改進(jìn)BERT 的中文評(píng)論情感分類模型

2022-03-07 06:57:48范安民李春輝

軟件導(dǎo)刊 2022年2期

范安民，李春輝

（河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南鄭州 450046）

0 引言

近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)在圖像和語(yǔ)音處理領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，然而在自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域的研究中尚未取得較大突破。情感分類是自然語(yǔ)言處理任務(wù)中的一個(gè)子任務(wù)，其本質(zhì)上是對(duì)帶有情感色彩的主觀性文本進(jìn)行分析、處理、歸納和推理的過(guò)程，例如對(duì)電影和電視劇的評(píng)論、網(wǎng)購(gòu)產(chǎn)品評(píng)價(jià)、微博微信等社交平臺(tái)在某一熱點(diǎn)事件上的評(píng)論等。情感分析有助于使用者獲得產(chǎn)品的客觀評(píng)價(jià)并合理地進(jìn)行輿情監(jiān)測(cè)，結(jié)合本國(guó)互聯(lián)網(wǎng)電商和社交平臺(tái)的迅速發(fā)展以及廣大網(wǎng)民熱衷于發(fā)表網(wǎng)絡(luò)評(píng)論的國(guó)情，中文評(píng)論情感分類研究具有重要意義。如何以深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，構(gòu)建高效的中文評(píng)論情感分類模型已經(jīng)成為中文評(píng)論情感分類研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)在情感分析方面常用到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Networks，RNN），其中RNN 是主流網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)镽NN 在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的輸出值由當(dāng)前時(shí)刻的輸入和上一時(shí)刻的輸出共同決定，這樣使得RNN 能夠充分學(xué)習(xí)文本前后文信息。在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面常見(jiàn)的是其變體LSTM（Long Short Term Memory），這種變體可以學(xué)習(xí)長(zhǎng)期依賴信息。GRU（Gated Recurrent Unity）是LSTM 的一個(gè)變體，它進(jìn)一步減少了LSTM 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的門結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)效率。雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BiLSTM（Bidirectional Recurrent Neural Networks）和BiGRU（Bidirectional Gated Recurrent Unity）通過(guò)建立雙向網(wǎng)絡(luò)連接，將文本從兩個(gè)方向同時(shí)輸入，使模型可以更充分地獲取句子間的語(yǔ)義信息，以這兩種網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的情感分類模型都取得了較好效果。

隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，一些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更深、更復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型也應(yīng)運(yùn)而生，BERT（Bidirectional Encoder Representation from Transformers）就是其中的代表。它是一種基于Transformer 中的Encoder 部分，通過(guò)在Encoder 中引入Masked Language Model 的預(yù)訓(xùn)練方法，隨機(jī)MASK 句子中的部分Token，然后訓(xùn)練模型從MASK 的兩個(gè)方向預(yù)測(cè)被去掉的Token，同時(shí)借助Encoder 中的多頭注意力機(jī)制使模型能動(dòng)態(tài)且并行地獲取詞向量，最后通過(guò)殘差連接和多個(gè)Encoder 結(jié)構(gòu)的堆疊，使模型能充分學(xué)習(xí)到文本的語(yǔ)義，從而產(chǎn)生較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文所用的RoBERTa（A Robustly Optimized BERT Pretraining Approach）模型是一種魯棒性更強(qiáng)的BERT 模型，它主要優(yōu)化了MASK 策略，同時(shí)使用更大規(guī)模的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，使模型適應(yīng)性更強(qiáng)，任務(wù)完成效果更好。

1 相關(guān)工作

基于傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的情感分類模型在處理文本時(shí)不能直接處理文本信息，因?yàn)槟Ｐ蛢?nèi)部都是用來(lái)處理數(shù)值的函數(shù)，其實(shí)驗(yàn)所用文本需要轉(zhuǎn)化成詞向量的形式，即先將文本轉(zhuǎn)化成數(shù)值的形式再將其交給所用網(wǎng)絡(luò)作進(jìn)一步任務(wù)處理，該過(guò)程也稱為詞嵌入。目前最流行的詞嵌入模型就是Word2Vec，它是一種有效創(chuàng)建詞向量的方法，自2013 年以來(lái)就一直存在。其原理的通俗解釋就是將一個(gè)詞放到不同的維度標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行評(píng)分，每種評(píng)分代表其在這個(gè)維度的一個(gè)相似度，所用維度越多，詞本身的特點(diǎn)也就被挖掘得越充分。

