PaddlePaddle︱开发文档中学习情感分类（CNN、LSTM、双向LSTM）、语义角色标注

PaddlePaddle出教程啦，教程一部分写的很详细，值得学习。

一期涉及新手入门、识别数字、图像分类、词向量、情感分析、语义角色标注、机器翻译、个性化推荐。

二期会有更多的图像内容。

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一、情感分类模型介绍CNN、RNN、LSTM、栈式双向LSTM

教程链接：http://book.paddlepaddle.org/understand_sentiment/

1、文本卷积神经网络（CNN）

卷积神经网络经常用来处理具有类似网格拓扑结构（grid-like topology）的数据。例如，图像可以视为二维网格的像素点，自然语言可以视为一维的词序列。卷积神经网络可以提取多种局部特征，并对其进行组合抽象得到更高级的特征表示。实验表明，卷积神经网络能高效地对图像及文本问题进行建模处理。

卷积神经网络主要由卷积（convolution）和池化（pooling）操作构成，其应用及组合方式灵活多变，种类繁多。本小结我们以一种简单的文本分类卷积神经网络为例进行讲解（Kim Y. Convolutional neural networks for sentence classification[J]. arXiv preprint arXiv:1408.5882, 2014.），如图1所示：

在实际应用中，我们会使用多个卷积核来处理句子，窗口大小相同的卷积核堆叠起来形成一个矩阵（上文中的单个卷积核参数w相当于矩阵的某一行），这样可以更高效的完成运算。另外，我们也可使用窗口大小不同的卷积核来处理句子（图1作为示意画了四个卷积核，不同颜色表示不同大小的卷积核操作）。

最后，将所有卷积核得到的特征拼接起来即为文本的定长向量表示，对于文本分类问题，将其连接至softmax即构建出完整的模型。

对于一般的短文本分类问题，上文所述的简单的文本卷积网络即可达到很高的正确率（Kim Y. Convolutional neural networks for sentence classification[J]. arXiv preprint arXiv:1408.5882, 2014.）。若想得到更抽象更高级的文本特征表示，可以构建深层文本卷积神经网络

（参考paper：

Kalchbrenner N, Grefenstette E, Blunsom P. A convolutional neural network for modelling sentences[J]. arXiv preprint arXiv:1404.2188, 2014.、

Yann N. Dauphin, et al. Language Modeling with Gated Convolutional Networks[J] arXiv preprint arXiv:1612.08083, 2016.）。

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2、循环神经网络（RNN）

循环神经网络是一种能对序列数据进行精确建模的有力工具。实际上，循环神经网络的理论计算能力是图灵完备的。自然语言是一种典型的序列数据（词序列），近年来，循环神经网络及其变体（Hochreiter S, Schmidhuber J. Long short-term memory[J]. Neural computation, 1997, 9(8): 1735-1780.）在自然语言处理的多个领域，如语言模型、句法解析、语义角色标注（或一般的序列标注）、语义表示、图文生成、对话、机器翻译等任务上均表现优异甚至成为目前效果最好的方法。



在处理自然语言时，一般会先将词（one-hot表示）映射为其词向量（word embedding）表示，然后再作为循环神经网络每一时刻的输入xt。此外，可以根据实际需要的不同在循环神经网络的隐层上连接其它层。如，可以把一个循环神经网络的隐层输出连接至下一个循环神经网络的输入构建深层（deep or stacked）循环神经网络，或者提取最后一个时刻的隐层状态作为句子表示进而使用分类模型等等。

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3、长短期记忆网络（LSTM）

对于较长的序列数据，循环神经网络的训练过程中容易出现梯度消失或爆炸现象[paper]。为了解决这一问题，Hochreiter S, Schmidhuber J. (1997)提出了LSTM(long short term memory)。

相比于简单的循环神经网络，LSTM增加了记忆单元c、输入门i、遗忘门f及输出门o。这些门及记忆单元组合起来大大提升了循环神经网络处理长序列数据的能力。

LSTM通过给简单的循环神经网络增加记忆及控制门的方式，增强了其处理远距离依赖问题的能力。类似原理的改进还有Gated Recurrent Unit (GRU)[paper]，其设计更为简洁一些。这些改进虽然各有不同，但是它们的宏观描述却与简单的循环神经网络一样（如图2所示），即隐状态依据当前输入及前一时刻的隐状态来改变，不断地循环这一过程直至输入处理完毕

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4、栈式双向LSTM（Stacked Bidirectional LSTM）

对于正常顺序的循环神经网络，ht包含了t时刻之前的输入信息，也就是上文信息。同样，为了得到下文信息，我们可以使用反方向（将输入逆序处理）的循环神经网络。结合构建深层循环神经网络的方法（深层神经网络往往能得到更抽象和高级的特征表示），我们可以通过构建更加强有力的基于LSTM的栈式双向循环神经网络[paper]，来对时序数据进行建模。

