基于關(guān)聯(lián)詞的主題模型語義標(biāo)注

周亦鵬，杜軍平

(1.北京工商大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院，北京 100048;2.北京郵電大學(xué)智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室，北京 100876)

主題分析通常采用概率生成模型，如LDA、PLSA等方法，以語義詞概率分布的形式描述主題［1-2］，這使得一般用戶較難理解主題的內(nèi)容.通常的方法是取概率較高的若干個語義詞來表示主題含義［3］，但這種方法也常常不能準(zhǔn)確表示整個分布所覆蓋的全部語義.因此，提出一種主題模型的自動標(biāo)注方法，提取具有一定語義覆蓋度和區(qū)分度的主題關(guān)聯(lián)詞來描述主題的內(nèi)容.

1 主題模型的語義標(biāo)注

主題模型的自動語義標(biāo)注通常包括2個步驟:首先構(gòu)造能夠表達各種主題語義的候選標(biāo)簽集，標(biāo)簽可以是詞、短語，也可以是句子;然后，為不同的主題模型選擇與其語義相關(guān)的一個或多個標(biāo)簽進行標(biāo)注.最常用的方法是最大概率主題詞標(biāo)注［4］，這種方法的標(biāo)簽集由從文檔中抽取的單個詞語構(gòu)成，標(biāo)簽的選擇是根據(jù)詞語在主題模型當(dāng)中的分布概率來決定的.

相對于單個詞語的標(biāo)注方法，采用短語作為標(biāo)簽進行標(biāo)注更容易表達主題模型的語義，因此需要生成短語標(biāo)簽集合.常用的短語生成方法是基于統(tǒng)計模型的短語抽?。?-6］，即根據(jù)同現(xiàn)概率獲得同現(xiàn)詞，并通過互信息或χ2測試從文本集中抽取可能的短語.但是，這些方法會受到同義詞等問題的影響，因此抽取出的標(biāo)簽會出現(xiàn)語義重復(fù)問題，并且僅僅根據(jù)概率統(tǒng)計獲得的標(biāo)簽也存在語義相關(guān)性低或語義覆蓋性低的問題.此外，如果選擇多個標(biāo)簽對主題模型進行標(biāo)注，還存在如何比較多標(biāo)簽與主題模型的語義相關(guān)度、語義覆蓋度以及標(biāo)簽間的語義區(qū)分度等問題.本文提出一種基于關(guān)聯(lián)詞的主題模型自動語義標(biāo)注方法，其框架如圖1所示.

圖1 基于關(guān)聯(lián)詞的主題模型語義標(biāo)注框架Fig.1 Framework of topic model tagging based on associated words

首先從參考文本集中抽取詞語，并根據(jù)語言本體將其映射為義原，實現(xiàn)詞語在概念上的歸并，從而獲得描述語義概念的主題詞，同時主題模型也從一般的詞語分布轉(zhuǎn)換為概念主題詞分布;然后根據(jù)實體、環(huán)境、活動等不同語義類別對概念主題詞進行分類，同時采用基于語義分類的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘獲得具有語義關(guān)聯(lián)的主題詞，從而建立候選標(biāo)簽集;最后，將標(biāo)簽也以主題詞概率分布的形式進行描述，并計算其與主題模型的語義相關(guān)度，選擇具有高語義覆蓋度和區(qū)分度的多個標(biāo)簽進行標(biāo)注.

2 關(guān)聯(lián)主題詞的生成

2.1 主題詞的語義概念

關(guān)聯(lián)詞是依據(jù)上下文關(guān)系經(jīng)常搭配使用的詞，在自然語言中，為了表達的需要，文本中常常會出現(xiàn)大量關(guān)聯(lián)詞.例如，在旅游信息中，“杭州”與“西湖”同時出現(xiàn)的幾率非常大，在食品安全事件中，“嬰兒”、“奶粉”與“三聚氰胺”同時出現(xiàn)的幾率較大.如果將這些關(guān)聯(lián)詞作為多個語義單元，一方面會增加主題模型的維數(shù)，另一方面也降低了主題模型對文檔的表達精度.雖然文本特征抽取可以通過預(yù)先設(shè)定的閾值來降低特征向量的維數(shù)，但它不是在保證語義精度的前提下，因此常常適得其反.

