基于協(xié)同過濾和文本相似性的Web文本情感極性分類算法

張朝龍， 許源平， 鄭皎凌

(成都信息工程大學(xué)軟件工程學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)已成為非常重要的輿論平臺(tái)，現(xiàn)今人們不僅是網(wǎng)絡(luò)的消費(fèi)者，同時(shí)也是網(wǎng)絡(luò)信息的生產(chǎn)者，越來越多的人愿意在網(wǎng)絡(luò)上表達(dá)自己的觀點(diǎn)、態(tài)度和想法［1］。網(wǎng)絡(luò)上每天都會(huì)有海量的輿論話題產(chǎn)生，一個(gè)輿論話題可以通過微博、論壇、朋友圈迅速傳播與擴(kuò)散，網(wǎng)絡(luò)輿情會(huì)直接影響社會(huì)輿情的走向，進(jìn)而產(chǎn)生重大的社會(huì)影響［2］。通過輿情監(jiān)控可有效識(shí)別網(wǎng)絡(luò)輿情，過濾垃圾、有害、惡意的信息，針對(duì)發(fā)布的虛假信息進(jìn)行溯源，對(duì)維護(hù)互聯(lián)網(wǎng)的正常秩序具有重要的意義［3］。文本情感分類算法可有效識(shí)別網(wǎng)絡(luò)文本所表達(dá)的情感，有助于及早發(fā)現(xiàn)惡意、有害的信息，因此，Web文本的情感極性分類算法在網(wǎng)絡(luò)輿情監(jiān)控應(yīng)用方面具有重要的研究?jī)r(jià)值。

在文本的情感極性分類方面，前人已經(jīng)做了大量的相關(guān)研究工作，并取得了較好的研究成果。目前文本情感分類方面主要有兩種研究思維:基于情感詞典和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法［4-5］。

基于情感詞典的方法如Tong［6］通過人工選擇建立了專用情感詞庫(kù)，Hu［7］通過判斷新詞的方法解決了Tong建立的詞庫(kù)只能用于特定領(lǐng)域的問題。中文方面李純等［8］從語(yǔ)言學(xué)角度出發(fā)，提出中心詞概念來進(jìn)行情感極性分類。

在另一方面，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法中常用的算法有Rocchio分類算法、SVM(支持向量機(jī))、Bayes(貝葉斯算法)、KNN(K-近鄰算法)、互信息(Mutual Information)等。Pang 等［9］學(xué)者分別應(yīng)用 Native Bayes、ME(Maximum Entropy)、SVM方法對(duì)電影評(píng)論語(yǔ)料進(jìn)行了情感分類。孟迪等［10］學(xué)者提出的H-C算法改進(jìn)了傳統(tǒng)互信息方法情感項(xiàng)可信度的計(jì)算方法，在一定程度上改善了概率偏向的問題。

當(dāng)前主要的情感極性分類方法存在以下問題:(1)大都是以單詞為基礎(chǔ)，忽略了句子級(jí)和篇章級(jí)對(duì)文本情感的影響;(2)情感詞庫(kù)一般都是針對(duì)某一特定領(lǐng)域，不具有通用性;(3)情感詞庫(kù)中情感詞的情感只有正面和負(fù)面兩種，忽略了不同情感詞對(duì)句子和篇章的影響權(quán)重;(4)由于網(wǎng)絡(luò)文本的隨意性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，語(yǔ)法錯(cuò)誤，使得傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法的效果大大降低。例如，H-C等機(jī)器學(xué)習(xí)算法大都難以處理不規(guī)范的文本［10］，特別是 Web 文本。

在前人的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)情感分類方法存在的缺點(diǎn)，綜合協(xié)同過濾和文本相似度計(jì)算，提出了一種新型高效的Web文本情感極性分類方法。協(xié)同過濾算法廣泛應(yīng)用于推薦系統(tǒng)［11］，其可被分類為基于用戶(User-Based)的算法和基于項(xiàng)目(Item-based)的算法。在文本情感極性分類算法中，可把文本看作用戶(Us-er)，把文本中的情感詞看作項(xiàng)目(Item)。其基本原理是利用已知情感的文本(用戶)獲取情感詞(項(xiàng)目)信息，再預(yù)測(cè)未知情感的文本的情感極性。該算法具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)不是簡(jiǎn)單地統(tǒng)計(jì)單詞，而是從句子級(jí)和篇章級(jí)來整體分析文本;(2)對(duì)多個(gè)領(lǐng)域的文本都能有效的分類，具有較強(qiáng)的通用性;(3)不依賴于情感詞庫(kù);(4)基于文本相似度計(jì)算，對(duì)網(wǎng)絡(luò)不規(guī)范的文本也具備較好地處理能力。

