孫璇， 馬暉男， 周勝利， 徐婧， 王成

(上海杉達(dá)學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 201209)

0 引言

情感分析是自然語言處理領(lǐng)域經(jīng)典的研究任務(wù)之一，主要分析一個句子或段落的情感傾向[1]。近年來，隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們不僅享受著數(shù)字化帶來的便利，也在不斷地產(chǎn)生新的信息。微博、Twitter、豆瓣等社交媒體平臺成為人們發(fā)表對產(chǎn)品、人物和事件等個人觀點的主要平臺。這些文本蘊(yùn)含了發(fā)布者對目標(biāo)對象的情感信息。通過對這些情感信息進(jìn)行挖掘，可以幫助客戶更好地理解用戶行為，預(yù)測出事件的發(fā)展方向或趨勢。

在社交媒體中，這些評論文本呈爆炸式增長，一方面對耗時耗力的人工分析構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)，另一方面促進(jìn)了智能文本分析技術(shù)的發(fā)展。這對情感分析任務(wù)來說尤為重要，因為在社交媒體中用戶評論的情感傾向呈現(xiàn)出了復(fù)雜的多維度形態(tài)，已經(jīng)不再是“好，不錯”“我不喜歡”“還可以”這樣簡單的評論，而是對目標(biāo)對象的某些屬性或方面表達(dá)積極、消極或中立的情感傾向。由此，用戶對目標(biāo)對象的真實評價不再是整條評論上粗粒度的情感傾向分析，而是每條語句上細(xì)粒度的情感傾向分析。一般情況下，用戶習(xí)慣對目標(biāo)對象的多個屬性進(jìn)行評價，有積極、消極或中立等情感傾向，呈現(xiàn)多維度的特點。

先前已有學(xué)者對情感分析任務(wù)進(jìn)行了許多研究[2]。但是，相對于一般的文本分析來說，這種屬性級別的情感分析任務(wù)具有一定的難度。因此，本文以分析與建模用戶多維度情感傾向為主要研究內(nèi)容，提出了一種基于自注意力機(jī)制的雙向 LSTM 網(wǎng)絡(luò)的情感分析模型，該模型采用雙向長短程記憶網(wǎng)絡(luò)來對文本序列進(jìn)行表征學(xué)習(xí)，同時融入了自注意力機(jī)制，更加有效地通過建模文本內(nèi)部特征的相關(guān)性來分析用戶情感傾向。

1 相關(guān)工作

情感分析是自然語言處理中的一項基本任務(wù)，引起了許多研究者的關(guān)注。傳統(tǒng)的文本分類方法，如邏輯斯蒂回歸、支持向量機(jī)、決策樹等，雖然能夠用來構(gòu)建情感分類模型，但是常常依賴繁瑣的特征工程及構(gòu)建特定領(lǐng)域的情感字典[3]。許多研究表明：依賴特征工程的算法達(dá)到了性能瓶頸，能夠為大規(guī)模數(shù)據(jù)分析帶來的性能增益微乎其微[4]。2006年以來，深度學(xué)習(xí)在許多任務(wù)上取得了巨大的成就，如目標(biāo)檢測、機(jī)器翻譯、智能問答、文本挖掘等[5]。因此，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的情感分析方法顯示出巨大的前景。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的強(qiáng)大之處在于無需任何特征工程就能從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到文本表征的能力。代表性的文本表征學(xué)習(xí)方法有遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長短程記憶網(wǎng)絡(luò)以及樹結(jié)構(gòu)的長短程記憶網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[6]利用遷移學(xué)習(xí)將傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型和深度學(xué)習(xí)模型相融合，把CNN提取的文本特征用SVM進(jìn)行分類，在情感分析任務(wù)上取得了不錯的效果。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為40%的情感分類錯誤是由于沒有考慮到上下文當(dāng)中的情感目標(biāo)詞導(dǎo)致，近期的研究工作特別傾向于在對上下文建模時增強(qiáng)情感目標(biāo)詞的作用。文獻(xiàn)[7]提出了一種自適應(yīng)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)推文數(shù)據(jù)上的句法關(guān)系將情感從上下文單詞傳遞到特定目標(biāo)屬性詞。文獻(xiàn)[8]將整個上下文分成三個組成部分，即目標(biāo)屬性詞，左上下文與右上下文，然后使用情感詞典和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來生成目標(biāo)相關(guān)的特征。文獻(xiàn)[9]將上下文拆分成兩個部分：一個部分由目標(biāo)屬性詞與其左上下文組成，另一部分由目標(biāo)屬性詞與其右上下文組成，然后使用兩個長短期記憶網(wǎng)絡(luò)模型分別對這兩個部分進(jìn)行建模，最后使用這兩個部分的特定目標(biāo)屬性詞的組合表征進(jìn)行情感分類。文獻(xiàn)[10]采用雙向LSTM網(wǎng)絡(luò)分別對微博文本及符號進(jìn)行編碼，通過將注意力模型和常用網(wǎng)絡(luò)用語的微博情感符號庫相結(jié)合，有效增強(qiáng)了對微博文本情感語義的捕獲能力，提高了微博情感分類的性能。

