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深度学习自然语言处理 2021-10-09 3816

描述

　　作者：刘健健

　　来自：ChallengeHub

　　Twitter 的推文有许多特点，首先，与 Facebook 不同的是，推文是基于文本的，可以通过 Twitter 接口注册下载，便于作为自然语言处理所需的语料库。其次，Twitter 规定了每一个推文不超过 140 个字，实际推文中的文本长短不一、长度一般较短，有些只有一个句子甚至一个短语，这对其开展情感分类标注带来许多困难。再者，推文常常是随性所作，内容中包含情感的元素较多，口语化内容居多，缩写随处都在，并且使用了许多网络用语，情绪符号、新词和俚语随处可见。因此，与正式文本非常不同。如果采用那些适合处理正式文本的情感分类方法来对 Twitter 推文进行情感分类，效果将不尽人意。

　　公众情感在包括电影评论、消费者信心、政治选举、股票走势预测等众多领域发挥着越来越大的影响力。面向公共媒体内容开展情感分析是分析公众情感的一项基础工作。

　　二、数据基本情况

　　数据集基于推特用户发表的推文数据集，并且针对部分字段做出了一定的调整，所有的字段信息请以本练习赛提供的字段信息为准

　　字段信息内容参考如下：

　　tweet_id string 推文数据的唯一ID，比如test_0，train_1024

　　content string 推特内容

　　label int 推特情感的类别，共13种情感

　　其中训练集train.csv包含3w条数据，字段包括tweet_id，content，label；测试集test.csv包含1w条数据，字段包括tweet_id，content。

tweet_id,content,label
tweet_1,Layin n bed with a headache  ughhhh...waitin on your call...,1
tweet_2,Funeral ceremony...gloomy friday...,1
tweet_3,wants to hang out with friends SOON!,2
tweet_4,"@dannycastillo We want to trade with someone who has Houston tickets, but no one will.",3
tweet_5,"I should be sleep, but im not! thinking about an old friend who I want. but he's married now. damn, & he wants me 2! scandalous!",1
tweet_6,Hmmm. 
http://www.djhero.com/ is down,4
tweet_7,@charviray Charlene my love. I miss you,1
tweet_8,cant fall asleep,3

!head /home/mw/input/Twitter4903/train.csv

tweet_id,content,label
tweet_0,@tiffanylue i know  i was listenin to bad habit earlier and i started freakin at his part =[,0
tweet_1,Layin n bed with a headache  ughhhh...waitin on your call...,1
tweet_2,Funeral ceremony...gloomy friday...,1
tweet_3,wants to hang out with friends SOON!,2
tweet_4,"@dannycastillo We want to trade with someone who has Houston tickets, but no one will.",3
tweet_5,"I should be sleep, but im not! thinking about an old friend who I want. but he's married now. damn, & he wants me 2! scandalous!",1
tweet_6,Hmmm. http://www.djhero.com/ is down,4
tweet_7,@charviray Charlene my love. I miss you,1
tweet_8,cant fall asleep,3

!head /home/mw/input/Twitter4903/test.csv

tweet_id,content
tweet_0,Re-pinging @ghostridah14: why didn't you go to prom? BC my bf didn't like my friends
tweet_1,@kelcouch I'm sorry  at least it's Friday?
tweet_2,The storm is here and the electricity is gone
tweet_3,So sleepy again and it's not even that late. I fail once again.
tweet_4,"Wondering why I'm awake at 7am,writing a new song,plotting my evil secret plots muahahaha...oh damn it,not secret anymore"
tweet_5,I ate Something I don't know what it is... Why do I keep Telling things about food
tweet_6,so tired and i think i'm definitely going to get an ear infection.  going to bed "early" for once.
tweet_7,It is so annoying when she starts typing on her computer in the middle of the night!
tweet_8,Screw you @davidbrussee! I only have 3 weeks...