在Word2Vec 得到詞向量的基礎(chǔ)上，下游連接循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Softmax 層進(jìn)行文本的情感分類是常見(jiàn)的處理步驟。梁軍等在情感分析中引入LSTM 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)RNN 更好的效果；任勉等提出一種基于雙向長(zhǎng)短時(shí)記憶循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（BiLSTM），通過(guò)雙向傳播機(jī)制獲取文本中完整的上下文信息，比傳統(tǒng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LSTM 模型分類效果更好，能達(dá)到更高的召回率和準(zhǔn)確率；吳小華等提出結(jié)合Self-Attention自注意力機(jī)制可以減少外部參數(shù)依賴，使模型能學(xué)到更多的文本自身關(guān)鍵特征，解決了雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類效果依賴分詞正確率的問(wèn)題，提高了分類效果；曹宇等將BiGRU 應(yīng)用于中文情感分類，模型訓(xùn)練速度比BiLSTM 快1.36 倍，并且取得了較高的F1 值；王偉等提出自注意力機(jī)制與雙向GRU 結(jié)合的BiGRUattention 的文本情感分類模型，實(shí)現(xiàn)了相較于BiLSTM-attention 更高的正確率，同時(shí)模型訓(xùn)練時(shí)間也有效縮短；胡朝舉等提出一種基于深層注意力機(jī)制的LSTM 模型，該方法在特定主題情感分析任務(wù)中將主題特征與文本特征融合，較之前基于注意力的情感分析模型在準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性上有了進(jìn)一步提高；譚皓等提出一種基于表情符注意力機(jī)制的微博情感分類模型，使用雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BiLSTM）學(xué)習(xí)文本的特征表示，利用表情符注意力機(jī)制，得到文本結(jié)合表情符號(hào)的整體特征表示，與輸入純文本和表情符的BiLSTM 模型相比，基于表情符注意力機(jī)制的模型正確率有了明顯提高；張仰森等提出一種基于雙重注意力機(jī)制的微博情感分析方法，將情感短語(yǔ)和表情符號(hào)提取出來(lái)作為情感符號(hào)，與原來(lái)的文本一起輸入到BiLSTM 中，相比于其之前提出的模型，正確率和F1 值都有提高。同時(shí)，也有很多學(xué)者將在圖像識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用較好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于自然語(yǔ)言處理的情感分析領(lǐng)域。何炎祥等提出一種有效利用表情符號(hào)的EMCNN（Emotion-semantics enhanced Multi-channel Convolutional Neural Network）模型，為常用表情符號(hào)構(gòu)造情感特征表示矩陣，將基于表情符號(hào)的情感空間與深度學(xué)習(xí)模型MCNN（Multi-channel Convolutional Neural Network）結(jié)合，顯著提高了MCNN 捕捉情感語(yǔ)義的能力，并在所有性能指標(biāo)上都超過(guò)當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)中的最好效果。

雖然這些研究取得的成果很多，但很難改變用Word2Vec 得到靜態(tài)詞向量聯(lián)系的缺點(diǎn)：在很多語(yǔ)境中并不能給出合適的對(duì)應(yīng)的語(yǔ)義表示。如：“我去市場(chǎng)買了一個(gè)蘋果”和“我去手機(jī)店買了一個(gè)蘋果”，這兩句話都含有“蘋果”，但是Word2Vec 卻很難表示出這樣的區(qū)別。而BERT所用的Transformer 中Encoder 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)卻可以輕松解決這樣一詞多義問(wèn)題，因?yàn)镋ncoder 中采用了自注意力機(jī)制，這可以讓句子學(xué)習(xí)自身的詞與詞之間的關(guān)系，根據(jù)句子的不同，動(dòng)態(tài)地賦予每個(gè)詞不同的權(quán)重，由此可以更準(zhǔn)確地在每個(gè)語(yǔ)境下更好地提取句子的語(yǔ)義。同時(shí)，BERT 采用了Masked Language Model，可以從被MASK 的詞的兩邊預(yù)測(cè)被MASK 的詞，解決了LSTM 及其變體只能從前向后或者從后向前的預(yù)測(cè)方法，提高了語(yǔ)義獲取效率。王子牛等利用大規(guī)模語(yǔ)料訓(xùn)練BERT 模型，將BERT 應(yīng)用于命名實(shí)體識(shí)別中，提出一種基于BERT 的中文命名實(shí)體識(shí)別方法；楊飄等提出一種基于BERT 嵌入的中文命名實(shí)體識(shí)別方法，在獲取句子語(yǔ)義時(shí)，使用BERT 的預(yù)訓(xùn)練模型，有效地提高了實(shí)驗(yàn)效果；王月等提出一種基于BERT 的警情文本命名實(shí)體識(shí)別方法，用BERT 預(yù)訓(xùn)練的詞向量代替?zhèn)鹘y(tǒng)用Word2Vec 得到的詞向量，使實(shí)驗(yàn)效果同比有了較大提高。而本文所用的RoBERTa 主要是在BERT 的基礎(chǔ)上改進(jìn)了mask 的策略，RoBERTa 在預(yù)處理時(shí)并沒(méi)有執(zhí)行MASK，它是在每次向模型提供輸入時(shí)動(dòng)態(tài)地生成mask，因此，MASK 是動(dòng)態(tài)的，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)也更高效。同時(shí)，Ro-BERTa 是在更大的數(shù)據(jù)集上經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練得來(lái)，刪減了BERT 在訓(xùn)練中的NSP（Next Sentence Prediction）任務(wù)，整體效果比BERT 更好，模型魯棒性更強(qiáng)。