如图4所示（以三层为例），奇数层LSTM正向，偶数层LSTM反向，高一层的LSTM使用低一层LSTM及之前所有层的信息作为输入，对最高层LSTM序列使用时间维度上的最大池化即可得到文本的定长向量表示（这一表示充分融合了文本的上下文信息，并且对文本进行了深层次抽象），最后我们将文本表示连接至softmax构建分类模型。

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二、语义角色标注

原文链接：http://book.paddlepaddle.org/label_semantic_roles/

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1、理论介绍

自然语言分析技术大致分为三个层面：词法分析、句法分析和语义分析。语义角色标注是实现浅层语义分析的一种方式。在一个句子中，谓词是对主语的陈述或说明，指出“做什么”、“是什么”或“怎么样，代表了一个事件的核心，跟谓词搭配的名词称为论元。语义角色是指论元在动词所指事件中担任的角色。主要有：施事者（Agent）、受事者（Patient）、客体（Theme）、经验者（Experiencer）、受益者（Beneficiary）、工具（Instrument）、处所（Location）、目标（Goal）和来源（Source）等。

请看下面的例子，“遇到” 是谓词（Predicate，通常简写为“Pred”），“小明”是施事者（Agent），“小红”是受事者（Patient），“昨天” 是事件发生的时间（Time），“公园”是事情发生的地点（Location）。

语义角色标注（Semantic Role Labeling，SRL）以句子的谓词为中心，不对句子所包含的语义信息进行深入分析，只分析句子中各成分与谓词之间的关系，即句子的谓词（Predicate）- 论元（Argument）结构，并用语义角色来描述这些结构关系，是许多自然语言理解任务（如信息抽取，篇章分析，深度问答等）的一个重要中间步骤。在研究中一般都假定谓词是给定的，所要做的就是找出给定谓词的各个论元和它们的语义角色。

传统的SRL系统大多建立在句法分析基础之上，通常包括5个流程：

• 构建一棵句法分析树，例如，图1是对上面例子进行依存句法分析得到的一棵句法树。
• 从句法树上识别出给定谓词的候选论元。
• 候选论元剪除；一个句子中的候选论元可能很多，候选论元剪除就是从大量的候选项中剪除那些最不可能成为论元的候选项。
• 论元识别：这个过程是从上一步剪除之后的候选中判断哪些是真正的论元，通常当做一个二分类问题来解决。
• 对第4步的结果，通过多分类得到论元的语义角色标签。可以看到，句法分析是基础，并且后续步骤常常会构造的一些人工特征，这些特征往往也来自句法分析。

然而，完全句法分析需要确定句子所包含的全部句法信息，并确定句子各成分之间的关系，是一个非常困难的任务，目前技术下的句法分析准确率并不高，句法分析的细微错误都会导致SRL的错误。为了降低问题的复杂度，同时获得一定的句法结构信息，“浅层句法分析”的思想应运而生。浅层句法分析也称为部分句法分析（partial parsing）或语块划分（chunking）。和完全句法分析得到一颗完整的句法树不同，浅层句法分析只需要识别句子中某些结构相对简单的独立成分，例如：动词短语，这些被识别出来的结构称为语块。为了回避 “无法获得准确率较高的句法树” 所带来的困难，一些研究也提出了基于语块（chunk）的SRL方法。基于语块的SRL方法将SRL作为一个序列标注问题来解决。序列标注任务一般都会采用BIO表示方式来定义序列标注的标签集，我们先来介绍这种表示方法。在BIO表示法中，B代表语块的开始，I代表语块的中间，O代表语块结束。通过B、I、O 三种标记将不同的语块赋予不同的标签，例如：对于一个角色为A的论元，将它所包含的第一个语块赋予标签B-A，将它所包含的其它语块赋予标签I-A，不属于任何论元的语块赋予标签O。

我们继续以上面的这句话为例，图1展示了BIO表示方法。



从上面的例子可以看到，根据序列标注结果可以直接得到论元的语义角色标注结果，是一个相对简单的过程。这种简单性体现在：

（1）依赖浅层句法分析，降低了句法分析的要求和难度；

（2）没有了候选论元剪除这一步骤；

（3）论元的识别和论元标注是同时实现的。这种一体化处理论元识别和论元标注的方法，简化了流程，降低了错误累积的风险，往往能够取得更好的结果。

与基于语块的SRL方法类似，在本教程中我们也将SRL看作一个序列标注问题，不同的是，我们只依赖输入文本序列，不依赖任何额外的语法解析结果或是复杂的人造特征，利用深度神经网络构建一个端到端学习的SRL系统。

