張瀚月 丁妍 張毓 馮時(shí)



摘? 要:近年來(lái),隨著自然語(yǔ)言處理技術(shù)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的客服越來(lái)越不能滿(mǎn)足當(dāng)前的業(yè)務(wù)需求,基于自然語(yǔ)言技術(shù)的智能客服系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生并被廣泛應(yīng)用在學(xué)習(xí)、生活、工作等各個(gè)領(lǐng)域中。本系統(tǒng)使用HTML和JavaScript進(jìn)行前端頁(yè)面的實(shí)現(xiàn),采用Django進(jìn)行后端的搭建,并使用MySQL進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理;使用ESIM模型進(jìn)行語(yǔ)義匹配,該模型綜合應(yīng)用了BiLSTM和注意力機(jī)制,將不同句子的各單詞特征相關(guān)性進(jìn)行表示,再進(jìn)行差積分析,凸顯了局部推理信息,最終實(shí)現(xiàn)了具有回答用戶(hù)問(wèn)題、天氣查詢(xún)、推薦商品等功能的智能客服系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:智能客服;電子商務(wù);搜索引擎
中圖分類(lèi)號(hào):TP311.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
Design and Implementation of E-commerce Intelligent Customer
Service System based on Deep Neural Network
ZHANG Hanyue, DING Yan, ZHANG Yu, FENG Shi
(School of Computer Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)
zhanghanyuehyz@163.com; 20174530@stu.neu.edu.cn;
zhangyvneu@163.com; fengshi@cse.neu.edu.cn
Abstract: In recent years, with rapid development of natural language processing technology, traditional customer service is increasingly unable to meet current business needs. Intelligent customer service system based on natural language technology has emerged and is widely used in various fields, such as study, life, and work. This paper proposes to design an E-commerce intelligent customer service system using HTML (HyperText Markup Language) and JavaScript to implement the front-end page, Django to build the back-end, MySQL (Structured Query Language) to manage data, and the ESIM (Enhanced Sequential Inference Model) to perform semantic matching. This model uses BiLSTM (Bidirectional Long Short-term Memory) and attention mechanism to combine different sentences. Feature relevance of each word is expressed, and then difference product analysis is performed, which highlights the local reasoning information. Finally, the intelligent customer service system with functions such as answering user questions, weather inquiries, and recommending products is realized.
Keywords: intelligent customer service; e-commerce; search engine
1? ?引言(Introduction)