2 模型結(jié)構(gòu)

2.1 Word2Vec

Google 團(tuán)隊(duì)在2013 年發(fā)表了Word2Vec 工具，其主要是使用無(wú)監(jiān)督的方法從大型語(yǔ)料庫(kù)中自主地進(jìn)行訓(xùn)練，主要方法為：使用目標(biāo)詞左右窗口內(nèi)的詞進(jìn)行目標(biāo)詞預(yù)測(cè)，或者使用目標(biāo)詞預(yù)測(cè)窗口內(nèi)的詞。這兩種方法分別是依靠Word2Vec 工具中包含的兩個(gè)模型：連續(xù)詞袋模型（Continuous Bag of Words，CBOW）和跳字模型（Skip-gram）。其中，CBOW 模型利用詞w（t）前后各c（這里c=2）個(gè)詞，去預(yù)測(cè)當(dāng)前詞，結(jié)構(gòu)如圖1 所示；而Skip-gram 模型跟CBOW 模型相反，它利用詞w（t）去預(yù)測(cè)它前后各c（c=2）個(gè)詞，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

Fig.1 CBOW model structure圖1 CBOW 模型結(jié)構(gòu)

Fig.2 Skip-gram model structure圖2 Skip-gram 模型結(jié)構(gòu)

如上所述，Skip-gram 模型與CBOW 模型過(guò)程相反，本文以CBOW 模型訓(xùn)練過(guò)程為例對(duì)其進(jìn)行介紹。其中，輸入層是詞w（t）的上下文中的2c個(gè)詞向量，而投影層向量X是這2c個(gè)詞向量的累加和。輸出層是以訓(xùn)練語(yǔ)料庫(kù)中已出現(xiàn)過(guò)的詞作為葉子節(jié)點(diǎn)，以各詞在語(yǔ)料庫(kù)中出現(xiàn)的次數(shù)作為權(quán)值，進(jìn)而構(gòu)造出一顆Huffman 樹(shù)。在這棵Huffman 樹(shù)中，葉子節(jié)點(diǎn)一共有N（=|D|）個(gè)，分別對(duì)應(yīng)詞典D 中的詞，非葉子節(jié)點(diǎn)有N-1個(gè)。通過(guò)隨機(jī)梯度上升算法對(duì)X的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終使得p（w|context（w））值最大化，context（w）為詞的上下文中2c個(gè)范圍內(nèi)的詞。當(dāng)模型中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成時(shí)，句子中所有詞的詞向量w 也隨之求出。

2.2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在自然語(yǔ)言處理任務(wù)中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）主要由輸入層、卷積層、池化層和全連接層組成。輸入層主要負(fù)責(zé)輸入數(shù)據(jù)的向量表示，對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度為n 的句子，輸入層矩陣可表示為如式（1）所示。

其中，k 代表詞向量維度。卷積層使用不同的卷積核對(duì)輸入矩陣進(jìn)行卷積操作，提取輸入的局部特征從而得到卷積核特征向量，如式（2）所示。

其中，

表示卷積核窗口的詞向量矩陣，

代表權(quán)重矩陣，

為偏置量，

為激活函數(shù)。池化層是CNN 中較為重要的網(wǎng)絡(luò)組成部分，對(duì)于卷積層得到的特征向量，一般通過(guò)池化層對(duì)特征向量進(jìn)行下采樣操作，對(duì)重要的特征信息進(jìn)行提取，之后池化層可以輸出一個(gè)固定大小的矩陣。不同長(zhǎng)度句子的輸入和大小不同的卷積核通過(guò)池化層最終得到一個(gè)相同維度的輸出，最后將輸出傳送到全連接層進(jìn)行分類。CNN 模型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

Fig.3 CNN model structure圖3 CNN 模型結(jié)構(gòu)