!head /home/mw/input/Twitter4903/submission.csv

tweet_id,label
tweet_0,0
tweet_1,0
tweet_2,0
tweet_3,0
tweet_4,0
tweet_5,0
tweet_6,0
tweet_7,0
tweet_8,0

三、数据集定义

1.环境准备

环境准备 (建议gpu环境，速度好。pip install paddlepaddle-gpu)

!pip install paddlepaddle
!pip install -U paddlenlp

2.获取句子最大长度

自定义PaddleNLP dataset的read方法

import pandas as pd
train = pd.read_csv('/home/mw/input/Twitter4903/train.csv')
test = pd.read_csv('/home/mw/input/Twitter4903/test.csv')
sub = pd.read_csv('/home/mw/input/Twitter4903/submission.csv')
print('最大内容长度 %d'%(max(train['content'].str.len())))

最大内容长度 166

3.定义数据集

定义读取函数

def read(pd_data):
    for index, item in pd_data.iterrows():       
        yield {'text': item['content'], 'label': item['label'], 'qid': item['tweet_id'].strip('tweet_')}

分割训练集、测试机

from paddle.io import Dataset, Subset
from paddlenlp.datasets import MapDataset
from paddlenlp.datasets import load_dataset

dataset = load_dataset(read, pd_data=train,lazy=False)
dev_ds = Subset(dataset=dataset, indices=[i for i in range(len(dataset)) if i % 5== 1])
train_ds = Subset(dataset=dataset, indices=[i for i in range(len(dataset)) if i % 5 != 1])

查看训练集

for i in range(5):
    print(train_ds[i])

{'text': '@tiffanylue i know  i was listenin to bad habit earlier and i started freakin at his part =[', 'label': 0, 'qid': '0'}
{'text': 'Funeral ceremony...gloomy friday...', 'label': 1, 'qid': '2'}
{'text': 'wants to hang out with friends SOON!', 'label': 2, 'qid': '3'}
{'text': '@dannycastillo We want to trade with someone who has Houston tickets, but no one will.', 'label': 3, 'qid': '4'}
{'text': "I should be sleep, but im not! thinking about an old friend who I want. but he's married now. damn, & he wants me 2! scandalous!", 'label': 1, 'qid': '5'}

在转换为MapDataset类型

train_ds = MapDataset(train_ds)
dev_ds = MapDataset(dev_ds)
print(len(train_ds))
print(len(dev_ds))

240006000

四、模型选择

近年来，大量的研究表明基于大型语料库的预训练模型（Pretrained Models, PTM）可以学习通用的语言表示，有利于下游NLP任务，同时能够避免从零开始训练模型。随着计算能力的发展，深度模型的出现（即 Transformer）和训练技巧的增强使得 PTM 不断发展，由浅变深。

情感预训练模型SKEP（Sentiment Knowledge Enhanced Pre-training for Sentiment Analysis）。SKEP利用情感知识增强预训练模型，在14项中英情感分析典型任务上全面超越SOTA，此工作已经被ACL 2020录用。SKEP是百度研究团队提出的基于情感知识增强的情感预训练算法，此算法采用无监督方法自动挖掘情感知识，然后利用情感知识构建预训练目标，从而让机器学会理解情感语义。SKEP为各类情感分析任务提供统一且强大的情感语义表示。

百度研究团队在三个典型情感分析任务，句子级情感分类（Sentence-level Sentiment Classification），评价目标级情感分类（Aspect-level Sentiment Classification）、观点抽取（Opinion Role Labeling），共计14个中英文数据上进一步验证了情感预训练模型SKEP的效果。

具体实验效果参考：https://github.com/baidu/Senta#skep

PaddleNLP已经实现了SKEP预训练模型，可以通过一行代码实现SKEP加载。

句子级情感分析模型是SKEP fine-tune 文本分类常用模型SkepForSequenceClassification。其首先通过SKEP提取句子语义特征，之后将语义特征进行分类。

!pip install regex

Looking in indexes: https://mirror.baidu.com/pypi/simple/
Requirement already satisfied: regex in /opt/conda/envs/python35-paddle120-env/lib/python3.7/site-packages (2021.8.28)