課題設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的算法包含:文本-情感詞矩陣表示、相似度計(jì)算、協(xié)同過濾情感詞評(píng)分和Top-N情感詞推薦。

實(shí)驗(yàn)表明，基于協(xié)同過濾和文本相似性的情感極性分類算法相比于傳統(tǒng)的基于情感詞典和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法具有更高的查全率和準(zhǔn)確率。

1 文本情感詞覆蓋率情況統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)

中文文本中常用字出現(xiàn)的頻率非常高，國(guó)家語(yǔ)言文字工作委員會(huì)和國(guó)家教育委員會(huì)發(fā)布的《現(xiàn)代漢語(yǔ)常用字表》中常用字只有2500個(gè)，次常用字1000個(gè)。山西大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系統(tǒng)計(jì)了200萬字的語(yǔ)料，檢測(cè)常用字的使用頻率和覆蓋率，其結(jié)果是:常用字覆蓋率達(dá) 97.97%［12］。

中文詞匯方面也有類似的特點(diǎn)，北京語(yǔ)言學(xué)院語(yǔ)言教學(xué)所對(duì)200萬字現(xiàn)代漢語(yǔ)語(yǔ)料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，列出了使用度最高的前8000詞詞表?？梢娭形奈谋臼褂玫脑~匯大都是出自高頻詞匯。

基于這個(gè)前提，對(duì)網(wǎng)絡(luò)文本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從鳳凰新聞、新浪新聞、天涯論壇及地方論壇共提取了2670篇文檔，對(duì)其進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)，其中1500篇用于統(tǒng)計(jì)詞頻，1170篇用于詞頻覆蓋率統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。其中平均覆蓋率和80%覆蓋率所占的比率增長(zhǎng)圖1如所示。

表1 文本詞組覆蓋率統(tǒng)計(jì)

圖1 文本詞組覆蓋增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)圖

考慮影響文本情感極性的詞組的詞性包含形容詞、名詞、動(dòng)詞、狀態(tài)詞、代詞［10］。其中，形容詞大多修飾某種情感，所以目前大多數(shù)文本情感分類算法都以形容詞為基礎(chǔ)。但是，根據(jù)語(yǔ)料分析，發(fā)現(xiàn)引入形容詞的同時(shí)將名詞、動(dòng)詞、狀態(tài)詞、代詞一并考慮會(huì)大大提高情感分類的準(zhǔn)確性(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7)，因?yàn)殡m然大多數(shù)名詞、動(dòng)詞、狀態(tài)詞和代詞本身并沒有情感傾向，但擁有相同情感極性的文本中通常會(huì)重復(fù)出現(xiàn)某些詞性為名詞、動(dòng)詞、狀態(tài)詞和代詞的詞匯，比如在文中使用的情感挖掘語(yǔ)料［13］中關(guān)于酒店的評(píng)論中包含的“房間”這個(gè)名詞在負(fù)面評(píng)論中出現(xiàn)的頻率非常高，如“房間很舊，有霉味，居然還有蟑螂”、“房間地毯還有沙發(fā)都很臟”，這里的“房間”、“蟑螂”都是名詞，本身也沒有極性，但它們出現(xiàn)在文本中都是為了說明房間不好，即為負(fù)面情感服務(wù)的。因此，把形容詞、名詞、動(dòng)詞、狀態(tài)詞、代詞都識(shí)別為情感詞。

利用上述文本針對(duì)情感詞進(jìn)行了詞頻統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。其中平均覆蓋率和80%覆蓋率所占的比率增長(zhǎng)圖如圖2所示。

表2 文本情感詞覆蓋率統(tǒng)計(jì)