2.3 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

2.3.1 RNN

RNN 的主要用途是處理和預(yù)測(cè)序列數(shù)據(jù)，在全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，信息在網(wǎng)絡(luò)中的流向都是從輸入層到隱含層再到輸出層，層與層之間是全連接或部分連接，但是每層之間的結(jié)點(diǎn)沒(méi)有連接。RNN 的產(chǎn)生就是為了描述一個(gè)序列的當(dāng)前輸出與之前信息的關(guān)系。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上而言，RNN 會(huì)記憶之前的信息，并利用之前的信息影響后面的輸出，即RNN 的隱藏層之間的結(jié)點(diǎn)是有連接的，隱藏層的輸入不僅包括輸入層的輸出，還包含上一時(shí)刻隱藏層的輸出。傳統(tǒng)的RNN 結(jié)構(gòu)如圖4 所示，對(duì)于RNN 而言，一個(gè)關(guān)鍵的概念就是時(shí)刻，RNN 會(huì)將每一個(gè)時(shí)刻的輸入結(jié)合當(dāng)前模型的狀態(tài)得出一個(gè)輸出。可以看出，RNN 的主體結(jié)構(gòu)A 的輸入除來(lái)自輸入層的X外，還有一個(gè)循環(huán)路徑以提供當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)。同時(shí)，A 的狀態(tài)也會(huì)由當(dāng)前步傳遞到下一步。

Fig.4 RNN model structure圖4 RNN 模型結(jié)構(gòu)

由圖4 可以看出，簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中包含3個(gè)參數(shù)矩陣：U、W、V。其中，U 用于處理t 時(shí)刻的輸入，W 用于計(jì)算網(wǎng)絡(luò)下一個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)，這樣的結(jié)構(gòu)可以讓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“記憶”功能，從而得到記憶序列中的某些關(guān)鍵信息，V 則實(shí)現(xiàn)了將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)為當(dāng)前時(shí)刻的輸出。具體過(guò)程可由式（3）和式（4）進(jìn)行具體描述。

其中，X表示網(wǎng)絡(luò)在t 時(shí)刻的輸入，O表示t 時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)輸出值，A表示t 時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，g 和

表示激活函數(shù)。RNN 的這種結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)絡(luò)t 時(shí)刻的編碼結(jié)果受到0～t時(shí)刻序列輸入的影響，一般將網(wǎng)絡(luò)最后一個(gè)時(shí)刻的輸出（相當(dāng)于所有時(shí)刻輸出之和）作為序列編碼的最終結(jié)果，也就是整個(gè)序列的表示。

2.3.2 LSTM

RNN 雖然是一種擅長(zhǎng)處理序列的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但它有一較為重大的弊端：信息強(qiáng)度會(huì)隨迭代次數(shù)的增多而降低，基本無(wú)法處理具有長(zhǎng)時(shí)依賴特點(diǎn)的序列。長(zhǎng)時(shí)依賴的序列指在序列長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，其真實(shí)含義可能會(huì)和序列初始部分有強(qiáng)相關(guān)性。這種情況也常出現(xiàn)在自然語(yǔ)言中，比如介紹某個(gè)物品時(shí)，它的具體名字可能只出現(xiàn)在開(kāi)頭，后面再提到它時(shí)就用代詞代替。RNN 作為一種傳統(tǒng)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于其本身的結(jié)構(gòu)原因，早期的序列信息會(huì)隨著編碼的進(jìn)行而逐漸丟失，這樣不利于長(zhǎng)序列編碼的處理。

LSTM 是一種改進(jìn)的RNN 類型，它有不同于單一循環(huán)的特殊循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)自身獨(dú)特的設(shè)計(jì)，解決了RNN 不能獲取較長(zhǎng)序列信息的缺點(diǎn)。它的特殊結(jié)構(gòu)由3個(gè)特別的“門”構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，LSTM 單元與LSTM 單元之間的連接方式如圖6 所示。

Fig.5 LSTM model structure圖5 LSTM 模型結(jié)構(gòu)

LSTM 的核心思想是使用存在于整個(gè)編碼過(guò)程的細(xì)胞狀態(tài)將重要信息進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的保留。細(xì)胞狀態(tài)可以想象成傳送帶，放在整個(gè)鏈上運(yùn)行，僅有一些重要的線性交互，從而可以使信息得以更持久的保持。網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)“門”結(jié)構(gòu)分別是遺忘門、輸入門、輸出門。遺忘門負(fù)責(zé)決定細(xì)胞狀態(tài)在當(dāng)前時(shí)刻要遺忘掉哪些信息，它由上一刻的細(xì)胞輸出

和當(dāng)前的輸入

計(jì)算出一個(gè)包含由0 到1 的實(shí)數(shù)向量，該向量的長(zhǎng)度與代表細(xì)胞狀態(tài)的向量長(zhǎng)度相等。根據(jù)計(jì)算結(jié)果決定細(xì)胞狀態(tài)中信息對(duì)應(yīng)的保留程度，其中0 表示完全不保留，1 表示完全保留。可用式（5）表示該過(guò)程。

其中，［］表示拼接操作，

為Sigmoid 激活函數(shù)，

為偏置。

Fig.6 LSTM connection model圖6 LSTM 連接模型

輸入門負(fù)責(zé)決定什么信息能更新細(xì)胞狀態(tài)，由上一刻的細(xì)胞輸出h和當(dāng)前輸入X計(jì)算出兩個(gè)實(shí)數(shù)向量，一個(gè)向量決定了備選的更新信息，另一個(gè)決定了如何從備選信息中選取。該過(guò)程由式（6）、式（7）表示。