1.Skep模型加载

SkepForSequenceClassification可用于句子级情感分析和目标级情感分析任务。其通过预训练模型SKEP获取输入文本的表示，之后将文本表示进行分类。

pretrained_model_name_or_path：模型名称。支持"skep_ernie_1.0_large_ch"，“skep_ernie_2.0_large_en”。

** “skep_ernie_1.0_large_ch”：是SKEP模型在预训练ernie_1.0_large_ch基础之上在海量中文数据上继续预训练得到的中文预训练模型；

“skep_ernie_2.0_large_en”：是SKEP模型在预训练ernie_2.0_large_en基础之上在海量英文数据上继续预训练得到的英文预训练模型；

num_classes: 数据集分类类别数。

关于SKEP模型实现详细信息参考：https://github.com/PaddlePaddle/PaddleNLP/tree/develop/paddlenlp/transformers/skep

from paddlenlp.transformers import SkepForSequenceClassification, SkepTokenizer

指定模型名称，一键加载模型

model = SkepForSequenceClassification.from_pretrained(pretrained_model_name_or_path="skep_ernie_2.0_large_en", num_classes=13)

同样地，通过指定模型名称一键加载对应的Tokenizer，用于处理文本数据，如切分token，转token_id等。

tokenizer = SkepTokenizer.from_pretrained(pretrained_model_name_or_path="skep_ernie_2.0_large_en")

[2021-09-16 1058,665] [    INFO] - Already cached /home/aistudio/.paddlenlp/models/skep_ernie_2.0_large_en/skep_ernie_2.0_large_en.pdparams
[2021-09-16 1010,133] [    INFO] - Found /home/aistudio/.paddlenlp/models/skep_ernie_2.0_large_en/skep_ernie_2.0_large_en.vocab.txt

2.引入可视化VisualDl

from visualdl import LogWriter

writer = LogWriter("./log")

3.数据处理

SKEP模型对文本处理按照字粒度进行处理，我们可以使用PaddleNLP内置的SkepTokenizer完成一键式处理。

def convert_example(example,
                    tokenizer,
                    max_seq_length=512,
                    is_test=False):
   
    # 将原数据处理成model可读入的格式，enocded_inputs是一个dict，包含input_ids、token_type_ids等字段
    encoded_inputs = tokenizer(
        text=example["text"], max_seq_len=max_seq_length)

    # input_ids：对文本切分token后，在词汇表中对应的token id
    input_ids = encoded_inputs["input_ids"]
    # token_type_ids：当前token属于句子1还是句子2，即上述图中表达的segment ids
    token_type_ids = encoded_inputs["token_type_ids"]

    if not is_test:
        # label：情感极性类别
        label = np.array([example["label"]], dtype="int64")
        return input_ids, token_type_ids, label
    else:
        # qid：每条数据的编号
        qid = np.array([example["qid"]], dtype="int64")
        return input_ids, token_type_ids, qid

def create_dataloader(dataset,
                      trans_fn=None,
                      mode='train',
                      batch_size=1,
                      batchify_fn=None):
    
    if trans_fn:
        dataset = dataset.map(trans_fn)

    shuffle = True if mode == 'train' else False
    if mode == "train":
        sampler = paddle.io.DistributedBatchSampler(
            dataset=dataset, batch_size=batch_size, shuffle=shuffle)
    else:
        sampler = paddle.io.BatchSampler(
            dataset=dataset, batch_size=batch_size, shuffle=shuffle)
    dataloader = paddle.io.DataLoader(
        dataset, batch_sampler=sampler, collate_fn=batchify_fn)
    return dataloader