隨著人工智能的發(fā)展,聊天機(jī)器人逐漸走入人們的視野,它第一次出現(xiàn)在英國(guó)知名數(shù)學(xué)家圖靈在Mind上發(fā)表的經(jīng)典論文——《計(jì)算機(jī)器與智能》[1-2]中。聊天機(jī)器人在應(yīng)用場(chǎng)景上主要可以劃分為娛樂(lè)、在線(xiàn)客服、教育、個(gè)人助理和智能問(wèn)答[3]。近幾年來(lái),信息的爆發(fā)式增長(zhǎng)使得人們需要更快速、準(zhǔn)確地在網(wǎng)絡(luò)中獲取自己需要的信息[4]。因此,智能客服機(jī)器人的需求日益增加,其發(fā)展趨勢(shì)非常迅猛,它被廣泛運(yùn)用在電商平臺(tái)的導(dǎo)購(gòu)服務(wù)、公共平臺(tái)的智能指導(dǎo)服務(wù)等方面。相對(duì)于人工客服,它有著巨大的優(yōu)勢(shì):響應(yīng)快速、全天候在線(xiàn)、成本低。顧客可以在任意時(shí)間咨詢(xún)電子客服,并且得到迅速響應(yīng),這是人工客服無(wú)法做到的[5]。當(dāng)一個(gè)企業(yè)的客戶(hù)規(guī)模很大時(shí),對(duì)客服的需求量也是不斷增加的,這會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的人力資源壓力、服務(wù)成本壓力、監(jiān)管壓力。而使用智能服務(wù)機(jī)器人只需對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù),其成本要比人工客服小得多。因此,使用智能客服機(jī)器人代替人工客服是一種必然的趨勢(shì)[6]。
本文實(shí)現(xiàn)了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子商務(wù)智能客服系統(tǒng),具有回答用戶(hù)問(wèn)題、查詢(xún)天氣、推薦商品等基本服務(wù)。用戶(hù)可以詢(xún)問(wèn)與商品有關(guān)的信息并得到回答,同時(shí)該系統(tǒng)也會(huì)在頁(yè)面上顯示推薦用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的相關(guān)產(chǎn)品信息。
2? ?需求分析(Requirements analysis)
本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)為一個(gè)多功能智能客服對(duì)話(huà)系統(tǒng),擁有回答用戶(hù)有關(guān)商品問(wèn)題、進(jìn)行商品推薦、查天氣這三項(xiàng)基本功能。在用戶(hù)與本系統(tǒng)交互時(shí),系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶(hù)提出的問(wèn)題進(jìn)行關(guān)鍵詞抽取,并在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到最為匹配的回答傳送到前端并顯示在界面上。同時(shí)它也具有商品推薦和天氣預(yù)報(bào)的功能,用戶(hù)可直接在聊天頁(yè)面跳轉(zhuǎn)到華為商城進(jìn)行商品選擇,也可查詢(xún)所在地的天氣情況,如圖1所示。
3? ?實(shí)現(xiàn)技術(shù)(Implementation technology)
3.1? ?智能客服機(jī)器人簡(jiǎn)介
本智能客服對(duì)話(huà)系統(tǒng)采用了深度學(xué)習(xí)的框架,根據(jù)用戶(hù)輸入的句子,利用模型逐詞或逐句生成答案,然后將答案回復(fù)給用戶(hù);采用了Encoder-Decoder模型,即編碼—解碼模型[7],其框架技術(shù)如圖2所示。Encoder就是對(duì)輸入序列進(jìn)行編碼,通過(guò)一系列非線(xiàn)性變換轉(zhuǎn)化成一個(gè)帶有語(yǔ)義固定長(zhǎng)度的向量;Decoder就是根據(jù)之前生成的固定向量再轉(zhuǎn)化成輸出序列。本系統(tǒng)選擇的模型是ESIM模型。
3.2? ?ESIM 模型算法流程
為了理解ESIM網(wǎng)絡(luò)模型的工作原理,這里通過(guò)一系列算法方程進(jìn)行說(shuō)明。
進(jìn)一步假設(shè)如下:給定兩個(gè)句子和。其中a是前提(premise),b是假設(shè)(hypothesis)。ai和bj屬于l維的詞向量,可以由一些預(yù)訓(xùn)練的詞向量和語(yǔ)義樹(shù)組織來(lái)初始化,目標(biāo)是要預(yù)測(cè)表示a和b之間的邏輯關(guān)系標(biāo)簽y[8]。
具體算法流程如下:
第一步(輸入編碼):BiLSTM作為推理模型的一個(gè)基礎(chǔ)模塊,用表示輸入句子a在BiLSTM網(wǎng)絡(luò)的時(shí)刻i的隱藏層輸出(單詞ai的隱狀態(tài))。同理,公式如下:
(1)
(2)
第二步(局部推理):采用注意力機(jī)制,注意力層通過(guò)計(jì)算隱狀態(tài)對(duì)的注意力權(quán)重來(lái)作為前提和假設(shè)的相似度。具體計(jì)算公式為:
(3)
第三步:對(duì)于前提中一個(gè)單詞的隱狀態(tài),由第二步得到的eij計(jì)算它與假設(shè)中的各單詞的語(yǔ)義相似程度,公式如下。其中是對(duì)單詞序列的加權(quán)求和。
(4)
(5)
第四步:計(jì)算了對(duì)的差異和點(diǎn)積銳化元組中元素之間的局部推理信息,將計(jì)算得到的差異和點(diǎn)積向量拼接在原始向量、之后。
(6)
(7)
第五步:計(jì)算了一個(gè)整合層來(lái)組合增強(qiáng)的局部推理信息。在樹(shù)組合中,更新樹(shù)節(jié)點(diǎn)以組合局部推理的總體公式如下:
(8)
(9)
第六步:計(jì)算平均池化和最大池化,并將這些向量進(jìn)行拼接,形成最終的固定長(zhǎng)度向量v。
