中文命名实体识别_命名实体 rnn实现

作者：菜鸟追梦旅行 | 2024-04-02 14:12:43

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命名实体 rnn实现

本文通过people_daily_ner数据集，介绍两段式训练过程，第一阶段是训练下游任务模型，第二阶段是联合训练下游任务模型和预训练模型，来实现中文命名实体识别任务。

一.任务和数据集介绍
1.命名实体识别任务
NER（Named Entity Recognition）和Pos（Part-of-Speech）是2类典型的标记分类问题。NER是信息抽取基础，识别文本中的实体（比如人名、地点、组织结构名等），本质就是预测每个字对应的标记。DL兴起前，主要是HMM和CRF等模型，现在基本是DL模型。可根据需要设置标注方式，常见方式有BIO、BIESO等。NER数据样例如下所示：

2.数据集介绍
本文使用中文命名实体识别数据集people_daily_ner，样例数据如下所示：

people_daily_ner数据集标签对照表如下所示：

O：表示不属于一个命名实体。
B-PER：表示人名的开始。
I-PER：表示人名的中间和结尾部分。
B-ORG：表示组织机构名的开始。
I-ORG：表示组织机构名的中间和结尾部分。
B-LOC：表示地名的开始。
I-LOC：表示地名的中间和结尾部分。

3.模型架构
本文使用hfl/rbt3模型[2]，参数量约3800万。基本思路为使用一个预训练模型从文本中抽取数据特征，再对每个字的数据特征做分类任务，最终得到和原文一一对应的标签序列（BIO）。

二.准备数据集
1.使用编码工具
使用hfl/rbt3编码器编码工具如下所示：

def load_encode_tool(pretrained_model_name_or_path):
    """
    加载编码工具
    """
    tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(Path(f'{pretrained_model_name_or_path}'))
    return tokenizer
if __name__ == '__main__':
    # 测试编码工具
    pretrained_model_name_or_path = r'L:/20230713_HuggingFaceModel/rbt3'
    tokenizer = load_encode_tool(pretrained_model_name_or_path)
    print(tokenizer)
    # 测试编码句子
    out = tokenizer.batch_encode_plus(
        batch_text_or_text_pairs=[
            [ '海', '钓', '比', '赛', '地', '点', '在', '厦', '门', '与', '金', '门', '之', '间', '的', '海', '域', '。'],
            [ '这', '座', '依', '山', '傍', '水', '的', '博', '物', '馆', '由', '国', '内', '′', '一', '流', '的', '设', '计', '师', '主', '持', '设', '计', '。']],
        truncation=True, # 截断
        padding='max_length', # [PAD]
        max_length=20, # 最大长度
        return_tensors='pt', # 返回pytorch张量
        is_split_into_words=True # 按词切分
    )
    # 查看编码输出
    for k, v in out.items():
        print(k, v.shape)
    # 将编码还原为句子
    print(tokenizer.decode(out['input_ids'][0]))
    print(tokenizer.decode(out['input_ids'][1]))
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输出结果如下所示：

BertTokenizerFast(name_or_path='L:\20230713_HuggingFaceModel\rbt3', vocab_size=21128, model_max_length=1000000000000000019884624838656, is_fast=True, padding_side='right', truncation_side='right', special_tokens={'unk_token': '[UNK]', 'sep_token': '[SEP]', 'pad_token': '[PAD]', 'cls_token': '[CLS]', 'mask_token': '[MASK]'}, clean_up_tokenization_spaces=True)
input_ids torch.Size([2, 20])
token_type_ids torch.Size([2, 20])
attention_mask torch.Size([2, 20])
[CLS] 海 钓 比 赛 地 点 在 厦 门 与 金 门 之 间 的 海 域 。 [SEP]
[CLS] 这 座 依 山 傍 水 的 博 物 馆 由 国 内 一 流 的 设 计 [SEP]
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需要说明参数is_split_into_words=True让编码器跳过分词步骤，即告诉编码器输入句子是分好词的，不用再进行分词。

