中文文本分類模型對比研究

陳海紅，司 威，黃鳳坡

（赤峰學院 數學與計算機科學學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 引言

文本分類問題是自然語言處理領域的重要研究問題，可以進行主客觀分類、輿情情感分析等。文本分類的模型也是比較多的，本文采用7種方法對中文文本進行二分類（正向情感、負向情感）或三分類（正向情感、中性情感、負向情感）研究對比，找到各種方法的優缺點，并將其應用到輿情情感分析等文本分類領域。

2 數據的準備

我們從網絡上收集了很多領域的評論數據，以及日常的微博數據，并對數據進行了預處理，去除多余的空格，表情符號，Html標簽等。然后對這些數據進行標注，再將數據轉換成各種模型能夠識別的格式。模型在使用的時候把這些數據分成開發集(development set)和測試集(test set)，開發集又分成訓練集(training set)和開發測試集(development test set)。本文中使用的開發集樣本數是17130條，測試集樣本數是4187條，此外，還收集了停用詞典，情感詞典(分為正向詞典和負向詞典)，程度副詞，否定詞典等數據。

3 中文文本分類法

3.1 基于情感詞典的分類法

基于情感詞典的分類法是對人類的記憶和判斷思維的最簡單模擬，人類會通過學習來記憶一些基本詞匯，如否定詞有“不”，積極詞有“幸?！薄膀湴痢?，消極詞有“討厭”，從而在大腦中形成一個基本的語料庫，然后對輸入的句子進行拆分，看看記憶的詞匯表中是否存在相應的詞，然后根據這個詞的類別來判斷情感。

這里使用了一種比較簡單的算法，將詞語的權重值劃分為四類，分別為P、N、DaP、DaN。P類型的詞語權重值為1，包括積極詞語、否定詞+消極詞語；N類型的詞語權重值為-1，包括消極詞、否定詞+積極詞語、積極詞語+否定詞；DaP類型的詞語權重為2，包括程度副詞+積極詞語；DaN類型的詞語權重為-2，包括程度副詞+消極詞語。并假定情感值滿足線性疊加原理，最終算出的權重值在(-∞,+∞)范圍內，越大說明越積極。為了方便劃分類別，將最終的權重值放入sigmoid函數轉換成(0,1)之間的數值。上述方法在測試集上進行測試，最終結果的準確率為60%。

該方法存在的問題：(1)假設了所有積極詞語、消極詞語的權重值都是相等的，但我們知道中文文本本身帶有非常豐富的感情色彩，同為積極/消極詞語但語氣程度可能是不同的；(2)對否定詞和程度副詞僅做了取反和加倍，但事實上，不同的否定詞和程度副詞的權重程度也是不同的；(3)假設了權重值是線性疊加的，但事實上，人腦情感分類是非線性的，不僅僅在想這個句子是什么情感，還會判斷句子的類型，整體的結構（主語、謂語、賓語等），甚至還會聯系上下文對句子進行判斷，基于簡單的線性疊加性能是有限的；(4)情感詞典沒有自動擴充能力，人類獲得新知識的手段不僅僅靠他人的傳授，還會自己進行學習、總結和猜測，如“喜歡”和“熱愛”是積極詞語，那么人類就會知道“喜愛”也是積極的詞語。

3.2 snowNLP庫

SnowNLP是一個python寫的類庫，可以方便地處理中文文本內容,是受到了TextBlob的啟發而寫的，它囊括了中文分詞、詞性標注、情感分析、文本分類、轉換拼音、繁體轉簡體、關鍵字/摘要提取、文本相似度等諸多功能，像隱馬爾科夫模型、樸素貝葉斯、TextRank等算法均在這個庫中有對應的應用。SnowNLP對情感的測試值為0到1，值越大，說明情感傾向越積極。

使用SnowNLP對數據進行測試，測試數據有4187條，測試結果以0.5為界，大于0.5的判定為正向，小于0.5的判定為負向，最終的準確率為73%。如果大于0.8判定為正向，小于0.3判定為負向，中間為中性，最終的準確率為67%。