4.评估函数定义

import numpy as np
import paddle

@paddle.no_grad()
def evaluate(model, criterion, metric, data_loader):

    model.eval()
    metric.reset()
    losses = []
    for batch in data_loader:
        input_ids, token_type_ids, labels = batch
        logits = model(input_ids, token_type_ids)
        loss = criterion(logits, labels)
        losses.append(loss.numpy())
        correct = metric.compute(logits, labels)
        metric.update(correct)
        accu = metric.accumulate()
    # print("eval loss: %.5f, accu: %.5f" % (np.mean(losses), accu))
    model.train()
    metric.reset()
    return  np.mean(losses), accu

5.超参定义

定义损失函数、优化器以及评价指标后，即可开始训练。

推荐超参设置：

batch_size = 100
max_seq_length = 166
batch_size = 100
learning_rate = 4e-5
epochs = 32
warmup_proportion = 0.1
weight_decay = 0.01

实际运行时可以根据显存大小调整batch_size和max_seq_length大小。

import os
from functools import partial


import numpy as np
import paddle
import paddle.nn.functional as F
from paddlenlp.data import Stack, Tuple, Pad

# 批量数据大小
batch_size = 100
# 文本序列最大长度166
max_seq_length = 166
# 批量数据大小
batch_size = 100
# 定义训练过程中的最大学习率
learning_rate = 4e-5
# 训练轮次
epochs = 32
# 学习率预热比例
warmup_proportion = 0.1
# 权重衰减系数，类似模型正则项策略，避免模型过拟合
weight_decay = 0.01

将数据处理成模型可读入的数据格式

trans_func = partial(
    convert_example,
    tokenizer=tokenizer,
    max_seq_length=max_seq_length)

将数据组成批量式数据，如将不同长度的文本序列padding到批量式数据中最大长度将每条数据label堆叠在一起

batchify_fn = lambda samples, fn=Tuple(
    Pad(axis=0, pad_val=tokenizer.pad_token_id),  # input_ids
    Pad(axis=0, pad_val=tokenizer.pad_token_type_id),  # token_type_ids
    Stack()  # labels
): [data for data in fn(samples)]
train_data_loader = create_dataloader(
    train_ds,
    mode='train',
    batch_size=batch_size,
    batchify_fn=batchify_fn,
    trans_fn=trans_func)
dev_data_loader = create_dataloader(
    dev_ds,
    mode='dev',
    batch_size=batch_size,
    batchify_fn=batchify_fn,
    trans_fn=trans_func)

定义超参，loss，优化器等

from paddlenlp.transformers import LinearDecayWithWarmup
import time

num_training_steps = len(train_data_loader) * epochs
lr_scheduler = LinearDecayWithWarmup(learning_rate, num_training_steps, warmup_proportion)

AdamW优化器

optimizer = paddle.optimizer.AdamW(
    learning_rate=lr_scheduler,
    parameters=model.parameters(),
    weight_decay=weight_decay,
    apply_decay_param_fun=lambda x: x in [
        p.name for n, p in model.named_parameters()
        if not any(nd in n for nd in ["bias", "norm"])
    ])

criterion = paddle.nn.loss.CrossEntropyLoss()  # 交叉熵损失函数
metric = paddle.metric.Accuracy()              # accuracy评价指标

五、训练

训练且保存最佳结果

开启训练

global_step = 0
best_val_acc=0
tic_train = time.time()
best_accu = 0
for epoch in range(1, epochs + 1):
    for step, batch in enumerate(train_data_loader, start=1):
        input_ids, token_type_ids, labels = batch
        # 喂数据给model
        logits = model(input_ids, token_type_ids)
        # 计算损失函数值
        loss = criterion(logits, labels)
        # 预测分类概率值
        probs = F.softmax(logits, axis=1)
        # 计算acc
        correct = metric.compute(probs, labels)
        metric.update(correct)
        acc = metric.accumulate()

        global_step += 1

        if global_step % 10 == 0:
            print(
                "global step %d, epoch: %d, batch: %d, loss: %.5f, accu: %.5f, speed: %.2f step/s"
                % (global_step, epoch, step, loss, acc,
                    10 / (time.time() - tic_train)))
            tic_train = time.time()

