是一种用来标记和切分序列化数据的统计模型。在NLP领域可以用来做序列标注任务。

　　注：更多关于条件随机场的理论知识，可以参考以下内容：

　　条件随机场综述　　

　　如何轻松愉快地理解条件随机场（CRF）　　

　　条件随机场介绍（译）Introduction to Conditional Random Fields

　　CRF条件随机场简介

二、CRF序列标注

2.1 模型结构图

最底下的词向量层，上两层是Bi-LSTM层，最上面一层是CRF层。数据流程是从下层向上层计算。

2.2 CRF部分

2.2.1 理论

Point 1: 在CRF中，每个特征函数以下列信息作为输入，输出是一个实数值。

（1）一个句子s

（2）词在句子中的位置i

（3）当前词的标签

（4）前一个词的标签

注：通过限制特征只依赖于当前与之前词的标签，而不是句子中的任意标签，实际上是建立了一种特殊的线性CRF，而不是广义上的CRF。

Point 2: CRF的训练参数

（1）Input: x = {我，去，北京}

（2）Answer: y_gold = {PN,  VV,  NN}

（3）y'是CRF标注的所有可能值，有3*3*3=27个；

（4）T矩阵存储转移分数，T[y_iy_i-1]是上个标签是的情况下，下个标签是y_i的分数；

（5）h_i是向量序列，通过神经网络Bi-LSTM得到，h_i[y_i]是被标成的发射分数；

（6）score(x,y)是模型对x被标注成y所打出的分数，是一个实数值；

　　　　　　　

　　Example : 我  去  北京

　　　  PN     VV     NN

　  

（7）P(y_gold|x)是模型x对标注出y_gold的概率；

　　　　　　

Point 3: CRF的训练目标：训练模型使得变大

Step 1: 对P(y_gold|x)进行转化，取对数

　　　　　　 

　　　　　 

Step 2: 最终目标函数，使用梯度下降法

　　　　　　 

　　　　　　

Step 3: 编程实现

　　　　　　 

     def _forward_alg(self, feats):
         # do the forward algorithm to compute the partition function
         init_alphas = torch.Tensor(1, self.labelSize).fill_(0)
         # Wrap in a variable so that we will get automatic backprop
         forward_var = autograd.Variable(init_alphas)

         # Iterate through the sentence
         for idx in range(len(feats)):
             feat = feats[idx]
             alphas_t = []           # The forward variables at this timestep
             for next_tag in range(self.labelSize):
                 # broadcast the emission score: it is the same regardless of the previous tag
                 if idx == 0:
                     alphas_t.append(feat[next_tag].view(1, -1))
                 else:
                     emit_score = feat[next_tag].view(1, -1).expand(1, self.labelSize)
                     # the ith entry of trans_score is the score of transitioning to next_tag from i
                     trans_score = self.T[next_tag]
                     # The ith entry of next_tag_var is the value for the edge (i -> next_tag) before we do log-sum-exp
                     next_tag_var = forward_var + trans_score + emit_score
                     # The forward variable for this tag is log-sum-exp of all the scores.
                     alphas_t.append(self.log_sum_exp(next_tag_var))
             forward_var = torch.cat(alphas_t).view(1, -1)
         alpha_score = self.log_sum_exp(forward_var)
         return alpha_score

 　　# Compute log sum exp in a numerically stable way for the forward algorithm
     def log_sum_exp(self, vec):
         max_score = vec[0, self.argmax(vec)]
         max_score_broadcast = max_score.view(1, -1).expand(1, vec.size()[1])
         return max_score + torch.log(torch.sum(torch.exp(vec - max_score_broadcast)))

　　　　　

     def neg_log_likelihood(self, feats, tags):
         forward_score = self._forward_alg(feats)                # calculate denominator
         gold_score = self._score_sentence(feats, tags)
         return forward_score - gold_score                       # calculate loss

train()中的训练部分：

         for iter in range(self.hyperParams.maxIter):
             print('###Iteration' + str(iter) + "###")
             random.shuffle(indexes)
             for idx in range(len(trainExamples)):
                 # Step 1. Remember that Pytorch accumulates gradients. We need to clear them out before each instance
                 self.model.zero_grad()
                 # Step 2. Get our inputs ready for the network, that is, turn them into Variables of word indices.
                 self.model.LSTMHidden = self.model.init_hidden()
                 exam = trainExamples[indexes[idx]]
                 # Step 3. Run our forward pass. Compute the loss, gradients, and update the parameters by calling optimizer.step()
                 lstm_feats = self.model(exam.feat)
                 loss = self.model.crf.neg_log_likelihood(lstm_feats, exam.labelIndexs)
                 loss.backward()
                 optimizer.step()
                 if (idx + 1) % self.hyperParams.verboseIter == 0:
                     print('current: ', idx + 1,  ", cost:", loss.data[0])