而在另一方面，為了解決主題的表達問題，也必須分析詞與詞之間的聯(lián)系，不單是對文本中詞的概率統(tǒng)計描述更應(yīng)從語義上加以理解，此時就需要將具有語義關(guān)聯(lián)性的詞語抽取出來用于描述主題的內(nèi)容.因此，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘構(gòu)造關(guān)聯(lián)詞集是一個簡單可行的方法，挖掘具有關(guān)聯(lián)性的詞語作為一個語義單元，既可以實現(xiàn)特征向量的降維，又可以增大主題表達的準(zhǔn)確性.使用關(guān)聯(lián)詞集合可以有效地對文本特征空間的關(guān)聯(lián)詞進行歸并，改進主題標(biāo)注的效率和精度.

構(gòu)造關(guān)聯(lián)主題詞集合需要解決2個問題:

1)同義詞問題.由于中文文本存在語法修飾，不同的詞匯表示相同的概念，因此，關(guān)聯(lián)規(guī)則算法無法根據(jù)中文文本中的深層語義信息挖掘關(guān)聯(lián)詞，影響了關(guān)聯(lián)詞歸并的質(zhì)量.

2)語義相關(guān)性問題.雖然關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘可以發(fā)現(xiàn)特征詞的同現(xiàn)關(guān)系，但因為主要反映的是一種統(tǒng)計規(guī)律，所以存在某些規(guī)則不能很好反映特征詞之間語義相關(guān)性的問題，即某些關(guān)聯(lián)規(guī)則在語義上是無效的.

因此，本文采用“知網(wǎng)”作為概念空間，將特征詞映射到概念空間，解決同義詞問題，同時提出基于語義概念分類的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法來提高關(guān)聯(lián)詞的語義相關(guān)性.

“知網(wǎng)”［7］(HowNet)是著名的采用漢語描述的本體論.它將漢語和英語的詞語所代表的概念作為描述對象，同時描述了概念之間、概念所具有的屬性之間的關(guān)系，并建立了反映這些概念和關(guān)系的知識庫.“知網(wǎng)”中，單個或復(fù)雜的概念以及各個概念之間、概念的屬性和屬性之間的關(guān)系是通過義原或義原的組合來進行標(biāo)注的.這樣的好處是雖然新詞不斷出現(xiàn)，但義原的增加卻極少.因此，在“知網(wǎng)”中，詞義就被定義為各種義原的組合.

在主題的詞語概率分布模型中引入“知網(wǎng)”作為背景知識，將主題詞映射到義原，可以在一定程度上解決同義詞替換的問題，使得相同概念、不同描述的詞可以進行歸并.

為了獲得主題信息的概念集，首先對文本集D={d1，d2，…，dN}進行預(yù)處理，抽取每篇文本 di中權(quán)重較高的特征詞，構(gòu)成基于特征詞集的特征向量:

式中:tfi為特征詞ti在網(wǎng)頁di中出現(xiàn)的頻率，n為特征詞的數(shù)量.

然后引入知網(wǎng)，將特征詞映射到義原.在將文本di中的每個特征詞t映射為義原時，首先對具有2個或2個以上語義解釋的詞t進行語義排歧，獲取其對應(yīng)每個語義解釋的概率p，然后以p作為權(quán)重為語義解釋涉及到的每個義原a所對應(yīng)的特征向量賦值.由于目前知網(wǎng)收錄的詞條有限，有些特征詞沒有被知網(wǎng)收錄，對于這些特征詞予以保留，這樣就形成了義原加特征詞的特征向量:

式中:ti(1≤i≤k)為沒有被知網(wǎng)收錄的特征詞，w(di，ai)為義原ai在文本di中的權(quán)值:

式中:tw(di，tj，ai)為文檔 di中詞條 tj對義原 ai的權(quán)重貢獻:

式中:ref(tj)為詞條tj對應(yīng)的義原集合，λ為該義原類別的權(quán)重系數(shù).

為了進一步縮減向量維度并提高關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的支持度和置信度，通過計算義原間的相似度［8］可以進一步將相似義原進行歸并.義原相似度的計算方法如下:

式中:dis(a1，a2)是義原a1和a2在知網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)中的語義距離，α是一個可調(diào)節(jié)的參數(shù).

2.2 基于語義分類的關(guān)聯(lián)詞集構(gòu)造

經(jīng)過分析，各類事件信息中的主題詞根據(jù)語義可以分為5類，分別反映了信息中涉及的實體對象、環(huán)境、活動、事件和結(jié)果，它們從不同角度描述了事件信息的語義內(nèi)容.因此，在建立主題詞的概念空間之后，文本特征向量中的義原和主題特征詞分量被分為實體對象、環(huán)境、活動、事件和結(jié)果5類，并且根據(jù)其概率分布，對主題語義的貢獻度賦予不同的權(quán)重系數(shù).通過挖掘這5類特征分量間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，在發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)詞的同時也有助于反映它們之間的語義聯(lián)系.為了避免同類特征項出現(xiàn)在關(guān)聯(lián)規(guī)則之中，定義基于語義分類的關(guān)聯(lián)規(guī)則如下.