(10)
(11)
(12)
4? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(System design and implementation)
4.1? ?總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以TensorFlow為開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用深度學(xué)習(xí)的框架構(gòu)建了一個(gè)智能客服對(duì)話(huà)系統(tǒng)。前端采用了HMTL和JavaScript語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě),并結(jié)合了CSS和jQuery;后端采用了Django的Web應(yīng)用框架,以MTV模型為基礎(chǔ)進(jìn)行前后端的交互。前后端之間通過(guò)AJAX技術(shù)異步通信,是一種在無(wú)須重新加載整個(gè)頁(yè)面的情況下,能夠部分更新網(wǎng)頁(yè)的技術(shù),以創(chuàng)建快速動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)[9]。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)全部以JSON格式包裝。用戶(hù)在網(wǎng)頁(yè)上產(chǎn)生請(qǐng)求后,后端通過(guò)協(xié)議將請(qǐng)求內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的功能模塊服務(wù)器上并返回響應(yīng),前端收到響應(yīng)后通過(guò)JS對(duì)頁(yè)面上顯示的內(nèi)容進(jìn)行修改,并顯示在界面上,如圖3所示。
4.2? ?數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
由于數(shù)據(jù)量較大并且要和Django相結(jié)合,因此使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),使用繼承Django的Models類(lèi)的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)模型類(lèi)。類(lèi)中共有四個(gè)數(shù)據(jù)成員,分別是int類(lèi)型的id、varchar類(lèi)型的name、varchar類(lèi)型的question和varchar類(lèi)型的answer。其中,id是表的主鍵,name用于記錄商品名,question用于記錄關(guān)于該商品的問(wèn)題,answer記錄對(duì)于問(wèn)題的回答,如表1所示。
使用python manage.py makemigrations命令將數(shù)據(jù)模型生成遷移腳本文件,再使用python manage.py migrate命令將生成的遷移腳本文件映射到數(shù)據(jù)庫(kù)中,生成數(shù)據(jù)表。其中數(shù)據(jù)庫(kù)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)展示,如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)部分?jǐn)?shù)據(jù)展示
Fig.4 Part of the database data display
4.3? ?搜索引擎
為了得到用戶(hù)所提問(wèn)題的候選答案,同時(shí)也為了保證運(yùn)行時(shí)間,本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輕量級(jí)的搜索引擎。首先使用搜索引擎來(lái)得到一些候選回答,然后再使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)匹配模型篩選出更加精確的回答。本文使用了Python的第三方庫(kù)Whoosh來(lái)制作搜索引擎。在使用搜索引擎之前,先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)索引,而在創(chuàng)建索引之前,要先創(chuàng)建一個(gè)模式(Schema)。
算法1:創(chuàng)建索引。
if index文件夾存在:
打開(kāi)索引
else:
os.mkdir("index")? ? ? // 創(chuàng)建index文件夾
my_index = create_in("index", schema)? // 創(chuàng)建索引
將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入索引
創(chuàng)建索引結(jié)束
我們使用如上代碼創(chuàng)建了一個(gè)模式,使用了jieba庫(kù)中的ChineseAnalyzer作為語(yǔ)言分析器。在創(chuàng)建好模式之后,就可以創(chuàng)建索引了。首先,創(chuàng)建一個(gè)名為index的文件夾;然后,使用之前創(chuàng)建好的模式創(chuàng)建一個(gè)索引;最后,把數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于模式中的各個(gè)字段保存到索引中。索引創(chuàng)建完成之后,就可以實(shí)現(xiàn)答案的搜索了。具體搜索流程如圖5所示。