從表1、表2、圖1、圖2可以看出，文檔數(shù)從100篇增加到300篇時(shí)，詞匯的覆蓋率和情感詞的覆蓋率快速上升(全部詞匯的平均覆蓋率從79.01%上升到89.77%，情感詞的覆蓋率從74.34%上升到89.77%)，詞匯80%覆蓋率所占的比率急劇上升(全部詞匯從47.69%上升到97.44%，情感詞從24.01%上升到92.22%)。當(dāng)文檔數(shù)達(dá)到500篇時(shí)，所包含的詞匯和情感詞在測(cè)試文檔中均能達(dá)到90%以上，且覆蓋率達(dá)80%以上的文檔所占的比率在90%以上，覆蓋率趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這和北京語(yǔ)言學(xué)院語(yǔ)言教學(xué)所做的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，少量文檔中出現(xiàn)的詞匯基本能覆蓋大多數(shù)文檔中的詞匯，這類詞匯就是常用高頻詞匯。

圖2 情感詞覆蓋增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)圖

2 協(xié)同過濾在文本情感極性分類的應(yīng)用

2．1 文本-情感詞矩陣表示法

從前一章的統(tǒng)計(jì)詞匯覆蓋率的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出大部分文本使用的詞匯都為常用高頻詞匯。一篇文本包含多個(gè)情感詞，一個(gè)情感詞也會(huì)出現(xiàn)在多篇文本中。使用協(xié)同過濾算法，可把文本看作用戶(User)，把文本中的情感詞看作項(xiàng)目(Item)，從而得到一個(gè)二維表，其中每行表示為一個(gè)文本(User)，每列表示一個(gè)情感詞(Item)，而值是文本中出現(xiàn)相應(yīng)情感詞的得分情況，這樣就生成了文本-情感詞評(píng)分矩陣如表3所示。

表3 文本-情感詞評(píng)分矩陣R(m，n)

2．2 文本相似度計(jì)算

相似度的計(jì)算方法很多，如常用的有相關(guān)相似性(Correlation Similar)［14］、余弦相似性(Cosine Similarity)［15］和修正、余弦相似性(Adjusted Cosine Similarity)［14］，和基于云模型的相似度［14］。相關(guān)相似性也稱皮爾森(Pearson)系數(shù)相關(guān)，可用于度量用戶之間的相似性。余弦相似性是通過計(jì)算用戶間的向量夾角的余弦值來度量用戶之間的相似性。修正的余弦相似性是對(duì)余弦相似性的一種改進(jìn)，主要改善了不同用戶評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不一致所帶來的缺陷。云模型把每個(gè)用戶看作一朵云，通過逆向云算法計(jì)算兩朵云的相似度［15］。

不同的Web文本，因?yàn)槲谋鹃L(zhǎng)度不同，向量規(guī)模也不同，比如一篇10000字的文本比一篇500字的文本的向量維度規(guī)模大很多，比較規(guī)模沒有太大意義。余弦相似度計(jì)算通過計(jì)算兩個(gè)向量的夾角來度量它們的相似度，在比較過程中，向量的規(guī)模不予考慮，僅僅考慮向量的方向，可有效避免因文本規(guī)模不同而產(chǎn)生的差異。通過計(jì)算向量的夾角可有效地判斷文本的相似度。因此，本文采用余弦相似性計(jì)算兩個(gè)文本的相似度，計(jì)算公式為

其中，Ri，c和 Rj，c分別表示文檔 i和文檔 j對(duì)情感詞c(Itemc)的評(píng)分。

2．3 文本情感極性輸出

根據(jù)文本相似性可計(jì)算出待預(yù)測(cè)情感極性的目標(biāo)文檔的最近鄰居集合。為輸出文本情感極性，還需應(yīng)用的基本步驟包括:求出文檔對(duì)任意情感詞的評(píng)分和文本Top-N的情感詞推薦。

文檔對(duì)任意情感詞的評(píng)分。對(duì)于文檔uk，最近鄰居集合 U={u1，u2，…，up}，uk不屬于 U，從 u1到 up，sim(uk，ui)從大到小排列?？衫孟嗨凄従舆M(jìn)行中心加權(quán)求和的方法來給情感詞i評(píng)分