設(shè)文檔特征空間中包含的所有義原和特征詞構(gòu)成集合:W={a1，a2，…，al，t1，t2，… ，tk}，其中每個元素屬于一個語義類別K.則定義基于語義分類的關(guān)聯(lián)規(guī)則 A→ B，其中A?W，B?W，A∩B=?，并且，對于規(guī)則左部A和右部B中包含的任意項u、v，滿足 Ku≠Kv.

對于文本集D，規(guī)則 A→ B的支持度為s=P(A·B)，置信度為 c=P(B|A).

基于語義分類關(guān)聯(lián)規(guī)則的關(guān)聯(lián)詞集構(gòu)造算法如下:

1)利用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法［9］挖掘基于語義分類的關(guān)聯(lián)規(guī)則，獲得所有支持度和置信度分別大于s和c的關(guān)聯(lián)規(guī)則;

重復(fù)2)～5)，對獲得的每一條關(guān)聯(lián)規(guī)則的左右部包含的關(guān)聯(lián)詞進行歸并;

2)將關(guān)聯(lián)規(guī)則右部包含的主題詞從主題詞集合中刪除;

3)在歸并后的主題詞集合中查找含有關(guān)聯(lián)規(guī)則任一邊的主題詞的歸并主題詞組合;

4)如果找到，則將另一主題詞加入到該歸并主題詞組合中;

5)如找不到歸并主題詞組合，則以關(guān)聯(lián)規(guī)則左右部的2個主題詞構(gòu)造一個新的主題詞組合，并放入歸并后的主題詞集合中去;

6)在完成所有關(guān)聯(lián)規(guī)則的歸并后，得到新的主題詞集合，集合內(nèi)包含多個關(guān)聯(lián)主題詞組合，即得到關(guān)聯(lián)詞集合.

3 關(guān)聯(lián)主題詞的語義相關(guān)度計算

3.1 語義相似性計算

在抽取出主題詞并得到關(guān)聯(lián)主題詞集合后，需要從其中選擇與主題語義相關(guān)性高的詞作為主題模型的標(biāo)注詞——標(biāo)簽，實現(xiàn)對主題模型的自動語義標(biāo)注.而語義相關(guān)性計算的難點在于標(biāo)簽和主題模型(主題詞的概率分布)之間的匹配.因此本文將標(biāo)簽也以概率分布的方式表示，這樣就可以直接與主題模型相比較.

假設(shè)標(biāo)簽l以語義詞分布{p(w|l)}來表示，則可以使用 Kullback-Leibler(KL)距離算法計算{p(w|l)}與主題{p(w|θ)}之間的相似度.為了獲得標(biāo)簽l的語義詞分布{p(w|l)}，本文采用一種近似方法，通過數(shù)據(jù)集D來估計{p(w|l，D)}，以代替{p(w|l)}.標(biāo)簽和主題之間的語義相似性通過式(1)進行計算.

3.2 語義覆蓋度計算

好的標(biāo)簽應(yīng)該對主題的語義內(nèi)容有較高的覆蓋度，語義相關(guān)性僅能保證所選擇的標(biāo)簽與主題信息具有高相關(guān)性，但可能僅表達了該主題的部分語義.因此，當(dāng)選擇多個標(biāo)簽對主題進行標(biāo)記時，希望選擇的新標(biāo)簽?zāi)軌蚋采w主題其他的語義部分，而不是已有標(biāo)簽已經(jīng)涵蓋的內(nèi)容.

本文采用最大邊緣相關(guān)(maximal marginal relevance，MMR)方法來選擇高語義覆蓋度標(biāo)簽.MMR方法常常用于多文檔摘要問題，是一種十分有效的去冗余并且取得最大相關(guān)性和差異性的方法.本文對MMR進行了一定簡化以實現(xiàn)對標(biāo)簽的選擇，通過最大化MMR來逐個選擇標(biāo)簽，如式(2):

式中:S是已經(jīng)選擇的標(biāo)簽，λ是經(jīng)驗參數(shù).

