BiLSTM-CRF模型理解

适用任务

中文分词、词性标注、命名实体识别是自然语言理解中，基础性的工作，同时也是非常重要的工作。

在很多NLP的项目中，工作开始之前都要经过这三者中的一到多项工作的处理。

在深度学习中，有一种模型可以同时胜任这三种工作，而且效果还很不错--那就是biLSTM_CRF。

biLSTM，指的是双向LSTM；CRF指的是条件随机场。

一些说明

以命名实体识别为例，我们规定在数据集中有两类实体，人名和组织机构名称。

在数据集中总共有5类标签：

B-Person （人名的开始部分）

I- Person （人名的中间部分）

B-Organization （组织机构的开始部分）

I-Organization （组织机构的中间部分）

O （非实体信息）

此外，假设x 是包含了5个单词的一句话（w0,w1,w2,w3,w4）。

在句子x中[w0,w1]是人名，[w3]是组织机构名称，其他都是“O”。

BiLSTM-CRF 模型

先来简要的介绍一下该模型。

如下图所示：

首先，句中的每个单词是一条包含词嵌入和字嵌入的词向量，词嵌入通常是事先训练好的，字嵌入则是随机初始化的。所有的嵌入都会随着训练的迭代过程被调整。

其次，BiLSTM-CRF的输入是词嵌入向量，输出是每个单词对应的预测标签。

如下图所示，BiLSTM层的输入表示该单词对应各个类别的分数。如W0，BiLSTM节点的输出是1.5 (B-Person), 0.9 (I-Person), 0.1 (B-Organization), 0.08 (I-Organization) and 0.05 (O)。这些分数将会是CRF层的输入。 所有的经BiLSTM层输出的分数将作为CRF层的输入，类别序列中分数最高的类别就是我们预测的最终结果。

如果没有CRF层会是什么样

即使没有CRF层，我们照样可以训练一个基于BiLSTM的命名实体识别模型，如下图所示。

因为BiLSTM模型的结果是单词对应各类别的分数，我们可以选择分数最高的类别作为预测结果。如W0，“B-Person”的分数最高（1.5），那么我们可以选定“B-Person”作为预测结果。同样的，w1是“I-Person”, w2是“O”,w3是 “B-Organization” ，w4是 “O”。

尽管我们在该例子中得到了正确的结果，但实际情况并不总是这样：

显然，这次的分类结果并不准确。

CRF层可以学习到句子的约束条件

CRF层可以加入一些约束来保证最终预测结果是有效的。这些约束可以在训练数据时被CRF层自动学习得到。

可能的约束条件有：

• 句子的开头应该是“B-”或“O”，而不是“I-”。
• “B-label1 I-label2 I-label3…”，在该模式中，类别1,2,3应该是同一种实体类别。比如，“B-Person I-Person” 是正确的，而“B-Person I-Organization”则是错误的。
• “O I-label”是错误的，命名实体的开头应该是“B-”而不是“I-”。

有了这些有用的约束，错误的预测序列将会大大减少。

CRF 层

CRF层中的损失函数包括两种类型的分数，而理解这两类分数的计算是理解CRF的关键。

1 Emission score

第一个类型的分数是发射分数（状态分数）。这些状态分数来自BiLSTM层的输出，在这里就是word预测为某个标签的概率。如下图所示，w0被预测为B-Person的分数是1.5.

为方便起见，我们给每个类别一个索引，如下表所示：

Xiyj代表状态分数，i是单词的位置索引，yj是类别的索引。根据上表，

表示单词w1被预测为B−Organization的分数是0.1。

2 转移分数

用tyiyj来表示转移分数。例如，tB−Person,I−Person=0.9表示从类别B−Person→I−Person的分数是0.9。因此，有一个所有类别间的转移分数矩阵。