SnowNLP的分詞效果沒有結巴分詞效果好，而且原料是基于幾個方向的評論留言，語料文件比較片面，且其中有些語句意向不準確，導致效果并不是特別好，但如果沒有其他知識的情況下做中文文本處理，使用SnowNLP是一個不錯的選擇。

3.3 邏輯回歸

邏輯回歸是一個非常經典的分類算法，目前仍被廣泛應用到各個領域，Bahalul Haque等人利用邏輯回歸，根據年齡、性別、國家和地區預測COVID-19導致的個人死亡[1]。

我們首先對文本進行特征提取，提取方法采用TF-IDF(Term Frequency-Inverse Document Frequency)，計算公式為：

S1是tf值與idf值的乘積，tf(t,d)表示某一篇文檔d中，詞項t的頻度。

nd表示訓練集文本數，df(d,t)表示包含詞項t的文檔總數。用S1和S2對訓練集和測試集文本進行特征提取，在訓練集上得到的特征矩陣維度是(17130,41000)，這是一個非常龐大的稀疏矩陣。然后使用sklearn中的LogisticRegression[2]對該矩陣數據進行邏輯回歸訓練，訓練參數選擇newton-cg作為優化算法，選擇1.0作為懲罰系數。訓練好的模型應用到測試集上進行測試，測試結果的logloss:0.527，準確率83%。

文本的特征提取是自然語言處理領域的最重要問題，它決定著最終結果的上限。目前word2vec是一種應用較廣泛的特征提取方法，它產生了很多變體，應用于很多方面[3,4]。這里我們使用word2vec對文本再次進行特征提取。使用TF-IDF進行特征提取時，它能過濾掉一些常見的卻無關緊要的詞語，同時保留影響整個文本的重要詞語，但丟失了文本上下文之間的聯系。使用word2vec進行特征提取時，它會考慮上下文，并且維度更少。首先使用gensim庫中的word2vec[5]對1.3G的中文語料進行建模，生成維度為400的詞向量，使用該詞向量對[‘微積分’,‘統計學’,‘蘋果’]進行heatmap分析，發現微積分與統計學具有很多的相似性，與蘋果相差很多。

圖1 熱圖分析數值

然后將一個句子中所有詞的詞向量相加取平均，得到句子向量，再將句子向量輸入到上述邏輯回歸模型進行訓練，并測試。測試結果的logloss:0.617，準確率76%，發現并沒有得到比TF-IDF更好的結果。后面第3.4節也使用這個word2vec訓練的詞向量，得到了不錯的結果。

3.4 簡單的全連接網絡和LSTM模型

深度學習可以幫助我們從多角度提取文本特征，文本的分類問題同樣可以使用深度學習模型進行處理。我們先使用keras[6,7]中的Sequential搭建一個簡單的3層全連接網絡查看效果。在搭建神經網絡之前，先在word2vec訓練的詞向量的基礎上對特征數據進行標準化/歸一化處理，因為如果某個特征的方差遠大于其他特征的方差，那么它將會在算法學習中占據主導位置，導致模型不能像我們期望的那樣，去學習其他的特征，這將導致最后的模型收斂速度慢甚至不收斂。

model=Sequential()

model.add(Dense(256,input_dim=400,activation=” relu” ))

model.add(Dense(256,activation=” relu” ))

model.add(Dense(3))

model.add(Activation(” softmax” ))

模型中間加Dropout[8]和BatchNormalization()來防止過擬合，優化器選擇adam，損失函數選擇categorical_crossentropy，測試結果的logloss:0.453，準確率82%。