最終單元確定當(dāng)前時(shí)刻要輸出什么值，然后由細(xì)胞狀態(tài)變換得到該輸出。首先通過(guò)一個(gè)Sigmoid 函數(shù)決定輸出哪些部分的細(xì)胞狀態(tài)，然后細(xì)胞狀態(tài)通過(guò)Tanh 進(jìn)行處理，得到一個(gè)-1～1 的值，再將它和前者的結(jié)果對(duì)位相乘，最終得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出值。具體過(guò)程由式（9）、式（10）表示。

以上就是經(jīng)典LSTM 的全部過(guò)程，這種能有效解決長(zhǎng)期依賴問(wèn)題的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于多種序列表示問(wèn)題，幾乎已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的RNN。

2.3.3 GRU

GRU 可以看成是LSTM 的變體，它運(yùn)算更快，同時(shí)也能取得不比LSTM 差的效果，原因是它精簡(jiǎn)了LSTM 的“門結(jié)構(gòu)”，將LSTM 中的遺忘門和輸入門用更新門代替，其結(jié)構(gòu)由更新門和重置門兩個(gè)“門”結(jié)構(gòu)構(gòu)成。更新門負(fù)責(zé)控制前一時(shí)刻隱層的輸出對(duì)當(dāng)前隱層的影響程度，更新門的值越大，說(shuō)明前一時(shí)刻隱層的輸出對(duì)當(dāng)前隱層的影響就越大；重置門負(fù)責(zé)控制前一時(shí)刻隱層信息被忽略的程度，重置門的值越小，說(shuō)明信息被忽略得越多。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

Fig.7 GRU model structure圖7 GRU 模型結(jié)構(gòu)

GRU 的更新方式如式（11）—式（14）所示。

2.4 RoBERTa

BERT 文本表示模型使用Transformer 模型的編碼器作為網(wǎng)絡(luò)的基本模型，其不同于上文介紹的RNN 或者CNN，是一種只用多頭注意力機(jī)制構(gòu)建而成的模型。這種機(jī)制可以更為直接地獲取詞與詞之間的關(guān)系，進(jìn)而使序列的編碼整體性更強(qiáng)，更能夠表示整個(gè)序列的含義。而RoBERTa作為BERT 的一種改進(jìn)型變體，整體效果會(huì)更好。

2.4.1 多頭注意力機(jī)制

多頭自注意力機(jī)制其實(shí)是從自注意力機(jī)制（Self-Attention）中衍生而來(lái)，而自注意力機(jī)制本身又屬于宏觀的注意力機(jī)制（Attention）概念中的一種，在已知的很多深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域中都可以看到它們的參與對(duì)效果提升的貢獻(xiàn)。關(guān)于注意力機(jī)制的原理，可以將其作用過(guò)程當(dāng)成是一個(gè)查詢操作Query 和一系列鍵值對(duì)進(jìn)行依次的交互作用從而使Query 得到附加注意力值的過(guò)程。其具體計(jì)算過(guò)程包括計(jì)算Query 與key的相似度a（注意力值），以及與Value進(jìn)行加權(quán)求和的求解。Attention 機(jī)制可以抽象為式（15）。

所謂的自注意力機(jī)制是指使序列自身和自己進(jìn)行注意力處理，即Q=K=V。經(jīng)過(guò)自注意力機(jī)制處理后，序列N的每個(gè)記號(hào)都是序列中其他記號(hào)的線性變換，經(jīng)過(guò)這種處理后，序列的整體性將變得更強(qiáng)，從而更能代表語(yǔ)句的含義。

而所謂的多頭注意力機(jī)制（Multihead Self-Attention）指首先對(duì)Query、Key、Value 進(jìn)行不同的線性變換，然后計(jì)算其相似度，并且將該過(guò)程反復(fù)做

次，此過(guò)程稱為“多頭”。該過(guò)程中每次線性變換所用的參數(shù)矩陣W 都不相同，通常將這

次的結(jié)果進(jìn)行拼接并作線性變換后得到最終多頭注意力機(jī)制結(jié)果。具體過(guò)程可用式（16）和式（17）表示。

該機(jī)制可以學(xué)習(xí)序列內(nèi)部元素之間的依賴關(guān)系，能抽取到序列內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征。它通過(guò)將序列中的元素進(jìn)行兩兩比較，進(jìn)而能夠一步到位地捕捉到全局聯(lián)系，以此解決了長(zhǎng)距離依賴問(wèn)題。同時(shí)，這種機(jī)制可以進(jìn)行并行計(jì)算，而RNN 需要一步一步地遞推才能捕捉到全局聯(lián)系，且對(duì)于長(zhǎng)距離依賴很難捕捉。相比之下，在接收信息上CNN也需要通過(guò)堆疊多個(gè)卷積層擴(kuò)大信息接受視野。