为了使转移分数矩阵更具鲁棒性，我们加上START 和 END两类标签。START代表一个句子的开始（不是句子的第一个单词），END代表一个句子的结束。

下表是加上START和END标签的转移分数矩阵。

如上表格所示，转移矩阵已经学习到一些有用的约束条件：

• 句子的第一个单词应该是“B-” 或 “O”，而不是“I”。（从“START”->“I-Person 或 I-Organization”的转移分数很低）
• “B-label1 I-label2 I-label3…”，在该模式中，类别1,2,3应该是同一种实体类别。比如，“B-Person I-Person” 是正确的，而“B-Person I-Organization”则是错误的。（“B-Organization” -> “I-Person”的分数很低）
• “O I-label”是错误的，命名实体的开头应该是“B-”而不是“I-”。

要怎样得到这个转移矩阵呢？

实际上，转移矩阵是BiLSTM-CRF模型的一个参数。在训练模型之前，你可以随机初始化转移矩阵的分数。这些分数将随着训练的迭代过程被更新，换句话说，CRF层可以自己学到这些约束条件。

CRF损失函数

CRF损失函数由两部分组成，真实路径的分数 和 所有路径的总分数。真实路径的分数应该是所有路径中分数最高的。

例如，数据集中有如下几种类别：

一个包含5个单词的句子，可能的类别序列如下：

• 1. START B-Person B-Person B-Person B-Person B-Person END
• 2. START B-Person I-Person B-Person B-Person B-Person END
• …..
• 10. START B-Person I-Person O B-Organization O END
• N. O O O O O O O

每种可能的路径的分数为Pi，共有N条路径，则路径的总分是

，e是常数e。

如果第十条路径是真实路径，也就是说第十条是正确预测结果，那么第十条路径的分数应该是所有可能路径里得分最高的。

根据如下损失函数，在训练过程中，BiLSTM-CRF模型的参数值将随着训练过程的迭代不断更新，使得真实路径所占的比值越来越大。

现在的问题是:

1. 怎么定义路径的分数？
2. 怎么计算所有路径的总分？
3. 当计算所有路径总分时，是否需要列举出所有可能的路径？（答案是不需要）

真实路径分数

计算真实路径分数，e^Si，是非常容易的。

我们先集中注意力来计算Si：

以“START B-Person I-Person O B-Organization O END”这条真实路径来说：

句子中有5个单词，w1,w2,w3,w4,w5，加上START和END 在句子的开始位置和结束位置，记为，w0，w6

Si = EmissionScore + TransitionScore

这些分数来自BiLSTM层的输出，至于x0,START 和x6,END ，则设为0。

这些分数来自于CRF层，将这两类分数加和即可得到Si 和 路径分数e^Si

所有路径的总分

如何计算所有路径的总分呢？以一个玩具的例子详细讲解。

Step 1

我们定义的损失函数如下：

现在我们把它变成对数损失函数：

训练目标通常是最小化损失函数，加负号：

前面我们已经很清楚如何计算真实路径得分，现在我们需要找到一个方法去计算

Step 2：回忆一下状态分数 和 转移分数

为了简化问题，假定我句子只有3个单词组成：

X = [w0, w1 ,w2]

只有两个类别：

LabelSet = {l1, l2}

状态分数如下：

转移矩阵如下：

Step 3：

目标是：

整个过程是一个分数的积聚过程。它的实现思想有点像动态规划。首先，w0所有路径的总分先被计算出来，然后，计算w0 -> w1的所有路径的得分，最后计算w0 -> w1 -> w2的所有路径的得分，也就是我们需要的结果。

接下来，会看到两个变量：obs和 previous。Previous存储了之前步骤的结果，obs代表当前单词所带的信息。

如果句子只有一个单词，就没有之前步骤的结果，所以Previous 是空。只能观测到状态分数 obs =【x01，x02】

W0 的所有路径总分就是：

为啥要扩展previous 和 obs 矩阵呢？因为这样操作可以是接下来的计算相当高效。

实际上，第二次迭代过程也就完成了。

发现了吗，这其实就是我们的目标，

读到这边，差不多就大功告成了。这一步，我们再重复一次之前的步骤。

跟上一步骤一样，用新的previous计算总分：

们最终得到了我们的目标，

，我们的句子中共有3个单词和两个类别，所以共有8条路径。

biLSTM_CRF模型在tensorflow中的实现。

运行环境

python 3.6
tensorflow 1.2
本文GITHUB 欢迎Star和Fork。
使用同样方法，构造的中文分词。中文分词GITHUB

正文

1.数据预处理
2.模型构建
3.模型训练与测试
4.模型验证
5.总结

1.数据预处理

首先是将预测数据进行处理，转成模型能够识别的数字。

 