3.3 語義區(qū)分度計算

以上標(biāo)簽選擇方法僅考慮了對單一主題的標(biāo)注，當(dāng)對多個主題進行標(biāo)注時，則需要考慮不同主題間的區(qū)分，因為如果一個標(biāo)簽在多個主題內(nèi)都具有較高的相關(guān)度，則該標(biāo)簽對于人們區(qū)分不同的主題是缺乏幫助的，因此為多個主題選擇標(biāo)簽既需要考慮相關(guān)度，也需要考慮區(qū)分度，在這種情況下，對式(1)進行修正，提出了考慮區(qū)分度的語義相似性計算方法:

式中:θ-i表示除主題θi之外的其他k-1個主題，即θ1，2，…，i-1，i+1，…，k，k 為主題數(shù).

式(3)通過S'(l，θi)計算跨主題的標(biāo)簽語義相似度并進行排序，可以為多個主題生成語義相關(guān)且具有一定覆蓋度和區(qū)分度的標(biāo)簽.

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 實驗方案

實驗選擇旅游信息和食品安全事件信息中的4 200條文本數(shù)據(jù)構(gòu)成訓(xùn)練文檔集，采用LDA主題分析方法［10］在文本集上建立主題模型，利用快速Gibbs采樣進行參數(shù)估計，設(shè)定主題數(shù)K=30，超參數(shù) α =50/K，β=0.1，迭代次數(shù)為1 000.

采用本文提出的主題詞生成方法進行主題詞的提取和關(guān)聯(lián)詞集構(gòu)造，將其作為主題標(biāo)注的候選標(biāo)簽集，然后在候選標(biāo)簽集合上，采用本文提出的語義相關(guān)度計算方法選取能夠描述主題語義的標(biāo)簽進行自動標(biāo)注.

實驗抽取主題詞數(shù)N=1 000，為了控制程序運行時間，設(shè)定概念空間維數(shù)為20，關(guān)聯(lián)歸并的支持度s=1%，置信度c=1.5%.最后選擇286個關(guān)聯(lián)主題詞，每個關(guān)聯(lián)主題詞對應(yīng)1～3個主題詞，構(gòu)成主題的候選標(biāo)簽，該標(biāo)簽集記為TagSet-1.同時，為了與本文的候選標(biāo)簽生成方法進行對比，采用N-gram方法(n=1，2)抽取關(guān)鍵詞，并通過χ2測試選擇前300個主題詞建立另一個候選標(biāo)簽集，記為TagSet-2，從而利用這2個標(biāo)簽集分別進行主題標(biāo)注，以評價標(biāo)簽集的有效性.在食品安全和旅游信息領(lǐng)域采用以上2種方法分別建立的部分候選標(biāo)簽如表1所示.

表1 部分候選標(biāo)簽Table 1 Some candidate labels

4.2 主題標(biāo)注結(jié)果

表2和表3分別列出了食品安全和旅游領(lǐng)域的部分主題的標(biāo)注結(jié)果.

表2 部分食品安全主題及相應(yīng)標(biāo)簽Table 2 Some food safety topics and corresponding labels

表3 部分旅游主題及相應(yīng)標(biāo)簽Table 3 Some tourism topics and corresponding labels

表2、3中列出了每個主題模型中概率最大的前15個詞，以及根據(jù)本文方法自動標(biāo)注的標(biāo)簽.為了便于比較，表中也給出了每個主題模型的人工標(biāo)注標(biāo)簽.人工標(biāo)注的具體方法是將每一主題的主題模型(主題詞概率分布)、代表性文檔及候選標(biāo)簽集展示給志愿者，由他們選擇合適的標(biāo)簽進行人工標(biāo)注.

可以看出，自動標(biāo)注的標(biāo)簽基本涵蓋了主題的語義，尤其在食品安全領(lǐng)域，例如“嬰兒奶粉”、“患”、“腎結(jié)石”、“蛋”、“含有”、“蘇丹紅”等標(biāo)簽已經(jīng)很好地表達了主題語義，與“問題奶粉”、“紅心鴨蛋”等人工標(biāo)注結(jié)果較為吻合.某些情況下比人工標(biāo)注還要準(zhǔn)確，例如志愿者因受媒體報道等的影響，將禽蛋類食品中發(fā)現(xiàn)蘇丹紅的主題標(biāo)注為“紅心鴨蛋”，這是因為最早發(fā)現(xiàn)蘇丹紅是在鴨蛋中，所以媒體將此類事件報道為“紅心鴨蛋事件”;而實際上，主題模型中包括雞蛋和鴨蛋，本文標(biāo)注方法將它們映射為義原“蛋”并據(jù)此生成標(biāo)簽，因此語義上更為準(zhǔn)確.