2.定义数据集
定义数据集代码如下所示：

class Dataset(torch.utils.data.Dataset):
    def __init__(self, split):
        # 在线加载数据集
        # dataset = load_dataset(path='people_daily_ner', split=split)
        # dataset.save_to_disk(dataset_dict_path='L:/20230713_HuggingFaceModel/peoples_daily_ner')
        # 离线加载数据集
        dataset = load_from_disk(dataset_path='L:/20230713_HuggingFaceModel/peoples_daily_ner')[split]
        # print(dataset.features['ner_tags'].feature.num_classes) #7
        # print(dataset.features['ner_tags'].feature.names) # ['O','B-PER','I-PER','B-ORG','I-ORG','B-LOC','I-LOC']
        self.dataset = dataset

    def __len__(self):
        return len(self.dataset)

    def __getitem__(self, i):
        tokens = self.dataset[i]['tokens']
        labels = self.dataset[i]['ner_tags']
        return tokens, labels
if __name__ == '__main__':
    # 测试编码工具
    pretrained_model_name_or_path = r'L:/20230713_HuggingFaceModel/rbt3'
    tokenizer = load_encode_tool(pretrained_model_name_or_path)
    # 加载数据集
    dataset = Dataset('train')
    tokens, labels = dataset[0]
    print(tokens, labels, dataset)
    print(len(dataset))
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输出结果如下所示：

['海', '钓', '比', '赛', '地', '点', '在', '厦', '门', '与', '金', '门', '之', '间', '的', '海', '域', '。'] [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 5, 6, 0, 5, 6, 0, 0, 0, 0, 0, 0] <__main__.Dataset object at 0x0000027B01DC3940>
20865
1
2

其中，20865表示训练数据集的大小。在people_daily_ner数据集中，每条数据包括两个字段，即tokens和ner_tags，分别代表句子和标签，在__getitem__()函数中把这两个字段取出并返回即可。

3.定义计算设备

device = 'cpu'
if torch.cuda.is_available():
    device = 'cuda'
print(device)
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4.定义数据整理函数

def collate_fn(data):
    tokens = [i[0] for i in data]
    labels = [i[1] for i in data]
    inputs = tokenizer.batch_encode_plus(tokens, # 文本列表
                                   truncation=True, # 截断
                                   padding=True, # [PAD]
                                   max_length=512, # 最大长度
                                   return_tensors='pt', # 返回pytorch张量
                                   is_split_into_words=True) # 分词完成，无需再次分词
    # 求一批数据中最长的句子长度
    lens = inputs['input_ids'].shape[1]
    # 在labels的头尾补充7，把所有的labels补充成统一的长度
    for i in range(len(labels)):
        labels[i] = [7] + labels[i]
        labels[i] += [7] * lens
        labels[i] = labels[i][:lens]
    # 把编码结果移动到计算设备上
    for k, v in inputs.items():
        inputs[k] = v.to(device)
    # 把统一长度的labels组装成矩阵，移动到计算设备上
    labels = torch.tensor(labels).to(device)
    return inputs, labels
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形参data表示一批数据，主要是对句子和标签进行编码，这里会涉及到一个填充的问题。标签的开头和尾部填充7，因为0-6都有物理意义），而句子开头会被插入[CLS]标签。无论是句子还是标签，最终都被转换为矩阵。测试数据整理函数如下所示：

data = [
    (
        ['海', '钓', '比', '赛', '地', '点', '在', '厦', '门', '与', '金', '门', '之', '间', '的', '海', '域', '。'], [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 5, 6, 0, 5, 6, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
    ),
    (
        ['这', '座', '依', '山', '傍', '水', '的', '博', '物', '馆', '由', '国', '内', '一', '流', '的', '设', '计', '师', '主', '持', '设', '计', ',', '整', '个', '建', '筑', '群', '精', '美', '而', '恢', '宏', '。'],
        [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
    )]
inputs, labels = collate_fn(data)
for k, v in inputs.items():
    print(k, v.shape)
print('labels', labels.shape)
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输出结果如下所示：

input_ids torch.Size([2, 37])
token_type_ids torch.Size([2, 37])
attention_mask torch.Size([2, 37])
labels torch.Size([2, 37])
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5.定义数据集加载器

loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=dataset, batch_size=16, collate_fn=collate_fn, shuffle=True, drop_last=True)
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通过数据集加载器查看一批样例数据，如下所示：

for i, (inputs, labels) in enumerate(loader):
    break
print(tokenizer.decode(inputs['input_ids'][0]))
print(labels[0])
for k, v in inputs.items():
    print(k, v.shape)
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输出结果如下所示：