数据原格式

数据是以列形式存储，截图翻转了一下。

我从训练文本中，抽取频数在前5000的字，实际只抽取到了4830左右个字。加入'<PAD>','<UNK>','<NUM>'，分别表示填充字符，未知字符，数字字符。一起存入字典。

 

字典

标签同样也有对应的字典。

# 将tag转换成数字
tag2label = {"O": 0, "B-PER": 1, "I-PER": 2, "B-LOC": 3, "I-LOC": 4, "B-ORG": 5, "I-ORG": 6}

依据字典与标签字典，将文字与标签分别转成数字。第一行是文本，第二行是标签。

 

文本与标签

下一步是生成batch的操作。
生成batch后，需要对batch内句子padding到统一的长度，并计算每句的真实长度。

2.模型构建

采用双向LSTM对序列进行处理，将输出结果进行拼接。输入shape[batch,seq_Length,hidden_dim]，输出shape[batch,seq_length,2*hidden_dim]。

        with tf.name_scope('biLSTM'):
            cell_fw = tf.nn.rnn_cell.LSTMCell(pm.hidden_dim)
            cell_bw = tf.nn.rnn_cell.LSTMCell(pm.hidden_dim)
            outputs, outstates = tf.nn.bidirectional_dynamic_rnn(cell_fw=cell_fw, cell_bw=cell_bw,inputs=self.embedding,
                                                                 sequence_length=self.seq_length, dtype=tf.float32)
            outputs = tf.concat(outputs, 2)#将双向RNN的结果进行拼接
            #outputs三维张量，[batchsize,seq_length,2*hidden_dim]

我们从本文的第一幅图中，可以看出，整个biLSTM完整的输出格式是[batch,seq_length,num_tag]。num_tag是标签的数量，本实验中是标签数量是7。所以我们需要一个全连接层，将输出格式处理一下。

        with tf.name_scope('output'):
            s = tf.shape(outputs)
            output = tf.reshape(outputs, [-1, 2*pm.hidden_dim])
            output = tf.layers.dense(output, pm.num_tags)
            output = tf.contrib.layers.dropout(output, pm.keep_pro)
            self.logits = tf.reshape(output, [-1, s[1], pm.num_tags])

self.logits就是需要输入CRF层中的数据。代码的第三行，对output的变形，表示将[batch,seq_length,2hidden_dim]变成[batchseq_length,2*hidden_dim]，最后处理时再变形为[batch,seq_length,num_tag]。
下面就是CRF层的处理：

        with tf.name_scope('crf'):
            log_likelihood, self.transition_params = crf_log_likelihood(inputs=self.logits, tag_indices=self.input_y, sequence_lengths=self.seq_length)
            # log_likelihood是对数似然函数，transition_params是转移概率矩阵
            #crf_log_likelihood{inputs:[batch_size,max_seq_length,num_tags],
                                #tag_indices:[batchsize,max_seq_length],
                                #sequence_lengths:[real_seq_length]
            #transition_params: A [num_tags, num_tags] transition matrix
            #log_likelihood: A scalar containing the log-likelihood of the given sequence of tag indices.

这一步，是调用from tensorflow.contrib.crf import crf_log_likelihood函数，求最大似然函数，以及求转移矩阵。最大似然函数前加上"-"，可以用梯度下降法求最小值；

        with tf.name_scope('loss'):
            self.loss = tf.reduce_mean(-log_likelihood) #最大似然取负，使用梯度下降