4.3 主題標(biāo)注的有效性

為了能夠準(zhǔn)確評價主題標(biāo)注的有效性，采用評分法將本文標(biāo)注方法與人工標(biāo)注和最大概率主題詞標(biāo)注方法進行比較.其中，最大概率主題詞標(biāo)注根據(jù)主題模型中詞語的概率分布選擇概率最高的前3個詞作為主題標(biāo)簽.

標(biāo)注結(jié)果的具體評分方法是:通過5名志愿者對3種方法的標(biāo)簽進行打分，即將隨機排序的主題及其主題詞分布、標(biāo)簽和該主題的最相關(guān)文檔提供給志愿者，由志愿者對3種方法產(chǎn)生的標(biāo)簽分別打分，然后統(tǒng)計平均得分.打分規(guī)則是總分為5分，由志愿者將這5分按照其對標(biāo)簽準(zhǔn)確性的評估分別分配給3種方法生成的標(biāo)簽.并且，要求志愿者對僅使用1個標(biāo)簽和使用3個標(biāo)簽進行標(biāo)注的情況分別打分，結(jié)果如表4所示.

表4 主題標(biāo)注的有效性對比Table 4 Comparison of topic labeling methods

從表4中可以看出，雖然在所有情形下人工標(biāo)注的得分都是最高的，但本文標(biāo)注方法的得分明顯高于最大概率主題詞標(biāo)注方法.在食品安全領(lǐng)域，本文方法已經(jīng)接近于人工標(biāo)注的得分，這主要是因為在食品安全領(lǐng)域中，不同主題的主題詞之間具有更高的區(qū)分度，尤其是一些專有名詞和術(shù)語主要在特定主題中出現(xiàn).

此外，在食品安全領(lǐng)域僅采用1個標(biāo)簽的情況下，本文方法相比最大概率標(biāo)注方法優(yōu)勢明顯，但若采用3個標(biāo)簽，則優(yōu)勢不大.然而在旅游領(lǐng)域使用3個標(biāo)簽的情況下，本文方法仍具有較大優(yōu)勢，這主要是因為旅游領(lǐng)域除特定地點或景點主題外，主題詞多是一些通用詞，且某些高概率詞的語義類別單一，并不能充分表達主題語義.而通過概念映射和建立關(guān)聯(lián)詞，則可以將屬于不同語義類別且具有語義相關(guān)性的主題詞組織起來，從而提供更為豐富的語義.例如，“菜”、“肉”、“茶”等主題詞被映射為概念“食物”，與關(guān)聯(lián)詞“制作”共同構(gòu)成標(biāo)簽“食物制作”，這樣可以表達更明確的語義.

為了比較不同標(biāo)簽集生成方法的有效性，采用本文提出的語義相似性計算方法，分別利用TagSet-1和TagSet-2 2個候選標(biāo)簽集對主題進行標(biāo)注，并對標(biāo)注結(jié)果打分，總分2分，評分結(jié)果如表5所示.

表5 標(biāo)簽集的有效性對比Table 5 Comparison of tag sets

從表5可以看出，本文方法建立的關(guān)聯(lián)詞集TagSet-1在總體得分上均高于N-gram關(guān)鍵詞集TagSet-2，這主要是因為TagSet-2中存在的多個同義或同語義類別詞分散了語義相似度的計算結(jié)果，如“鴨蛋”、“雞蛋”和“禽蛋”被作為3個標(biāo)簽分別計算語義相似度，導(dǎo)致計算結(jié)果偏低，影響了標(biāo)簽的選擇.而且，TagSet-2中的標(biāo)簽也存在語義類別單一的問題，降低了每個標(biāo)簽的語義表達能力.

5 結(jié)束語

提出了一種概率主題模型的自動標(biāo)注方法，通過主題詞提取和語義概念空間上的關(guān)聯(lián)詞挖掘方法來生成候選主題詞，并且給出了主題詞語義相關(guān)性計算以及高語義覆蓋度和區(qū)分度標(biāo)簽的選擇方法，實現(xiàn)了主題模型的自動語義標(biāo)注，解決了對主題詞模型進行語義理解的問題.該方法被用于食品安全主題和旅游信息主題的自動標(biāo)注，實驗證明該方法的標(biāo)注效果優(yōu)于最大概率主題詞標(biāo)注方法.尤其在食品安全等專業(yè)領(lǐng)域，由于充分考慮了專業(yè)術(shù)語與一般詞匯的語義區(qū)分度和語義覆蓋度，使得本文方法能夠取得更好的效果

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