其中，Puk，i表示文檔 uk對(duì)情感詞 i的評(píng)分表示文檔uj在已經(jīng)打分的情感詞的平均分，sim(uk，uj)是余弦相似度。

Top-N的情感詞推薦。分別統(tǒng)計(jì)待預(yù)測(cè)“最近鄰居”集中的文檔對(duì)不同情感詞的評(píng)分的加權(quán)平均值，其中N個(gè)排在前面且不屬于Ii(Ii表示用戶i評(píng)分的情感詞集合)的情感詞作為Top-N推薦集。在得出Top-N推薦集后，文檔獲得了新的情感詞推薦，對(duì)相似度低于閥值的文檔使用新的文本-情感詞向量矩陣計(jì)算文本相似度。通過迭代使用相似性計(jì)算和協(xié)同過濾算法，可進(jìn)一步判斷待預(yù)測(cè)文本的情感極性。

3 情感極性分類算法實(shí)現(xiàn)

圖3 基于協(xié)同過濾和文本相似性的文本情感極性分類流程

表4 文檔-情感詞表

表5 文檔-情感詞評(píng)分矩陣

圖3總結(jié)了該基于協(xié)同過濾和文本相似性的文本情感極性分類算法的總體處理流程。先對(duì)已知情感極性和待預(yù)測(cè)情感極性文本做預(yù)處理，提取文本中的情感詞，形成一個(gè)文檔-情感詞二維矩陣。再使用余弦相似性計(jì)算方法，式(1)計(jì)算文本間的相似度，當(dāng)待預(yù)測(cè)文檔與已知情感極性的文檔的相似度大于閥值時(shí)，可直接對(duì)該文本推薦情感極性，其情感極性為相似度最大的已知情感極性的文檔的情感極性。對(duì)于低于閥值的文檔，需要繼續(xù)使用協(xié)同過濾算法計(jì)算文檔對(duì)情感詞的評(píng)分和Top-N情感詞推薦，并進(jìn)一步計(jì)算文本相似度。

假設(shè)有5篇文檔，文檔所包含的情感詞和情感極性如表4所示，其中文檔1和文檔4的情感已知，其它文檔為待預(yù)測(cè)的文檔。先把文檔和情感詞矩陣化，得到文檔-情感詞評(píng)分矩陣，如表5所示。再使用余弦相似性計(jì)算式(1)分別計(jì)算文檔之間的相似度，計(jì)算結(jié)果如下

文檔2和文檔3相似度低于閥值，需要迭代計(jì)算。其中文檔2的最近鄰居為 U={u1，u3，u4，u5}，由公式2計(jì)算文檔2的情感詞“幸?！?、“真摯”、“差”、“無語(yǔ)”和“吐槽”的評(píng)分，結(jié)果如下

再根據(jù)Top-N推薦情感詞，可認(rèn)為文檔2也包含“幸福”和“真摯”這兩個(gè)情感，再次計(jì)算余弦相似度為，此時(shí)相似度已超過閥值，可推薦文檔2的情感極性為正面。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4．1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是由數(shù)據(jù)堂提供的中文情感挖掘語(yǔ)料-ChnSentiCorp［13］，包含對(duì)酒店、筆記本電腦(簡(jiǎn)稱電腦)和書籍3個(gè)領(lǐng)域的評(píng)論語(yǔ)料，每個(gè)領(lǐng)域包含負(fù)面文檔和正面文檔各2000篇。分別對(duì)這3個(gè)語(yǔ)料進(jìn)行測(cè)試，從每個(gè)語(yǔ)料庫(kù)中選取500篇負(fù)面文檔和500篇正面文檔作為已知情感極性文檔，剩余3000篇作為待預(yù)測(cè)文檔。

4．2 文本情感極性分類結(jié)果及分析

分別對(duì)酒店、電腦和書籍3個(gè)領(lǐng)域的文本進(jìn)行測(cè)試，從查全率、查準(zhǔn)率和F值評(píng)估算法的性能指標(biāo)。查全率、查準(zhǔn)率和F值的定義如下。

查全率和查準(zhǔn)率。在情感極性分類中，以負(fù)面情感為例，負(fù)面文檔并分類為負(fù)面的文檔數(shù)為a，負(fù)面文檔被分類為正面的文檔數(shù)為b，正面文檔被分類為負(fù)面的文檔數(shù)為c。則查全率為正確判斷為負(fù)面的文檔數(shù)與所有負(fù)面文檔總數(shù)之比，即R=a/(a+b)。查準(zhǔn)率為正確判斷為負(fù)面的文檔數(shù)與所有判斷為負(fù)面的文檔數(shù)之比，即P=a/(a+c)。