2.4.2 BERT

BERT 語(yǔ)言模型在輸入前不僅需要詞本身的語(yǔ)義向量，還要加入對(duì)應(yīng)詞的位置向量，再將輸入傳給語(yǔ)義獲取部分。該部分由多個(gè)Transformer 模型的編碼器（

Encoder

）部分連接而成，由于每一個(gè)編碼器內(nèi)部都有兩次殘差連接，故保證了每經(jīng)過(guò)一個(gè)編碼器的作用，模型效果不會(huì)變差，最終在多個(gè)編碼器作用下可以充分獲取句子的語(yǔ)義信息，最后傳給下游的任務(wù)進(jìn)行目標(biāo)任務(wù)操作，在情感分類上，一般最后會(huì)傳給分類層進(jìn)行分類，具體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

Fig.8 BERT model structure圖8 BERT 模型結(jié)構(gòu)

上文提到過(guò)BERT 模型在預(yù)訓(xùn)練方面的遮蔽詞預(yù)測(cè)方法，這也是BERT 的一大創(chuàng)新之處。在以往語(yǔ)言模型預(yù)訓(xùn)練過(guò)程中，研究者一般都會(huì)使用單向的預(yù)測(cè)方法，要么是從左往右地預(yù)測(cè)下一個(gè)詞，要么是從右往左地預(yù)測(cè)上一個(gè)詞，或者采用雙層雙向網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)單地將兩者結(jié)合起來(lái)。但因?yàn)锽ERT 使用的是雙向編碼器，在考慮前文詞的同時(shí)也考慮了后文詞，并且在多層注意力機(jī)制的作用下可以使模型從其第二層開(kāi)始，每一個(gè)詞的編碼都可以獲取所有詞的信息，并且該雙向過(guò)程還是并行的，之前的模型只能沿著從前向后或者從后向前的方向預(yù)測(cè)，這種方式只能在前詞被預(yù)測(cè)后才能接著預(yù)測(cè)后面的詞，效率很低。

為了對(duì)語(yǔ)言模型進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)訓(xùn)練，獨(dú)創(chuàng)了新的預(yù)訓(xùn)練方法，稱這種方法為遮蔽詞語(yǔ)言模型（Masked LM）訓(xùn)練。在遮蔽詞的預(yù)測(cè)訓(xùn)練過(guò)程中，模型輸入序列中的元素會(huì)被隨機(jī)的特殊記號(hào)［MASK］代替，從而完全屏蔽某一個(gè)詞在層次編碼過(guò)程中的全部信息。經(jīng)過(guò)該模型的編碼后，記號(hào)［MASK］最終的輸出結(jié)果將被用來(lái)預(yù)測(cè)被遮蔽的詞，一般情況下，默認(rèn)在一句話中，設(shè)定將15%的詞進(jìn)行遮蔽并預(yù)測(cè)，具體結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

雖然這種預(yù)訓(xùn)練的任務(wù)設(shè)定可以有效地訓(xùn)練模型，但是也存在缺點(diǎn)：特殊記號(hào)［MASK］僅僅出現(xiàn)在預(yù)訓(xùn)練階段，而并沒(méi)有在微調(diào)階段出現(xiàn)，這會(huì)給微調(diào)效果帶來(lái)不可預(yù)見(jiàn)的影響。為了解決該問(wèn)題，實(shí)際操作中，在隨機(jī)選取被遮蔽詞時(shí)，最終輸入將遵循以下流程：①選句子中15%的詞作為候選遮蔽詞；②80%的時(shí)間是采用［MASK］，如：誰(shuí)知盤中餐→誰(shuí)知盤中［MASK］；③10%的時(shí)間是隨機(jī)取一個(gè)詞代替被MASK 的詞，如：誰(shuí)知盤中餐→誰(shuí)知盤中湯；④10%的時(shí)間保持不變，如：誰(shuí)知盤中餐→誰(shuí)知盤中餐。

最后，BERT 還可以完成下一句預(yù)測(cè)任務(wù)。很多常見(jiàn)模型的下游任務(wù)是以理解句子對(duì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，比如語(yǔ)義相似度計(jì)算、機(jī)器翻譯效果評(píng)估等任務(wù)。單純地使用遮蔽詞訓(xùn)練的語(yǔ)言模型不能使模型捕捉到句子與句子之間的關(guān)系。下一句預(yù)測(cè)任務(wù)（Next Sentence Prediction，NSP），即預(yù)測(cè)一個(gè)句子是不是另一個(gè)句子的下一句任務(wù)，對(duì)于BERT 而言相對(duì)簡(jiǎn)單。BERT 將隨機(jī)從語(yǔ)料庫(kù)中選取語(yǔ)句A，然后獲取它的下一句B，用50%的概率將語(yǔ)料庫(kù)中與A 無(wú)關(guān)的句子C 換成B，如圖10 所示。