        # 反向梯度回传，更新参数
        loss.backward()
        optimizer.step()
        lr_scheduler.step()
        optimizer.clear_grad()

        if global_step % 100 == 0 and:
            # 评估当前训练的模型
            eval_loss, eval_accu = evaluate(model, criterion, metric, dev_data_loader)
            print("eval  on dev  loss: {:.8}, accu: {:.8}".format(eval_loss, eval_accu))
            # 加入eval日志显示
            writer.add_scalar(tag="eval/loss", step=global_step, value=eval_loss)
            writer.add_scalar(tag="eval/acc", step=global_step, value=eval_accu)
            # 加入train日志显示
            writer.add_scalar(tag="train/loss", step=global_step, value=loss)
            writer.add_scalar(tag="train/acc", step=global_step, value=acc)
            save_dir = "best_checkpoint"
            # 加入保存       
            if eval_accu>best_val_acc:
                if not os.path.exists(save_dir):
                    os.mkdir(save_dir)
                best_val_acc=eval_accu
                print(f"模型保存在 {global_step} 步， 最佳eval准确度为{best_val_acc:.8f}！")
                save_param_path = os.path.join(save_dir, 'best_model.pdparams')
                paddle.save(model.state_dict(), save_param_path)
                fh = open('best_checkpoint/best_model.txt', 'w', encoding='utf-8')
                fh.write(f"模型保存在 {global_step} 步， 最佳eval准确度为{best_val_acc:.8f}！")
                fh.close()

global step 10, epoch: 1, batch: 10, loss: 2.64415, accu: 0.08400, speed: 0.96 step/s
global step 20, epoch: 1, batch: 20, loss: 2.48083, accu: 0.09050, speed: 0.98 step/s
global step 30, epoch: 1, batch: 30, loss: 2.36845, accu: 0.10933, speed: 0.98 step/s
global step 40, epoch: 1, batch: 40, loss: 2.24933, accu: 0.13750, speed: 1.00 step/s
global step 50, epoch: 1, batch: 50, loss: 2.14947, accu: 0.15380, speed: 0.97 step/s
global step 60, epoch: 1, batch: 60, loss: 2.03459, accu: 0.17100, speed: 0.96 step/s
global step 70, epoch: 1, batch: 70, loss: 2.23222, accu: 0.18414, speed: 1.01 step/s

visualdl 可视化训练，时刻掌握训练走势，不浪费算力
六、预测

训练完成后，重启环境，释放显存，开始预测

1.test数据集读取

数据读取

import pandas as pd
from paddlenlp.datasets import load_dataset
from paddle.io import Dataset, Subset
from paddlenlp.datasets import MapDataset

test = pd.read_csv('/home/mw/input/Twitter4903/test.csv')

数据读取

def read_test(pd_data):
    for index, item in pd_data.iterrows():       
        yield {'text': item['content'], 'label': 0, 'qid': item['tweet_id'].strip('tweet_')}

test_ds =  load_dataset(read_test, pd_data=test,lazy=False)
# 在转换为MapDataset类型
test_ds = MapDataset(test_ds)
print(len(test_ds))

def convert_example(example,
                    tokenizer,
                    max_seq_length=512,
                    is_test=False):
   
    # 将原数据处理成model可读入的格式，enocded_inputs是一个dict，包含input_ids、token_type_ids等字段
    encoded_inputs = tokenizer(
        text=example["text"], max_seq_len=max_seq_length)

    # input_ids：对文本切分token后，在词汇表中对应的token id
    input_ids = encoded_inputs["input_ids"]
    # token_type_ids：当前token属于句子1还是句子2，即上述图中表达的segment ids
    token_type_ids = encoded_inputs["token_type_ids"]

    if not is_test:
        # label：情感极性类别
        label = np.array([example["label"]], dtype="int64")
        return input_ids, token_type_ids, label
    else:
        # qid：每条数据的编号
        qid = np.array([example["qid"]], dtype="int64")
        return input_ids, token_type_ids, qid

