中文分词结构化感知器SP

Posted 2020-08-31

结构化感知器（Structured Perceptron, SP）是由Collins [1]在EMNLP‘02上提出来的，用于解决序列标注的问题。中文分词工具THULAC、LTP所采用的分词模型便是基于此。

1. 结构化感知器

模型

CRF全局化地以最大熵准则建模概率P(Y|X)P(Y|X)；其中，XX为输入序列xn1x1n，YY为标注序列yn1y1n。不同于CRF，SP则是（同样以最大熵准则）建模score函数：

 

S(Y,X)=∑sαsΦs(Y,X)S(Y,X)=∑sαsΦs(Y,X)

 

其中，Φs(Y,X)Φs(Y,X)为本地特征函数?s(hi,yi)?s(hi,yi)的全局化表示：

 

Φs(Y,X)=∑i?s(hi,yi)Φs(Y,X)=∑i?s(hi,yi)

 

那么，SP解决序列标注问题，可视作为：给定XX序列，求解score函数最大值对应的YY序列：

 

argmaxYS(Y,X)arg?maxY?S(Y,X)

 

为了避免模型过拟合，保留每一次更新的权重，然后对其求平均。具体流程如下所示：

因此，结构化感知器也被称为平均感知器（Average Perceptron）。

解码

在将SP应用于中文分词时，除了事先定义的特征模板外，还用用到一个状态转移特征(yt?1,yt)(yt?1,yt)。记在时刻tt的状态为yy的路径yt1y1t所对应的score函数最大值为

 

δt(y)=maxS(yt?11,X,yt=y)δt(y)=maxS(y1t?1,X,yt=y)

 

则有，在时刻t+1t+1

 

δt+1(y)=maxy′ {δt(y′)+wy′,y+F(yt+1=y,X)}δt+1(y)=maxy′ {δt(y′)+wy′,y+F(yt+1=y,X)http://www.qwangxiao.com/k/jiandan/}

 

其中，wy′,ywy′,y为转移特征(y′,y)(y′,y)所对应的权值，F(yt+1=y,X)F(yt+1=y,X)为yt+1=yyt+1=y所对应的特征模板的特征值的加权之和。

2. 开源实现

作为THULAC的雏形，张开旭大神的minitools/cws给出了SP中文分词的简单实现。首先，来看看定义的特征模板：

def gen_features(self, x):  # 枚举得到每个字的特征向量
    for i in range(len(x)):
        left2 = x[i - 2] if i - 2 >= 0 else ‘#‘
        left1 = x[i - 1] if i - 1 >= 0 else ‘#‘
        mid = x[i]
        right1 = x[i + 1] if i + 1 < len(x) else ‘#‘
        right2 = x[i + 2] if i + 2 < len(x) else ‘#‘
        features = [‘1‘ + mid, ‘2‘ + left1, ‘3‘ + right1,
                    ‘4‘ + left2 + left1, ‘5‘ + left1 + mid, ‘6‘ + mid + right1, ‘7‘ + right1 + right2]
        yield features

共定义了7个特征：

• xiyixiyi
• xi?1yixi?1yi
• xi+1yixi+1yi
• xi?2xi?1yixi?2xi?1yi
• xi?1xiyixi?1xiyi
• xixi+1yixixi+1yi
• xi+1xi+2yixi+1xi+2yi

将状态B、M、E、S分别对应于数字0、1、2、3：

def load_example(words):  # 词数组，得到x，y
    y = []
    for word in words:
        if len(word) == 1:
            y.append(3)
        else:
            y.extend([0] + [1] * (len(word) - 2) + [2])
    return ‘‘.join(words), y

训练语料则采取了比较粗糙的更新权重的方法，正确则+1错误则-1：

for i in range(args.iteration):
    print(‘第 %i 次迭代‘ % (i + 1), end=‘ ‘), sys.stdout.flush()
    evaluator = Evaluator()
    for l in open(args.train, ‘r‘, ‘utf-8‘):
        x, y = load_example(l.split())
        z = cws.decode(x)
        evaluator(dump_example(x, y), dump_example(x, z))
        cws.weights._step += 1
        if z != y:
            cws.update(x, y, 1)
            cws.update(x, z, -1)
    evaluator.report()
    cws.weights.update_all()
    cws.weights.average()

Viterbi算法用于解码，与HMM相类似：

def decode(self, x):  # 类似隐马模型的动态规划解码算法
    # 类似隐马模型中的转移概率
    transitions = [[self.weights.get_value(str(i) + ‘:‘ + str(j), 0) for j in range(4)]
                   for i in range(4)]
    # 类似隐马模型中的发射概率
    emissions = [[sum(self.weights.get_value(str(tag) + feature, 0) for feature in features)
                  for tag in range(4)] for features in self.gen_features(x)]
    # 类似隐马模型中的前向概率
    alphas = [[[e, None] for e in emissions[0]]]
    for i in range(len(x) - 1):
        alphas.append([max([alphas[i][j][0] + transitions[j][k] + emissions[i + 1][k], j]
                           for j in range(4))
                       for k in range(4)])
    # 根据alphas中的“指针”得到最优序列
    alpha = max([alphas[-1][j], j] for j in range(4))
    i = len(x)
    tags = []
    while i:
        tags.append(alpha[1])
        i -= 1
        alpha = alphas[i][alpha[1]]
    return list(reversed(tags))

3. 参考资料

[1] Collins, Michael. "Discriminative training methods for hidden markov models: Theory and experiments with perceptron algorithms." Proceedings of the ACL-02 conference on Empirical methods in natural language processing-Volume 10. Association for Computational Linguistics, 2002.
[2] Zhang, Yue, and Stephen Clark. "Chinese segmentation with a word-based perceptron algorithm." Annual Meeting-Association for Computational Linguistics. Vol. 45. No. 1. 2007.
[3] Kai Zhao and Liang Huang, Structured Prediction with Perceptron: Theory and Algorithms.
[4] Michael Collins, Lecture 4, COMS E6998-3: The Structured Perceptron. http://www.qwangxiao.com/k/jiandan/