Fig.9 Contrast before and after masking圖9 遮蔽處理前后對(duì)比

Fig.10 Next sentence task prediction圖10 下一句預(yù)測(cè)任務(wù)

該任務(wù)在訓(xùn)練時(shí)，特殊標(biāo)記［CLS］對(duì)應(yīng)的最終輸入將會(huì)被作為兩個(gè)句子的表征，用以判斷兩個(gè)句子是否有關(guān)系。

2.4.3 RoBERTa

RoBERTa 全稱是A Robustly Optimized BERT Pretraining Approach，即一種魯棒性更強(qiáng)的BERT 模型。它的整體結(jié)構(gòu)與BERT 相同，是在一些細(xì)節(jié)方面對(duì)BERT 進(jìn)行了改進(jìn)，從而達(dá)到了更好的效果。具體改進(jìn)如下：

（1）采用動(dòng)態(tài)MASK 機(jī)制。BERT 中在準(zhǔn)備訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)樣本都僅僅會(huì)進(jìn)行一次隨機(jī)MASK（因此每個(gè)epoch 都是重復(fù)），接下來(lái)的每個(gè)訓(xùn)練步驟都將采用相同的MASK，這就是原始靜態(tài)MASK，即單個(gè)的靜態(tài)MASK，這是原始BERT 的做法。RoBERTa 采用全詞遮罩（Whole Word Masking）技術(shù)，原始BERT 是基于WordPiece 詞級(jí)別的分詞方式，會(huì)將一個(gè)完整的詞切分成若干個(gè)子詞，在生成訓(xùn)練樣本時(shí)，這些被分開(kāi)的子詞會(huì)隨機(jī)被MASK。在全詞MASK中，如果一個(gè)完整詞的部分子詞被MASK，則同屬該詞的其他部分也會(huì)被MASK，即全詞MASK；RoBERTa 在預(yù)處理時(shí)并沒(méi)有執(zhí)行MASK，它是在每次向模型提供輸入時(shí)動(dòng)態(tài)地生成MASK，這樣每個(gè)epoch 的MASK 是時(shí)刻變化的，在此基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)效果也更好。

（2）刪減BERT 的下一句預(yù)測(cè)任務(wù)。刪減了NSP 任務(wù)，BERT 的整個(gè)模型變得更為高效，在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中的效果并沒(méi)有下降，處理多文檔的性能也未受到影響，同時(shí)單文檔任務(wù)效果有明顯提升。可以看出，RoBERTa 更適合處理情感分類這種文檔任務(wù)。

（3）增加數(shù)據(jù)，提高算力和訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)。BERT 訓(xùn)練時(shí)使用了13G 的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，RoBERTa 訓(xùn)練時(shí)使用了160G 的訓(xùn)練數(shù)據(jù)；BERT 訓(xùn)練時(shí)使用了64個(gè)TPU，RoBERTa 訓(xùn)練時(shí)用了1 024個(gè)V100 GPUs。因?yàn)樗懔μ嵘?，RoBERTa 采用的batch_size 為512，而BERT 只有256。

（4）使用更大的編碼表。原始BERT 模型編碼方式是通過(guò)對(duì)輸入文本進(jìn)行啟發(fā)式的詞干化處理后而得到，本質(zhì)上是基于char 級(jí)別，而RoBERTa 模型運(yùn)用的編碼方式則是基于bytes 級(jí)別。bytes 級(jí)別與char 級(jí)別的根本區(qū)別在于bytes 級(jí)別使用byte 作為字詞的基本編碼單位而不是將BERT 模型所用的unicode 字符作為編碼基本單位。這樣的編碼方式能夠?qū)Σ捎萌魏涡问骄幋a的文本進(jìn)行識(shí)別而不會(huì)引入U(xiǎn)NKOWN 標(biāo)記。當(dāng)采用bytes 級(jí)別的BPE 后，其所用的詞表大小將從原來(lái)的30k 增加到現(xiàn)在的50k，這極大提升了RoBERTa 模型對(duì)復(fù)雜任務(wù)和較差語(yǔ)料的適應(yīng)性。

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

本文實(shí)驗(yàn)主要使用RoBERTa 模型進(jìn)行中文情感分類，也在同樣的條件下使用BERT 模型的中文版本作比較實(shí)驗(yàn)，并將以往表現(xiàn)較好的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其變體加入到實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行綜合結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如表1 所示。