def create_dataloader(dataset,
                      trans_fn=None,
                      mode='train',
                      batch_size=1,
                      batchify_fn=None):
    
    if trans_fn:
        dataset = dataset.map(trans_fn)

    shuffle = True if mode == 'train' else False
    if mode == "train":
        sampler = paddle.io.DistributedBatchSampler(
            dataset=dataset, batch_size=batch_size, shuffle=shuffle)
    else:
        sampler = paddle.io.BatchSampler(
            dataset=dataset, batch_size=batch_size, shuffle=shuffle)
    dataloader = paddle.io.DataLoader(
        dataset, batch_sampler=sampler, collate_fn=batchify_fn)
    return dataloader

2.模型加载

from paddlenlp.transformers import SkepForSequenceClassification, SkepTokenizer

指定模型名称，一键加载模型

model = SkepForSequenceClassification.from_pretrained(pretrained_model_name_or_path="skep_ernie_2.0_large_en", num_classes=13)

同样地，通过指定模型名称一键加载对应的Tokenizer，用于处理文本数据，如切分token，转token_id等。

tokenizer = SkepTokenizer.from_pretrained(pretrained_model_name_or_path="skep_ernie_2.0_large_en")

from functools import partial
import numpy as np
import paddle
import paddle.nn.functional as F
from paddlenlp.data import Stack, Tuple, Pad
batch_size=16
max_seq_length=166
# 处理测试集数据
trans_func = partial(
    convert_example,
    tokenizer=tokenizer,
    max_seq_length=max_seq_length,
    is_test=True)
batchify_fn = lambda samples, fn=Tuple(
    Pad(axis=0, pad_val=tokenizer.pad_token_id),  # input
    Pad(axis=0, pad_val=tokenizer.pad_token_type_id),  # segment
    Stack() # qid
): [data for data in fn(samples)]
test_data_loader = create_dataloader(
    test_ds,
    mode='test',
    batch_size=batch_size,
    batchify_fn=batchify_fn,
    trans_fn=trans_func)

加载模型

import os

# 根据实际运行情况，更换加载的参数路径
params_path = 'best_checkpoint/best_model.pdparams'
if params_path and os.path.isfile(params_path):
    # 加载模型参数
    state_dict = paddle.load(params_path)
    model.set_dict(state_dict)
    print("Loaded parameters from %s" % params_path)

3.数据预测

results = []
# 切换model模型为评估模式，关闭dropout等随机因素
model.eval()
for batch in test_data_loader:
    input_ids, token_type_ids, qids = batch
    # 喂数据给模型
    logits = model(input_ids, token_type_ids)
    # 预测分类
    probs = F.softmax(logits, axis=-1)
    idx = paddle.argmax(probs, axis=1).numpy()
    idx = idx.tolist()
    qids = qids.numpy().tolist()
    results.extend(zip(qids, idx))

4.保存并提交

# 写入预测结果，提交
with open( "submission.csv", 'w', encoding="utf-8") as f:
    # f.write("数据ID,评分
")
    f.write("tweet_id,label
")

    for (idx, label) in results:
        f.write('tweet_'+str(idx[0])+","+str(label)+"
")

七、注意事项

1.使用pandas读取平面文件相对方便
2.max_seq_length用pandas统计最大值出来较为合适
3.用pandas可以分析数据分布
4.PaddleNLP在自然语言处理方面，有特别多的积累，特别方便，可上github了解

八、PaddleNLP是什么？

1.gitee地址

https://gitee.com/paddlepaddle/PaddleNLP/blob/develop/README.md

2.简介

PaddleNLP 2.0是飞桨生态的文本领域核心库，具备易用的文本领域API，多场景的应用示例、和高性能分布式训练三大特点，旨在提升开发者文本领域的开发效率，并提供基于飞桨2.0核心框架的NLP任务最佳实践。

基于飞桨核心框架领先的自动混合精度优化策略，结合分布式Fleet API，支持4D混合并行策略，可高效地完成超大规模参数的模型训练。

编辑：jq

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