转移矩阵可以帮助维特比算法来求解最优标注序列。

    def predict(self, sess, seqs):
        seq_pad, seq_length = process_seq(seqs)
        logits, transition_params = sess.run([self.logits, self.transition_params], feed_dict={self.input_x: seq_pad,
                                                                                               self.seq_length: seq_length,
                                                                                               self.keep_pro: 1.0})
        label_ = []
        for logit, length in zip(logits, seq_length):
            #logit 每个子句的输出值，length子句的真实长度，logit[:length]的真实输出值
            # 调用维特比算法求最优标注序列
            viterbi_seq, _ = viterbi_decode(logit[:length], transition_params)
            label_.append(viterbi_seq)
        return label_

3.模型训练与测试

训练时，共进行12次迭代，每迭代4次，将训练得到的结果，保存到checkpoints；loss的情况，保留到tensorboard中；每100个batch,输出此时的训练结果与测试结果。

 

模型训练

模型的loss由最初在训练集54.93降到2.29，在测试集上由47.45降到1.73。我们看下，保存的模型在验证集上的效果。

4.模型验证

我从1998年的人民网的新闻素材中，随机抽取了几条语句。

 

模型验证

ORG表示组织名词，LOC表示地理名词,PER表示人名。从验证结果上看，模型在命名实体识别上，效果还可以。

对句子的单词词性做预测

Step 1：BiLSTM-CRF模型得到的发射分数和转移分数

假定我们的句子共3个单词组成：

并且，我们已经从我们的模型中得到了发射分数和转移分数，如下：

转移矩阵：

Step 2：开始预测

如果你熟悉Viterbi算法，理解这一步的知识点将会非常容易。当然，如果你不熟悉也无所谓，整个预测过程和之前求所有路径总分的过程非常类似。我将逐步解释清楚，我们先从左到右的顺序来运行预测算法。

你将会看到两类变量：obs 和 previous。Previous存储了上一个步骤的最终结果，obs代表当前单词包含的信息（发射分数）。

Alpha0 是历史最佳的分数 ，alpha1 是最佳分数所对应的类别索引。这两类变量的详细信息待会会做说明。先来看下面的图片：你可以把这两类变量当做狗狗去森林里玩耍时在路上做的标记，这些标记可以帮助狗狗找到回家的路。

现在，我们来观测第一个单词W0，很显然，W0所对应的最佳预测类别是非常容易知道的。比如，如果

,显然，最佳预测结果是l2。

看到这里，你可能好奇这跟之前求所有路径分数的算法没什么区别，别急，你马上就会看到不同之处啦！

在下一次迭代前更改previous的值：max！

举个例子，如果我们的得分如下：

那么我们的previous应该是：

这是什么意思呢？其实也就是说previous存储的是当前单词对应各类别的最佳路径得分。W1被预测为L1类别的最高分是0.5，路径是L2->L1，W1被预测为L2类别的最高分是0.4，路径是L2->L2。

这边，我们有两个变量来储存历史信息，alpha0 和 alpha1.

在本次迭代中，我们将最佳分数存储到alpha0 ：

同时，最佳分数所对应的类别索引存储到alpha1：

类别L1的索引是0，L2的索引是1，所以（1,1）=（L2，L2）。表示当前最佳分数0.5对应的路径是L2->L1,最佳分数0.4对应的路径是L2->L2。（1,1）可以理解为前一单词分别对应的类别索引。

上面scores有错误，应该是0.5+x21+t11 等

更改previous的值：

假如我们的得分是：

现在我们的previous是：

现在，我们选取previous[0] 和previous[1]中最大的分数作为最佳路径。也就是0.9对应的路径是我们的预测结果。

同时，每个类别对应的最大得分添加到alpha0 和 alpha1中：

Step 3：根据最大得分找到最佳路径

这是最后一步，alpha0 和 alpha1将被用来找到最佳路径。

先看alpha0，alpha0中最后一个单词对应的类别得分分别是0.8 和 0.9，那么0.9对应的类别L2就是最佳预测结果。再看alpha1，L2对应的索引是0, “0”表示之前一个单词对应的类别是L1，所以W1-W2的最佳路径是： L1->L2

接着往前推，alpha1=（1,1），我们已经知道W1的预测结果是L1，对应的索引是0，（1,1）[0] = 1，所以W0对应的类别是L2。

所以我们预测的最佳路径是 L2-> L1 -> L2 。