F值為查全率R和查準(zhǔn)率P的函數(shù)

文中與文獻(xiàn)［10］的H-C算法、文獻(xiàn)［16］的基于情感詞典和樸素貝葉斯的算法進(jìn)行了對(duì)比。通過測(cè)試并調(diào)整閥值，得出較好的結(jié)果，如表6所示。

表6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較

從表6可知，相比于H-C方法、基于情感詞典和樸素貝葉斯的方法，基于協(xié)同過濾和文本相似性的算法具有更高的查全率、查準(zhǔn)率和F值，在這3個(gè)領(lǐng)域的語(yǔ)料集中都有明顯的提高。由于Web文本的用詞隨意性以及語(yǔ)法的不規(guī)范性，同時(shí)，在一篇負(fù)面文檔中也會(huì)出現(xiàn)正面句子，正面文檔也出現(xiàn)正面句子，及一篇文本有一個(gè)主要情感，而在某一小的方面予以不同于主情感的肯定或否定，使得H-C算法不能很好的處理這類文本。而文中算法基于文本相似度計(jì)算方法，且訓(xùn)練集和測(cè)試集來源相同，因而在不規(guī)范的Web文本也能表現(xiàn)較好的分類效果。傳統(tǒng)使用情感詞庫(kù)的方法，情感詞的情感極性大都是非正即負(fù)，忽略了不同詞匯對(duì)情感的影響權(quán)重和文本間的相似性，也忽略了句子和篇章對(duì)文本情感極性的影響，這些弊端使得基于情感詞典的分類算法分類效果不理想。而文中的情感分類方法，使用文本相似性計(jì)算有效地避免了傳統(tǒng)情感詞庫(kù)的弊端，通過文本相似性的分析并調(diào)整相關(guān)閥值，使得分類效果具有顯著的提高。

為對(duì)比不同詞性種類作為情感詞對(duì)文本情感極性分類效果的影響，文中對(duì)只選取形容詞作為情感詞和選取本文定義的情感詞兩個(gè)方法應(yīng)用基于協(xié)同過濾和文本相似性的算法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 形容詞和本文定義情感詞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表7可知，與只把形容詞作為情感詞的方法相比較，把形容詞、名詞、動(dòng)詞、狀態(tài)詞、代詞都識(shí)別為情感詞時(shí)，算法在這3個(gè)領(lǐng)域的語(yǔ)料集中的查全率、查準(zhǔn)率和F值都有一定的提高。因?yàn)橄嗤楦袠O性的文本會(huì)重復(fù)出現(xiàn)類似的詞匯，這類詞匯的詞性不僅包含形容詞，還包含了名詞、動(dòng)詞、狀態(tài)詞、代詞，使得這類詞雖然從字意上看沒有情感傾向，但在整個(gè)句子甚至整個(gè)篇章中都會(huì)隱含地表現(xiàn)出某種情感的傾向。所以相對(duì)于單純的以形容詞為情感詞的方法，加入名詞、動(dòng)詞、狀態(tài)詞、代詞后，分類效果具有明顯的提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出一種基于協(xié)同過濾和文本相似性的Web文本情感極性分類算法。方法使用余弦相似性計(jì)算文本的相似度，通過協(xié)同過濾推薦文本情感極性和Top-N情感詞推薦，能夠更精確地判斷文本的情感極性。該算法改進(jìn)了傳統(tǒng)詞庫(kù)忽略句子和篇章以及傳統(tǒng)互信息方法概率偏向的弊端。實(shí)驗(yàn)表明，方法在Web文本情感極性分類應(yīng)用上表現(xiàn)出較好的結(jié)果，相比傳統(tǒng)互信息方法具有更高的查全率和查準(zhǔn)率(實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6)。該算法在海量網(wǎng)絡(luò)文本輿情自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方面具有較好的實(shí)用性。

從實(shí)驗(yàn)中可以看出，閥值的選擇對(duì)算法的效果會(huì)有很大的影響，并且不同領(lǐng)域的語(yǔ)料集會(huì)需要不同的最佳閥值，而最佳的閥值是難以計(jì)算得出。在將來的工作中，還需要進(jìn)一步研究自適應(yīng)閥值選擇，同時(shí)改進(jìn)相似度計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)特征值提取，以進(jìn)一步提高分類精度和效率。

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