算法2:對(duì)問(wèn)題進(jìn)行搜索。
輸入:用戶(hù)詢(xún)問(wèn)的問(wèn)題
question = request.POST.get('question_box')? ? ? // 獲得問(wèn)題
parser=MultifieldParser(["name","question"],my_index.schema, group=qparser.OrGroup)? ? ? ? ? //使用創(chuàng)建whoosh.query.Query對(duì)象
myquery = parser.parse(question)? //對(duì)問(wèn)題進(jìn)行處理,生成query對(duì)象
with my_index.searcher() as searcher:
result = searcher.search(myquery)? //對(duì)問(wèn)題進(jìn)行搜索
4.4? ?后端設(shè)計(jì)
(1)問(wèn)答功能
本功能主要是對(duì)用戶(hù)關(guān)于商品信息的提問(wèn)進(jìn)行回答。首先我們爬取了京東、淘寶上關(guān)于華為手機(jī)的問(wèn)答對(duì),構(gòu)建了一個(gè)大型語(yǔ)料庫(kù)。當(dāng)用戶(hù)輸入問(wèn)題后,使用搜索引擎搜索出最匹配的十個(gè)問(wèn)題,然后使用語(yǔ)義匹配模型進(jìn)行匹配,將得分最高的答案返回給用戶(hù),如圖6所示。
(2)語(yǔ)義匹配模型
語(yǔ)義匹配模型主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和匹配打分這兩個(gè)部分,下面分別對(duì)其進(jìn)行介紹。
首先是數(shù)據(jù)預(yù)處理。我們對(duì)用戶(hù)輸入的問(wèn)題進(jìn)行繁體轉(zhuǎn)簡(jiǎn)體、使用jieba進(jìn)行分詞、去除停用詞的操作,將句子轉(zhuǎn)換為一個(gè)由詞語(yǔ)組成的列表。
其次是匹配打分的過(guò)程。我們主要使用Keras搭建ESIM(Enhanced Sequential Inference Model)模型,該模型主要分為三個(gè)部分:輸入編碼、局部推理和推理合成[10]。
輸入編碼是使用BiLSTM模型表征輸入句子中每一個(gè)單詞和它的上下文信息。它能夠很好地表征局部推理信息和它在上下文中的影響,其中我們假設(shè)句子的最大長(zhǎng)度為20。
局部推理是采用注意力機(jī)制,通過(guò)計(jì)算狀態(tài)對(duì)的注意力權(quán)重來(lái)作為前提和假設(shè)的相似度。最后利用點(diǎn)積等操作銳化局部推理信息,并將其拼接在一起。
推理合成部分依舊使用BiLSTM模型來(lái)整合局部推斷信息。
最后將輸出結(jié)果進(jìn)行平均值池化和最大值池化,送入多層感知器(MLP)中,激活函數(shù)采用tanh函數(shù),輸出層采用softmax函數(shù),得到前提和假設(shè)的匹配度。
該模型的輸入為兩個(gè)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的單詞列表,輸出結(jié)果為這兩個(gè)列表原本語(yǔ)句的匹配程度。我們采用了在京東上爬取的關(guān)于華為手機(jī)的問(wèn)答對(duì)共十萬(wàn)條進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試,在測(cè)試集上的準(zhǔn)確率達(dá)到88.5%,召回率達(dá)到88.8%。語(yǔ)義匹配流程圖如圖7所示。
(3)天氣預(yù)報(bào)功能
在問(wèn)答界面中,也提供了天氣預(yù)報(bào)的功能,用戶(hù)可以查看自己當(dāng)前所在城市的天氣情況。在HTML代碼中,使用一個(gè)iframe標(biāo)簽,將該iframe標(biāo)簽的src屬性設(shè)置為天氣網(wǎng)站的鏈接,這樣就將用戶(hù)所在城市的天氣信息返回到了前端。用戶(hù)也可以通過(guò)點(diǎn)擊天氣信息的圖形來(lái)了解關(guān)于天氣更多的細(xì)節(jié)。
(4)商品推薦功能
問(wèn)答機(jī)器人在頂部提供了通往華為商城的鏈接,用戶(hù)點(diǎn)擊后可以通往華為商城。
4.5? ?前端設(shè)計(jì)
我們采用HTML和JavaScript進(jìn)行編寫(xiě),設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖5所示的聊天界面。用戶(hù)在聊天界面輸入自己的問(wèn)題并提交,使用post方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,為了使得Django能夠正確地找到HTML文件,需要在settings.py和views.py中指定文件的位置,因此進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)置。