Point 4: 使用模型预测序列

使用维特比解码算法，解决篱笆图中的最短路径问题

　

step 1:  初始节点没有转移值

                 if idx == 0:
                     viterbi_var.append(feat[next_tag].view(1, -1))

step 2: 节点值由三部分组成，最后求取最大值，得到lastbestlabel的下标

             for next_tag in range(self.labelSize):
                 if idx == 0:
                     viterbi_var.append(feat[next_tag].view(1, -1))
                 else:
                     emit_score = feat[next_tag].view(1, -1).expand(1, self.labelSize)
                     trans_score = self.T[next_tag]
                     next_tag_var = forward_var + trans_score + emit_score
                     best_label_id = self.argmax(next_tag_var)
                     bptrs_t.append(best_label_id)
                     viterbi_var.append(next_tag_var[0][best_label_id])

step 3: 计算出所有节点，比较最后一个词的值，求取最大值之后，向前推出最佳序列。

维特比解码算法实现预测序列

     def _viterbi_decode(self, feats):
         init_score = torch.Tensor(1, self.labelSize).fill_(0)
         # forward_var at step i holds the viterbi variables for step i-1
         forward_var = autograd.Variable(init_score)
         back = []
         for idx in range(len(feats)):
             feat = feats[idx]
             bptrs_t = []                        # holds the backpointers for this step
             viterbi_var = []                    # holds the viterbi variables for this step
             for next_tag in range(self.labelSize):
                 # next_tag_var[i] holds the viterbi variable for tag i at the previous step,
                 # plus the score of transitioning from tag i to next_tag.
                 # We don't include the emission scores here because the max does not
                 # depend on them (we add them in below)
                 if idx == 0:
                     viterbi_var.append(feat[next_tag].view(1, -1))
                 else:
                     emit_score = feat[next_tag].view(1, -1).expand(1, self.labelSize)
                     trans_score = self.T[next_tag]
                     next_tag_var = forward_var + trans_score + emit_score
                     best_label_id = self.argmax(next_tag_var)
                     bptrs_t.append(best_label_id)
                     viterbi_var.append(next_tag_var[0][best_label_id])
             # Now add in the emission scores, and assign forward_var to the set of viterbi variables we just computed
             forward_var = (torch.cat(viterbi_var)).view(1, -1)
             if idx > 0:
                 back.append(bptrs_t)
         best_label_id = self.argmax(forward_var)
         # Follow the back pointers to decode the best path.
         best_path = [best_label_id]
         path_score = forward_var[0][best_label_id]
         for bptrs_t in reversed(back):
             best_label_id = bptrs_t[best_label_id]
             best_path.append(best_label_id)
         best_path.reverse()
         return path_score, best_path

train()函数中的预测部分

  　　　　　　# Check predictions after training
             eval_dev = Eval()
             for idx in range(len(devExamples)):
                 predictLabels = self.predict(devExamples[idx])
                 devInsts[idx].evalPRF(predictLabels, eval_dev)
             print('Dev: ', end="")
             eval_dev.getFscore()

             eval_test = Eval()
             for idx in range(len(testExamples)):
                 predictLabels = self.predict(testExamples[idx])
                 testInsts[idx].evalPRF(predictLabels, eval_test)
             print('Test: ', end="")
             eval_test.getFscore()

     def predict(self, exam):
         tag_hiddens = self.model(exam.feat)
         _, best_path = self.model.crf._viterbi_decode(tag_hiddens)
         predictLabels = []
         for idx in range(len(best_path)):
             predictLabels.append(self.hyperParams.labelAlpha.from_id(best_path[idx]))
         return predictLabels

Point 5 : 使用F1分数测量精度，最佳值为1，最差为0

　　　　　　　　

     def getFscore(self):
         if self.predict_num == 0:
             self.precision = 0
         else:
             self.precision = self.correct_num / self.predict_num

         if self.gold_num == 0:
             self.recall = 0
         else:
             self.recall = self.correct_num / self.gold_num

         if self.precision + self.recall == 0:
             self.fscore = 0
         else:
             self.fscore = 2 * (self.precision * self.recall) / (self.precision + self.recall)
         print("precision: ", self.precision, ", recall: ", self.recall, ", fscore: ", self.fscore)

注：全部代码和注释链接

扩展：可将数据中第二列和第一列一起放入Bi-LSTM中提取特征，这次只用到数据的第一列和第三列。