CNN(Convolutional Neural Network)和RNN(Recurrent Neural Network)都會將矩陣形式的輸入編碼為較低維度的向量，而保留大多數有用的信息，但卷積神經網絡更注重全局的模糊感知，循環神經網絡更注重鄰近位置的重構，而自然語言是具有時間序列特征的數據，每個詞的出現都依賴于它的前一個詞和后一個詞。由于這種依賴的存在，我們使用循環神經網絡來處理這種時間序列數據更適合。Long Short Term Memory Units(LSTMs)是一種特殊的循環神經網絡，從抽象的角度看，LSTM保存了文本中長期的依賴信息。

在使用LSTM建模之前，先測定訓練集和測試集中的句子長度，測試結果如圖2所示，根據圖中的結果，又計算了句子長度小于150的句子總數占61%，句子長度小于210的句子總數占93%，因此選擇句子長度為210，在訓練的過程中，加入了回調函數，使得模型能夠停止在最佳的迭代節點，最終結果如圖3所示，在epoch=25時達到了最佳節點。最終測試結果的logloss：0.32，準確率86%。

圖2 不同句子長度的數量分布

圖3 句子長度為210時的acc和loss

3.5 BERT模型

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）模型來源于論文[9]，它的網絡架構使用的是《Attention is all you need》中提出的多層Transformer結構，它解決了傳統模型的一些問題：(1)解決了RNN模型本身的序列依賴結構不適合大規模并行計算的問題；(2)詞向量訓練模型word2vec在預訓練好詞向量后就永久不變了，但不同語境中相同的詞可能代表不同的含義。BERT詞向量包含了雙向的語境信息，在很多方面具有比較好的效果，也出現了很多針對它的改進模型。

主要的思路：將一句話進行分詞，通過BERT模型之后輸出各個分詞對應的詞向量及CLS對應的詞向量，CLS中包含了整句話的信息，然后通過CLS進行類別的判斷。最終測試結果的logloss：0.31，準確率88%。

4 結果

F1和精確匹配(Exact Match,EM)是模型性能評價的兩個指標。如果預測值與真實值完全相同，則EM值為1，否則為0；F1則是平衡精確率和召回率之間關系的指標，值越大越好。幾種方法的EM和F1值如表1所示。測試集數據是一個三分類的數據，標記為1的代表正向情感，標記為2的代表負向情感，標記為0的代表中性情感，個數見表1所示?；谇楦性~典的思路簡單，穩定性強，但精確度不高，需要提取好情感詞典，而這一步，往往需要大量的工作才能保證準確率，而且必須要對中文語義足夠了解才可以做到。測試時將結果值大于0.8的分類為正向情感，小于0.3的分類為負向情感，其余的分類為中性情感，結果的F1值為49%。SnowNLP的測試結果也是數值，和情感字典一樣做三分類劃分，F1值是51%。

表1 測試集樣本個數

機器學習允許我們在幾乎零背景的前提下，為某個領域的實際問題建立模型。在機器學習模型中，BERT模型達到了最高的準確率和最低的loss，表2的BERT模型結果是在learning_rate=2e-5，num_train_epochs=1.0，vocab_size=21128（詞表大小）的條件下獲得的。使用機器學習模型需要我們對相關框架、算法、知識點足夠的了解，如果沒有相關方面的知識又想做中文文本分類的話可以使用SnowNLP庫。根據表2的結果基于TF-IDF的邏輯回歸取得了不錯的效果，基于word2vec的邏輯回歸使用了平均詞向量方法獲得句子向量，這種方法的缺點是認為句子中的所有詞對于表達句子含義同樣重要。因此如果是簡單的任務，使用基于TFIDF的邏輯回歸將會是不錯的選擇，總體來講深度學習的方法精確度更高。

表2 結果對比

5 總結

本文使用基于情感詞典的分類方法，SnowNLP庫，邏輯回歸，全連接神經網絡，LSTM，BERT模型等多種方法對相同的文本進行分類研究。我們發現預訓練模型雖然在很多時候能取得不錯的結果，但需要忍受更大的模型尺寸及更高的延遲，因此在解決具體任務時，傳統的普通方法也許能取得不錯的結果，而且沒有更大的開銷。