Table 1 Lab environment表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)集采用Nlpcc2013 和Nlpcc2014 公開(kāi)的微博評(píng)論數(shù)據(jù)集為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)降噪和數(shù)據(jù)清洗后，2013 年的數(shù)據(jù)集大概有5 000 條，2014 年的數(shù)據(jù)集大概有18 000條，具體情況如表2 所示。

Table 2 Experimental data表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文采用通用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，正確率（Accuracy，A）、準(zhǔn)確率（Precision，P）、召回率（Recall，R）、F值對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。正確率表示預(yù)測(cè)正確的樣本與所有樣本的比例；準(zhǔn)確率表示正確被檢索到的數(shù)量與實(shí)際被檢索到的數(shù)量比值；召回率表示正確被檢索到的數(shù)目與應(yīng)被檢索到的數(shù)目比值；P 和R 互斥，F(xiàn)值綜合考慮二者的指標(biāo)。具體內(nèi)容見(jiàn)表3，公式見(jiàn)式（18）—式（21）。

Table 3 Confusion matrix表3 混淆矩陣

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文所使用的RoBERTa 模型參數(shù)比原始的BERT 有所提高，具體對(duì)比如表4 所示。

Table 4 RoBERTa model parameters表4 RoBERTa 模型參數(shù)

兩個(gè)模型的學(xué)習(xí)率都采用1e-5，測(cè)試集和訓(xùn)練集按照1∶4 的比例分配，其他對(duì)比實(shí)驗(yàn)按相關(guān)參數(shù)進(jìn)行，具體模型如下：

（1）BiLSTM。任勉等提出一種基于雙向長(zhǎng)短時(shí)記憶循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，主要用雙向的LSTM 提取上下文語(yǔ)義。

（2）BiGRU。曹宇等采用LSTM 的變體雙向的GRU網(wǎng)絡(luò)模型提取語(yǔ)義并分類，效果較之前的模型更好。

（3）BiGRU-attention。王偉等提出自注意力機(jī)制和雙向GRU 結(jié)合的BiGRU-attention 文本情感分類模型，實(shí)現(xiàn)了比BiLSTM-attention 更高的正確率，同時(shí)模型訓(xùn)練時(shí)間也得以有效縮短。

加上上述BERT 模型與RoBERTa 模型，一共5 組模型，分別在Nlpcc2013 和Nlpcc2014 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文所用的RoBERTa 模型和其他4個(gè)模型在Nlpcc2013 和Nlpcc2014 數(shù)據(jù)集上的情感二分類具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表5 和表6 所示。

Table 5 Nlpcc2013 data set experimental results表5 Nlpcc2013 數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 6 Nlpcc2014 data set experimental results表6 Nlpcc2014 數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，BiGRU_attention 模型效果較好，正確率、召回率、F值較前兩個(gè)模型在兩個(gè)數(shù)據(jù)集上都有提高。但是BERT 模型與前3個(gè)模型相比，在所有評(píng)價(jià)指標(biāo)上都有明顯提高。而Ro-BERTa 模型是BERT 模型的改進(jìn)型，在兩個(gè)數(shù)據(jù)集的各項(xiàng)指標(biāo)上都有小幅度提升。并且，其優(yōu)于以上所有參照模型，證明本模型在中文情感二分類上有較好的效果，也證明了本模型在中文評(píng)論情感二分類任務(wù)上的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

由上可知，BERT 模型及RoBERTa 模型的結(jié)構(gòu)全然沒(méi)有傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)模型影子，是一種全新結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不能解決的文本信息長(zhǎng)時(shí)依賴問(wèn)題，同時(shí)在模型預(yù)訓(xùn)練階段通過(guò)創(chuàng)新的詞罩技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效的并行預(yù)測(cè)技術(shù)，極大縮短了模型訓(xùn)練時(shí)間，提高了模型整體效果，并且通過(guò)其自身內(nèi)嵌的多頭注意力機(jī)制，較好解決了傳統(tǒng)詞嵌入模型不能很好解決的一詞多義問(wèn)題，并在最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果上取得了優(yōu)異效果，驗(yàn)證了模型在中文情感評(píng)論二分類上的高效性。

但是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，nlpcc2014 數(shù)據(jù)集上的整體實(shí)驗(yàn)指標(biāo)比nlpcc2013 數(shù)據(jù)集要好，原因可能是nlpcc2014 總的數(shù)據(jù)量比nlpcc2013 總的數(shù)據(jù)量要多很多，因此考慮可能是數(shù)據(jù)集本身的數(shù)據(jù)量對(duì)模型分類效果產(chǎn)生了影響。后續(xù)將針對(duì)這一問(wèn)題做系統(tǒng)研究，并進(jìn)行論證。如果證實(shí)數(shù)據(jù)量的增加確實(shí)可以提高模型分類效果，則可以針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中數(shù)據(jù)集較少的情況，研究可行的數(shù)據(jù)量增加方法以提高模型整體效果。

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