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2、基于LSTM的栈式循环神经网络

一个LSTM单元完成的运算可以被分为三部分：（1）输入到隐层的映射（input-to-hidden） ：每个时间步输入信息x会首先经过一个矩阵映射，再作为遗忘门，输入门，记忆单元，输出门的输入，注意，这一次映射没有引入非线性激活；（2）隐层到隐层的映射（hidden-to-hidden）：这一步是LSTM计算的主体，包括遗忘门，输入门，记忆单元更新，输出门的计算；（3）隐层到输出的映射（hidden-to-output）：通常是简单的对隐层向量进行激活。我们在第一个版本的栈式网络的基础上，加入一条新的路径：除上一层LSTM输出之外，将前层LSTM的输入到隐层的映射作为的一个新的输入，同时加入一个线性映射去学习一个新的变换。

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3、双向循环神经网络（Bidirectional Recurrent Neural Network）

在LSTM中，t时刻的隐藏层向量编码了到t时刻为止所有输入的信息，但t时刻的LSTM可以看到历史，却无法看到未来。在绝大多数自然语言处理任务中，我们几乎总是能拿到整个句子。这种情况下，如果能够像获取历史信息一样，得到未来的信息，对序列学习任务会有很大的帮助。

为了克服这一缺陷，我们可以设计一种双向循环网络单元，它的思想简单且直接：对上一节的栈式循环神经网络进行一个小小的修改，堆叠多个LSTM单元，让每一层LSTM单元分别以：正向、反向、正向 …… 的顺序学习上一层的输出序列。于是，从第2层开始，t时刻我们的LSTM单元便总是可以看到历史和未来的信息。图4是基于LSTM的双向循环神经网络结构示意图。

需要说明的是，这种双向RNN结构和Bengio等人在机器翻译任务中使用的双向RNN结构[3, 4] 并不相同

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4、条件随机场 (Conditional Random Field)

使用神经网络模型解决问题的思路通常是：前层网络学习输入的特征表示，网络的最后一层在特征基础上完成最终的任务。在SRL任务中，深层LSTM网络学习输入的特征表示，条件随机场（Conditional Random Filed， CRF）在特征的基础上完成序列标注，处于整个网络的末端。

序列标注任务只需要考虑输入和输出都是一个线性序列，并且由于我们只是将输入序列作为条件，不做任何条件独立假设，因此输入序列的元素之间并不存在图结构。综上，在序列标注任务中使用的是如图5所示的定义在链式图上的CRF，称之为线性链条件随机场（Linear Chain Conditional Random Field）。



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5、深度双向LSTM（DB-LSTM）SRL模型

在SRL任务中，输入是 “谓词” 和 “一句话”，目标是从这句话中找到谓词的论元，并标注论元的语义角色。如果一个句子含有n个谓词，这个句子会被处理n次。一个最为直接的模型是下面这样：

• 构造输入；
• 输入1是谓词，输入2是句子 将输入1扩展成和输入2一样长的序列，用one-hot方式表示；
• one-hot方式的谓词序列和句子序列通过词表，转换为实向量表示的词向量序列；
• 将步骤2中的2个词向量序列作为双向LSTM的输入，学习输入序列的特征表示；
• CRF以步骤3中模型学习到的特征为输入，以标记序列为监督信号，实现序列标注；

大家可以尝试上面这种方法。这里，我们提出一些改进，引入两个简单但对提高系统性能非常有效的特征：

• 谓词上下文：上面的方法中，只用到了谓词的词向量表达谓词相关的所有信息，这种方法始终是非常弱的，特别是如果谓词在句子中出现多次，有可能引起一定的歧义。从经验出发，谓词前后若干个词的一个小片段，能够提供更丰富的信息，帮助消解歧义。于是，我们把这样的经验也添加到模型中，为每个谓词同时抽取一个“谓词上下文” 片段，也就是从这个谓词前后各取n个词构成的一个窗口片段；
• 谓词上下文区域标记：为句子中的每一个词引入一个0-1二值变量，表示它们是否在“谓词上下文”片段中；

修改后的模型如下（图6是一个深度为4的模型结构示意图）：

• 构造输入
• 输入1是句子序列，输入2是谓词序列，输入3是谓词上下文，从句子中抽取这个谓词前后各n个词，构成谓词上下文，用one-hot方式表示，输入4是谓词上下文区域标记，标记了句子中每一个词是否在谓词上下文中；
• 将输入2~3均扩展为和输入1一样长的序列；
• 输入1~4均通过词表取词向量转换为实向量表示的词向量序列；其中输入1、3共享同一个词表，输入2和4各自独有词表；
• 第2步的4个词向量序列作为双向LSTM模型的输入；LSTM模型学习输入序列的特征表示，得到新的特性表示序列；
• CRF以第3步中LSTM学习到的特征为输入，以标记序列为监督信号，完成序列标注；