多種AI算法在新冠疫情文本情緒識(shí)別中的實(shí)踐

仇建民

中國電信股份有限公司江蘇分公司

0 引言

1 任務(wù)分析

1.1 任務(wù)背景

新型冠狀病毒（COVID-19）感染的肺炎疫情牽動(dòng)著全國人民的心。習(xí)近平總書記指出：要鼓勵(lì)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等數(shù)字技術(shù)，在疫情監(jiān)測(cè)分析、病毒溯源、防控救治、資源調(diào)配等方面更好地發(fā)揮支撐作用。為助力疫情防控和疫情之后的經(jīng)濟(jì)社會(huì)恢復(fù)工作，北京市經(jīng)信局主辦了一場(chǎng)科技戰(zhàn)疫公益挑戰(zhàn)賽。為了幫助政府掌握真實(shí)的社會(huì)輿論情況，科學(xué)、高效地做好防控宣傳和輿情引導(dǎo)工作，本賽題針對(duì)疫情相關(guān)話題開展網(wǎng)民情緒識(shí)別的任務(wù)。

1.2 任務(wù)說明

給定微博文本內(nèi)容，設(shè)計(jì)算法對(duì)微博內(nèi)容進(jìn)行情緒識(shí)別，判斷微博內(nèi)容是積極的、消極的還是中性的，是文本三分類任務(wù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為保證后續(xù)各類算法實(shí)驗(yàn)對(duì)比的公平，數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行預(yù)處理，后續(xù)各類算法均使用處理后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。本文使用了以下4種數(shù)據(jù)預(yù)處理方法：（1）數(shù)據(jù)去噪。只保留微博內(nèi)容、情感傾向兩個(gè)字段，并刪除空值、異常值等無效數(shù)據(jù)。（2）去除標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等特殊字符。因微博存在表情等數(shù)據(jù)會(huì)變成特殊字符，故統(tǒng)一刪除字符，只保留中文、英文、數(shù)字，并將多余重復(fù)的空格合并為一個(gè)空格。（3）繁體字轉(zhuǎn)簡體字。將全部繁體字轉(zhuǎn)換為簡體字。（4）去除微博中無意義的詞語。因?yàn)槲⒉﹫?chǎng)景的特殊性，刪除“展開全文”“網(wǎng)頁鏈接”“轉(zhuǎn)發(fā)微博”等微博特定詞匯。

預(yù)處理完成后，最終的樣本由原始的100 000條文本，縮減為99 373條文本。

2.1.2 劃分相同的訓(xùn)練集、驗(yàn)證集

將預(yù)處理完成的數(shù)據(jù)集拆分為訓(xùn)練集（79 498條，占比80%）、驗(yàn)證集（19 875條，占比20%），為確保在后續(xù)的各類算法實(shí)踐中，使用完全相同的訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。使用sklearn.model_selection中的train_test_split進(jìn)行訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的劃分，通過設(shè)置隨機(jī)種子確保每個(gè)模型的訓(xùn)練集和驗(yàn)證集保持一致。

sklearn代碼如下：

包括聚維酮碘，季銨鹽絡(luò)合碘和三碘氧化合物。聚維酮碘和季銨鹽絡(luò)合碘消毒效果受有機(jī)物影響很大，所以均不能作環(huán)境消毒，但可作飲水、皮膚和器械消毒。只有三碘氧化合物可作環(huán)境和帶動(dòng)物消毒。

x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.2,random_state=1

2.2 建模及調(diào)優(yōu)

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)說明

選取19 875條驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率（accuracy）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。計(jì)算公式：

可見，準(zhǔn)確率越高，證明模型越好。

2.2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)踐

（1）機(jī)器學(xué)習(xí)算法建模、調(diào)優(yōu)。本文在機(jī)器學(xué)習(xí)算法上采用了5種模型組合，分別為：CountVectorizer+MultinomialNB、CountVectorizer+BernoulliNB、TfidfVectorizer+MultinomialNB、TfidfVectorizer+BernoulliN、TfidfVectorizer+LightGBM。