2 研究方法

本文針對社交媒體中用戶多維度情感傾向問題進(jìn)行建模，提出了一種基于自注意力機(jī)制的情感分析的深度學(xué)習(xí)模型SA-LSTM，該模型的總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模型主要由兩個核心組件組成：雙向長短程記憶網(wǎng)絡(luò)與自注意力機(jī)制。這兩個核心組件讓模型具有更強(qiáng)的信息歸納能力，從而能夠更好地關(guān)注序列文本中的重要信息。該模型主要針對目標(biāo)對象的不同屬性及其所依賴的上下文分別進(jìn)行建模，大致分為五層，由下往上分別是：(1)詞表示層：將目標(biāo)對象的屬性詞(或詞組)及其所依賴的上下文的文本映射為向量，其中，每個詞以N維的實值向量表示；(2)雙向長短程記憶網(wǎng)絡(luò)層：將目標(biāo)對象的屬性及其所依賴的上下文的向量表示輸入到雙向LSMT網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，經(jīng)過深層的LSTM計算，輸出更高級別的抽象的語義表示，稱之為隱藏層狀態(tài)；(3)自注意力機(jī)制：將雙向LSTM網(wǎng)絡(luò)的輸出拼接作為該層輸入，經(jīng)過一次非線性變換后乘以權(quán)重參數(shù)向量ws2，得出的結(jié)果輸入到softmax層計算LSTM每個時間步的隱藏層狀態(tài)的權(quán)重；(4)語義表示層：將雙向 LSTM 網(wǎng)絡(luò)層每個時間步的隱藏層狀態(tài)乘以計算好的自注意力權(quán)重得到最終的語義表示；(5)分類器：將最終的語義表示拼接起來，形成一個兩者的最終表示形式，輸入到softmax分類器中，輸出用戶對目標(biāo)對象的屬性的情感傾向類別。每部分的詳細(xì)設(shè)計如圖2所示。

圖1 SA-LSTM 模型的總體框架結(jié)構(gòu)圖

圖2 詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.1 長短程記憶網(wǎng)絡(luò)

在許多自然語言處理任務(wù)中，長短程記憶網(wǎng)絡(luò)常被用來作為文本序列學(xué)習(xí)的基本模型，因為它能夠有效地緩解梯度消失和梯度爆炸問題，讓模型學(xué)習(xí)更長的文本序列表示變得可能。長短程記憶網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 LSTM 單元網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