[CLS] 这 种 输 液 器 不 必 再 悬 吊 药 瓶 ， 改 用 气 压 推 动 液 体 流 动 ， 自 闭 防 回 流 ， 安 全 、 简 便 、 抗 污 染 ， 堪 称 输 液 器 历 史 上 的 一 次 革 命 。 [SEP] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD]
tensor([7, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7,
        7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7], device='cuda:0')
input_ids torch.Size([16, 87])
token_type_ids torch.Size([16, 87])
attention_mask torch.Size([16, 87])
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三.定义模型
1.加载预训练模型

# 加载预训练模型
pretrained = AutoModel.from_pretrained(Path(f'{pretrained_model_name_or_path}'))
# 统计参数量
# print(sum(i.numel() for i in pretrained.parameters()) / 10000)
# 测试预训练模型
pretrained.to(device)
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2.定义下游任务模型
先介绍一个两段式训练的概念，通常是先单独对下游任务模型进行训练，然后再连同预训练模型和下游任务模型一起进行训练的模式。

class Model(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        # 标识当前模型是否处于tuning模式
        self.tuning = False
        # 当处于tuning模式时backbone应该属于当前模型的一部分，否则该变量为空
        self.pretrained = None
        # 当前模型的神经网络层
        self.rnn = torch.nn.GRU(input_size=768, hidden_size=768, batch_first=True)
        self.fc = torch.nn.Linear(in_features=768, out_features=8)

    def forward(self, inputs):
        # 根据当前模型是否处于tuning模式而使用外部backbone或内部backbone计算
        if self.tuning:
            out = self.pretrained(**inputs).last_hidden_state
        else:
            with torch.no_grad():
                out = pretrained(**inputs).last_hidden_state
        # backbone抽取的特征输入RNN网络进一步抽取特征
        out, _ = self.rnn(out)
        # RNN网络抽取的特征最后输入FC神经网络分类
        out = self.fc(out).softmax(dim=2)
        return out

    # 切换下游任务模型的tuning模式
    def fine_tuning(self, tuning):
        self.tuning = tuning
        # tuning模式时，训练backbone的参数
        if tuning:
            for i in pretrained.parameters():
                i.requires_grad = True
            pretrained.train()
            self.pretrained = pretrained
        # 非tuning模式时，不训练backbone的参数
        else:
            for i in pretrained.parameters():
                i.requires_grad_(False)
            pretrained.eval()
            self.pretrained = None
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（1）tuning表示当前模型是否处于微调模型，pretrained表示微调模式时预训练模型属于当前模型。
（2）在__init__()中定义了下游任务模型的2个层，分别为GRU网络和全连接神经网络层，GRU作用是进一步抽取特征，提高模型预测正确率。
（3）fine_tuning()用来切换训练模式pretrained.train()和评估模式pretrained.eval()。

四.训练和测试
1.模型训练

def train(epochs):
    lr = 2e-5 if model.tuning else 5e-4 # 根据模型的tuning模式设置学习率
    optimizer = AdamW(model.parameters(), lr=lr) # 优化器
    criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss() # 损失函数
    scheduler = get_scheduler(name='linear', num_warmup_steps=0, num_training_steps=len(loader) * epochs, optimizer=optimizer) # 学习率衰减策略
    model.train()
    for epoch in range(epochs):
        for step, (inputs, labels) in enumerate(loader):
            # 模型计算
            # [b,lens] -> [b,lens,8]
            outs = model(inputs)
            # 对outs和labels变形，并且移除PAD
            # outs -> [b, lens, 8] -> [c, 8]
            # labels -> [b, lens] -> [c]
            outs, labels = reshape_and_remove_pad(outs, labels, inputs['attention_mask'])
            # 梯度下降
            loss = criterion(outs, labels) # 计算损失
            loss.backward() # 反向传播
            optimizer.step() # 更新参数
            scheduler.step() # 更新学习率
            optimizer.zero_grad() # 清空梯度
            if step % (len(loader) * epochs // 30) == 0:
                counts = get_correct_and_total_count(labels, outs)
                accuracy = counts[0] / counts[1]
                accuracy_content = counts[2] / counts[3]
                lr = optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']
                print(epoch, step, loss.item(), lr, accuracy, accuracy_content)
    torch.save(model, 'model/中文命名实体识别.model')
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训练过程基本步骤如下所示：
（1）从数据集加载器中获取一个批次的数据。
（2）让模型计算预测结果。
（2）使用工具函数对预测结果和labels进行变形，移除预测结果和labels中的PAD。
（4）计算loss并执行梯度下降优化模型参数。
（5）每隔一定的steps，输出一次模型当前的各项数据，便于观察。
（6）每训练完一个epoch，将模型的参数保存到磁盘。
接下来介绍两段式训练过程，第一阶段是训练下游任务模型，第二阶段是联合训练下游任务模型和预训练模型如下所示：