當(dāng)對(duì)話(huà)數(shù)量較多時(shí),聊天對(duì)話(huà)框被拉長(zhǎng),影響使用體驗(yàn),因此為聊天對(duì)話(huà)框設(shè)置最大高度后添加overflow-y: scroll;樣式,可在內(nèi)容超出最大高度后自動(dòng)顯示滾動(dòng)條。在用戶(hù)輸入內(nèi)容或系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)進(jìn)行回復(fù)后,通過(guò)對(duì)聊天框的scrollTop參數(shù)進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)條自動(dòng)滾動(dòng)顯示最新內(nèi)容。聊天對(duì)話(huà)框主體下方為輸入框和發(fā)送按鈕,當(dāng)頁(yè)面加載完成時(shí),為發(fā)送按鈕設(shè)置鍵盤(pán)監(jiān)聽(tīng)事件,以實(shí)現(xiàn)按回車(chē)鍵直接發(fā)送消息。
4.6? ?數(shù)據(jù)集
本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)集為京東商場(chǎng)有關(guān)華為手機(jī)的40 萬(wàn)條問(wèn)題與回答數(shù)據(jù),其中238,014 條用于訓(xùn)練,158,677 條用于測(cè)試。數(shù)據(jù)爬取的目標(biāo)是京東上用戶(hù)提出的問(wèn)題和回答。由于京東上一部分的商品是動(dòng)態(tài)加載的,因此采用selenium的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)爬取,為了使一個(gè)頁(yè)面中的所有商品都可以加載出來(lái),在爬取數(shù)據(jù)時(shí),先讓瀏覽器執(zhí)行一段JS代碼,將瀏覽器的滾動(dòng)條拖到最下面,以完成一個(gè)頁(yè)面中所有商品的加載。為了提高爬取的效率,將京東上一個(gè)頁(yè)面的60 個(gè)商品分成12 組,采用多線(xiàn)程的方式分別對(duì)每一組進(jìn)行數(shù)據(jù)的爬取。通過(guò)繼承threading中的Thread類(lèi),實(shí)現(xiàn)一個(gè)Crawl類(lèi),通過(guò)構(gòu)造函數(shù),使類(lèi)的實(shí)例具有商品編號(hào)和商品名稱(chēng)信息。定義Crawl類(lèi)的run方法,在run方法中加入獲取數(shù)據(jù)的函數(shù),在線(xiàn)程啟動(dòng)時(shí)即開(kāi)始爬取數(shù)據(jù),使用PyQuery庫(kù)的find方法結(jié)合CSS選擇器找到想要的數(shù)據(jù)。在得到的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有很多回答會(huì)有“您好”或者“感謝您對(duì)京東的支持!祝您購(gòu)物愉快”這樣對(duì)我們的系統(tǒng)無(wú)用的語(yǔ)句,所以使用正則表達(dá)式對(duì)爬取到的答案進(jìn)行清洗,將清洗的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。
5? ?系統(tǒng)展示(System display)
系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。
6? ?結(jié)論(Conclusion)
本文主要介紹了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子商務(wù)智能客服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先該系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)大型語(yǔ)料庫(kù),包含從京東等電商平臺(tái)爬取的數(shù)萬(wàn)條問(wèn)答對(duì),作為模型訓(xùn)練和評(píng)估的數(shù)據(jù)。其次,該系統(tǒng)使用Django進(jìn)行后端搭建,使用HTML和JavaScript進(jìn)行前端實(shí)現(xiàn),使用Keras進(jìn)行模型的搭建和訓(xùn)練,代碼簡(jiǎn)潔清晰。我們將各個(gè)功能進(jìn)行封裝,使其便于復(fù)用,降低了各模塊之間的耦合度,使其易于擴(kuò)展。同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)置有問(wèn)答功能、天氣查詢(xún)功能、商品推薦功能,能夠在用戶(hù)有需要的時(shí)候隨時(shí)提供服務(wù),降低了人工成本,提高了服務(wù)效率,商品推薦功能也會(huì)給用戶(hù)提供更多購(gòu)買(mǎi)選擇,是一個(gè)極具實(shí)用性的系統(tǒng)。
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作者簡(jiǎn)介:
張瀚月(1999-),女,本科生.研究領(lǐng)域:軟件工程,機(jī)器學(xué)習(xí).
丁? ?妍(1999-),女,本科生.研究領(lǐng)域:自然語(yǔ)言處理.
張? 毓(1999-),男,本科生.研究領(lǐng)域:深度學(xué)習(xí),軟件工程.
馮? 時(shí)(1981-),男,博士,副教授.研究領(lǐng)域:數(shù)據(jù)挖掘,自然語(yǔ)言處理.