LSTM單元網(wǎng)絡(luò)主要由三個門控與一個記憶單元組成來控制信息流：輸入門it、忘記門ft、輸出門ot。在模型訓(xùn)練的過程中，這些門能夠自適應(yīng)地記住輸入信息、忘記歷史信息以及生成輸出表示。LSTM單元網(wǎng)絡(luò)表示如式(1)—式(6)。

it=σ(Wi·[ht-1;xt]+bi)

(1)

ft=σ(Wf·[ht-1;xt]+bf)

(2)

ot=σ(Wo·[ht-1;xt]+bo)

(3)

gt=tanh(Wr·[ht-1;xt]+br)

(4)

ct=it⊙gt+ft⊙ct-1

(5)

ht=ot⊙tanh(ct)

(6)

式中，⊙表示數(shù)組元素依次相乘;σ表示sigmoid函數(shù);Wi、bi、Wf、bf、Wo、bo分別表示LSTM單元的輸入門、忘記門、輸出門的參數(shù)。[ht-1;xt]操作表示將前一時間步的隱藏狀態(tài)ht-1與當(dāng)前時間步的輸入xt進(jìn)行拼接合并操作。

本文采用預(yù)訓(xùn)練的word2vec詞嵌入文件，每個單詞用300維的向量表示，最大詞序列長度為n。此時，序列S中的每個詞都是彼此獨(dú)立的。為了能夠獲得單個句子中鄰接詞之間的某種依賴，使用雙向LSTM單元網(wǎng)絡(luò)來處理文本序列。每一步的隱藏層結(jié)果如式(7)、式(8)。

(7)

(8)

H=(h1,h2,…,hn)

(9)

2.2 自注意力機(jī)制

注意力機(jī)制模仿了生物觀察行為的內(nèi)部過程， 即一種將內(nèi)部經(jīng)驗和外部感覺對齊從而增加部分區(qū)域的觀察精細(xì)度的機(jī)制。注意力機(jī)制可以快速提取稀疏數(shù)據(jù)的重要特征，因而被廣泛用于自然語言處理任務(wù)，特別是機(jī)器翻譯。而自注意力機(jī)制是注意力機(jī)制的改進(jìn)，其減少了對外部信息的依賴，更擅長捕捉數(shù)據(jù)或特征的內(nèi)部相關(guān)性。

目的是把一個變長的文本序列編碼成一個固定大小的嵌入。通過計算n個LSTM隱藏層向量的一個線性組合來實現(xiàn)。這種線性組合就是通過自注意力機(jī)制計算得來。自注意力機(jī)制的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自注意力機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖

自注意力機(jī)制取正向與反向LSTM所有時間步的隱藏狀態(tài)拼接后的向量組成的矩陣H為其輸入，輸出權(quán)重向量如式(10)。

A=softmax(ws2tanh(Ws1HT))

(10)

其中，Ws1為維度為da×2u的權(quán)重矩陣;Ws1為維度為r×da的權(quán)重矩陣;da為一個任意設(shè)置的參數(shù)。Ws2也可以是r=1時維度為1×da的向量，這里設(shè)置為r=1。因為H的維度為n×2u，那么自注意力權(quán)重向量A的大小則為n。softmax函數(shù)確保了所有計算得來的權(quán)重之和等于1。最后，根據(jù)這些權(quán)重把所有的LSTM隱藏層向量加起來就得到了輸入序列的向量表示m。此時，m用作softmax分類器的輸入得出最后的情感分類(積極、中立、消極)。

3 實驗與分析

3.1 數(shù)據(jù)集

為了驗證本文提出的模型在屬性級的情感分析任務(wù)上的有效性，采用SemEval2014情感分析評測數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包含了“餐廳”“筆記本”兩大類的用戶真實評論數(shù)據(jù)。每條評論被標(biāo)注成“積極”“中立”“消極”等三種情感，同時每條評論中也標(biāo)注了其中出現(xiàn)的評價對象的一些屬性及其情感傾向。數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 SemEval 2014情感分析評測數(shù)據(jù)集概覽