# 两段式训练第一阶段，训练下游任务模型
model.fine_tuning(False)
# print(sum(p.numel() for p in model.parameters() / 10000))
train(1)

# 两段式训练第二阶段，联合训练下游任务模型和预训练模型
model.fine_tuning(True)
# print(sum(p.numel() for p in model.parameters() / 10000))
train(5)
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2.模型测试
模型测试基本思路：从磁盘加载模型，然后切换到评估模式，将模型移动到计算设备，从测试集中取批次数据，输入模型中，统计正确率。

def test():
    # 加载训练完的模型
    model_load = torch.load('model/中文命名实体识别.model')
    model_load.eval() # 切换到评估模式
    model_load.to(device)
    # 测试数据集加载器
    loader_test = torch.utils.data.DataLoader(dataset=Dataset('validation'), batch_size=128, collate_fn=collate_fn, shuffle=True, drop_last=True)
    correct = 0
    total = 0
    correct_content = 0
    total_content = 0
    # 遍历测试数据集
    for step, (inputs, labels) in enumerate(loader_test):
        # 测试5个批次即可，不用全部遍历
        if step == 5:
            break
        print(step)
        # 计算
        with torch.no_grad():
            # [b, lens] -> [b, lens, 8] -> [b, lens]
            outs = model_load(inputs)
        # 对outs和labels变形，并且移除PAD
        # fouts -> [b, lens, 8] -> [c, 8]
        # labels -> [b, lens] -> [c]
        outs, labels = reshape_and_remove_pad(outs, labels, inputs['attention_mask'])
        # 统计正确数量
        counts = get_correct_and_total_count(labels, outs)
        correct += counts[0]
        total += counts[1]
        correct_content += counts[2]
        total_content += counts[3]
    print(correct / total, correct_content / total_content)
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3.预测任务

def predict():
    # 加载模型
    model_load = torch.load('model/中文命名实体识别.model')
    model_load.eval()
    model_load.to(device)
    # 测试数据集加载器
    loader_test = torch.utils.data.DataLoader(dataset=Dataset('validation'), batch_size=32, collate_fn=collate_fn, shuffle=True, drop_last=True)
    # 取一个批次的数据
    for i, (inputs, labels) in enumerate(loader_test):
        break
    # 计算
    with torch.no_grad():
        # [b, lens] -> [b, lens, 8] -> [b, lens]
        outs = model_load(inputs).argmax(dim=2)
    for i in range(32):
        # 移除PAD
        select = inputs['attention_mask'][i] == 1
        input_id = inputs['input_ids'][i, select]
        out = outs[i, select]
        label = labels[i, select]
        # 输出原句子
        print(tokenizer.decode(input_id).replace(' ', ''))
        # 输出tag
        for tag in [label, out]:
            s = ''
            for j in range(len(tag)):
                if tag[j] == 0:
                    s += '.'
                    continue
                s += tokenizer.decode(input_id[j])
                s += str(tag[j].item())
            print(s)
        print('=====================')
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参考文献：
[1]HuggingFace自然语言处理详解：基于BERT中文模型的任务实战
[2]https://huggingface.co/hfl/rbt3
[3]https://huggingface.co/datasets/peoples_daily_ner/tree/main
[4]https://github.com/OYE93/Chinese-NLP-Corpus/
[5]https://github.com/ai408/nlp-engineering/blob/main/20230625_HuggingFace自然语言处理详解/第10章：中文命名实体识别.py

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