【自然语言处理（NLP）】基于LSTM的命名实体识别(进阶)
作者简介：在校大学生一枚，华为云享专家，阿里云专家博主，腾云先锋（TDP）成员，云曦智划项目总负责人，全国高等学校计算机教学与产业实践资源建设专家委员会（TIPCC）志愿者，以及编程爱好者，期待和大家一起学习，一起进步~
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文章目录
前言
(一)、任务描述
命名实体识别任务主要识别文本中的实体，并且给识别出的实体进行分类，比如人名、地名、机构名或其它类型。本质上，对于给定的文本，只需要对其中的每个单词进行分类，只不过需要对分类的标签进行重新定义。
(二)、环境配置
本示例基于飞桨开源框架2.0版本。
import paddle
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
print(paddle.__version__)
输出结果如下图1所示：
一、优化进阶-使用预训练的词向量优化模型效果
在Baseline版本中，我们调用了paddle.nn.Embedding获取词的向量表示。这里，我们调用paddlenlp.embeddings中内置的向量表示TokenEmbedding
(一)、导入相关包
from paddlenlp.embeddings import TokenEmbedding # EMB
del model
del preds
del network
(二)、定义BiGRUWithCRF2
class BiGRUWithCRF2(nn.Layer):
def __init__(self,
emb_size,
hidden_size,
word_num,
label_num,
use_w2v_emb=True):
super(BiGRUWithCRF2, self).__init__()
if use_w2v_emb:
self.word_emb = TokenEmbedding(
extended_vocab_path='./data/word.dic', unknown_token='OOV')
else:
self.word_emb = nn.Embedding(word_num, emb_size)
self.gru = nn.GRU(emb_size,
hidden_size,
num_layers=2,
direction='bidirectional')
self.fc = nn.Linear(hidden_size * 2, label_num + 2) # BOS EOS
self.crf = LinearChainCrf(label_num)
self.decoder = ViterbiDecoder(self.crf.transitions)
def forward(self, x, lens):
embs = self.word_emb(x)
output, _ = self.gru(embs)
output = self.fc(output)
_, pred = self.decoder(output, lens)
return output, lens, pred
(三)、模型构建
network = BiGRUWithCRF2(300, 300, len(word_vocab), len(label_vocab))
model = paddle.Model(network)
optimizer = paddle.optimizer.Adam(learning_rate=0.001, parameters=model.parameters())
crf_loss = LinearChainCrfLoss(network.crf)
chunk_evaluator = ChunkEvaluator(label_list=label_vocab.keys(), suffix=True)
model.prepare(optimizer, crf_loss, chunk_evaluator)
model.fit(train_data=train_loader,
eval_data=dev_loader,
epochs=10,
save_dir='./results',
log_freq=1)
model.evaluate(eval_data=test_loader)
(四)、模型验证
outputs, lens, decodes = model.predict(test_data=test_loader)
preds = parse_decodes(test_ds, decodes, lens, label_vocab)
print('\n'.join(preds[:5]))
二、概念解释
(一)、门控循环单元GRU
BIGRU是一种经典的循环神经网络（RNN，Recurrent Neural Network），前面一些步骤基本是把该模型当做是黑盒子来用，这里我们重点解释下其概念和相关原理。一个 RNN 的示意图如下所示：
左边是原始的 RNN，可以看到绿色的点代码输入 x，红色的点代表输出 y，中间的蓝色是 RNN 模型部分。橙色的箭头由自身指向自身，表示 RNN 的输入来自于上时刻的输出，这也是为什么名字中带有循环（Recurrent）这个词。
右边是按照时间序列展开的示意图，注意到蓝色的 RNN 模块是同一个，只不过在不同的时刻复用了。这时候能够清晰地表示序列标注模型的输入输出。
GRU为了解决长期记忆和反向传播中梯度问题而提出来的，和LSTM一样能够有效对长序列建模，且GRU训练效率更高。
(二)、条件随机场CRF
长句子的问题解决了，序列标注任务的另外一个问题也亟待解决，即标签之间的依赖性。举个例子，我们预测的标签一般不会出现 P-B，T-I 并列的情况，因为这样的标签不合理，也无法解析。无论是 RNN 还是 LSTM 都只能尽量不出现，却无法从原理上避免这个问题。下面要提到的条件随机场（CRF，Conditional Random Field）却很好的解决了这个问题。
条件随机场这个模型属于概率图模型中的无向图模型，这里我们不做展开，只直观解释下该模型背后考量的思想。一个经典的链式 CRF 如下图所示，
CRF 本质是一个无向图，其中绿色点表示输入，红色点表示输出。点与点之间的边可以分成两类，一类是 x x x 与 y y y 之间的连线，表示其相关性；另一类是相邻时刻的 y y y 之间的相关性。也就是说，在预测某时刻 y y y 时，同时要考虑相邻的标签解决。当 CRF 模型收敛时，就会学到类似 P-B 和 T-I 作为相邻标签的概率非常低。
总结
本系列文章内容为根据清华社出版的《自然语言处理实践》所作的相关笔记和感悟，其中代码均为基于百度飞桨开发，若有任何侵权和不妥之处，请私信于我，定积极配合处理，看到必回！！！
最后，引用本次活动的一句话，来作为文章的结语～(￣▽￣～)~：
【学习的最大理由是想摆脱平庸，早一天就多一份人生的精彩；迟一天就多一天平庸的困扰。】
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