3.2 基準(zhǔn)模型

為了驗證提出方法的有效性，本文采用以下模型作為對比實驗：

(1) CNN：使用經(jīng)典的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取文本特征，經(jīng)過最大池化后的使用softmax進(jìn)行情感分類。

(2) CNN+SVM：使用CNN提取文本特征后，將得到的句子表示使用SVM 進(jìn)行分類。

(3) LSTM：使用標(biāo)準(zhǔn)LSTM網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)句子語義表征，不需要返回所有時間步驟的隱藏層輸出，只保留最后一個時間步驟的隱藏層輸出，將其作為softmax分類器的輸入。

(4) TD-LSTM：一種基于LSTM改進(jìn)的模型，用兩個LSTM網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)詞所在位置的前后上下文分別進(jìn)行建模。

(5) AE-LSTM：一種注意力機(jī)制模型，將目標(biāo)詞的詞嵌入直接與句子中的詞嵌入直接拼接在一起，作為標(biāo)準(zhǔn)LSTM網(wǎng)絡(luò)的輸入；接著，在對所有的 LSTM網(wǎng)絡(luò)的隱藏層輸出使用注意力機(jī)制進(jìn)行加權(quán)；最后，將加權(quán)后的句子表征作為softmax分類器的輸入進(jìn)行情感分類。

(6) ATAE-LSTM：將目標(biāo)詞的詞嵌入與LSTM隱藏層的輸出進(jìn)行拼接，組合在一起進(jìn)行注意力，最后輸入到softmax分類器進(jìn)行情感分類。

3.3 實驗設(shè)置

本實驗采用Python語言編寫，采用Keras框架實現(xiàn)。需要調(diào)節(jié)的參數(shù)如表2所示。

表2 模型訓(xùn)練參數(shù)說明及取值

3.4 實驗結(jié)果與分析

本文主要采用準(zhǔn)確率、召回率、精確率、F1值作為評估指標(biāo)。在所有模型上進(jìn)行實驗的結(jié)果如表3顯示。

從表3可以看到，本文提出的方法取得了最好的實驗結(jié)果，相較于ATAE-LSTM模型在準(zhǔn)確率、精確率、召回率、F1值上分別提升了2.2%、2.4%、2.8%、2.6%，證明了本文提出模型的有效性。可以從表3中得出結(jié)論：(1)相較于依賴外部信息的注意力機(jī)制，自注意力機(jī)制更加關(guān)注文本內(nèi)部特征的相關(guān)性，這種特點顯著地增強(qiáng)了自注意力機(jī)制表征學(xué)習(xí)的能力，豐富了表征的語義；(2)除了采用注意力機(jī)制之外，ATAE-LSTM模型取得顯著性能的關(guān)鍵在于在詞嵌入層和LSTM輸出結(jié)果上都用預(yù)訓(xùn)練好的目標(biāo)屬性的向量表示進(jìn)行增強(qiáng)。然而，在本文提出的模型中，并未使用類似的表征拼接方法來增強(qiáng)語義。側(cè)面反映了本文提出的模型具有相對更好的性能表現(xiàn)。

表3 實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于自注意力機(jī)制的雙向 LSTM網(wǎng)絡(luò)的情感分析模型，通過新穎的自注意力機(jī)制來對社交媒體中用戶評論的多維度情感傾向進(jìn)行分析與建模。自注意力機(jī)制能夠捕獲評論文本序列的內(nèi)部特征相關(guān)性，有效地增強(qiáng)了模型對于評論文本情感信息的捕獲能力，進(jìn)而提升了情感分析的性能表現(xiàn)。在SemEval2014的數(shù)據(jù)集上，本文提出的模型均表現(xiàn)出了最好的性能。但是，本文采用的詞向量是靜態(tài)不變的，而不是依據(jù)上下文動態(tài)可變的。因此，本文下一步的研究工作是采用語境化的詞向量表征模型，以改善模型性能。