模型調(diào)優(yōu)思路如下：首先，CountVectorizer、TfidfVectorizer調(diào)優(yōu)：通過設(shè)置ngram_range參數(shù)，分別取（1，1）、（1，2）、（1，3），用來觀察一元模型（unigrams）、二元模型（ bigrams）和三元模型（trigrams）。其次，MultinomialNB、BernoulliNB調(diào)優(yōu)：通過窮舉alpha，alpha從0.01開始，步長為0.01，到1結(jié)束，輪詢100次，選擇準(zhǔn)確率最佳的模型。最后，LightGBM調(diào)優(yōu)：以驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率為指標(biāo)，通過早停（earlystopping）功能獲取準(zhǔn)確率最佳的模型。

需要說明的是：TfidfVectorizer+LightGBM實(shí)踐中，由于筆者算力有限（機(jī)器內(nèi)存較?。?，ngram_range=(1,2)以及ngram_range=(1,3)未能嘗試，這兩個(gè)模型運(yùn)行時(shí)由于內(nèi)存溢出而報(bào)錯(cuò)。

（2）機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)比結(jié)論。以上5種算法的最佳準(zhǔn)確率對(duì)比如圖1所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：首先，TfidfVectorizer+LightGBM準(zhǔn)確率最佳，為72.88%，且在ngram_range=(1,1)參數(shù)下，LightGBM準(zhǔn)確率顯著超過MultinomialNB和BernoulliNB。其次，在另一個(gè)算法確定的情況下，TfidfVectorizer的準(zhǔn)確率顯著超過CountVectorizer，說明在文本特征提取上，TfidfVectorizer優(yōu)于CountVectorizer。最后，在另一個(gè)算法確定的情況下，MultinomialNB的準(zhǔn)確率顯著超過BernoulliNB，說明MultinomialNB更合適文本分類場(chǎng)景，BernoulliNB可能更適用于數(shù)據(jù)符合伯努利分布的場(chǎng)景。

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)算法在此案例中的準(zhǔn)確率對(duì)比

2.2.3 深度學(xué)習(xí)算法實(shí)踐

（1）深度學(xué)習(xí)算法建模、調(diào)優(yōu)。

通過Word2Vec算法對(duì)數(shù)據(jù)集的語料進(jìn)行訓(xùn)練，設(shè)置詞向量維度為128維，迭代訓(xùn)練15輪，訓(xùn)練完成后得到78 486個(gè)詞匯及詞向量。選取部分詞匯及詞向量，比如“武漢”“肺炎”，通過相似度匹配，找到相似度Top10的詞匯，發(fā)現(xiàn)基本符合常識(shí)。

模型調(diào)優(yōu)思路：第一，考慮到雙向序列模型可以考慮整個(gè)句子的信息，即使在句子中間，也可以綜合考慮過去的信息和將來的信息，因此在網(wǎng)絡(luò)層使用BiGRU（雙向GRU）代替GRU（Gate Recurrent Unit)。第二，為避免模型過擬合，超過2個(gè)epoch驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率若無提升，則將學(xué)習(xí)率減半；超過4個(gè)epoch驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率若無提升，則earlystopping。

根據(jù)以上思路，本文在深度學(xué)習(xí)算法上采用了2種模型組合，分別為Word2Vec+BiGRU、BERT（Bidirectional Encoder Representation from Transformers）+BiGRU。

（2）深度學(xué)習(xí)算法對(duì)比結(jié)論。

兩種組合模型在訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率分布情況如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示，可以得出以下結(jié)論：預(yù)訓(xùn)練好的BERT模型在Embedding層的效果顯著優(yōu)于Word2Vec。

圖2 Word2Vec+BiGRU、BERT+BiGRU實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 深度學(xué)習(xí)算法在此案例中的準(zhǔn)確率對(duì)比

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總對(duì)比

綜合以上機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法實(shí)踐結(jié)果，匯總7種組合模型，選取每種模型在驗(yàn)證集的最佳準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。由準(zhǔn)確率可以發(fā)現(xiàn)：深度學(xué)習(xí)2種算法的平均準(zhǔn)確率為74.3%，遠(yuǎn)超過機(jī)器學(xué)習(xí)5種算法的平均準(zhǔn)確率69.7%，且深度學(xué)習(xí)算法最低準(zhǔn)確率為73.5%，也超過機(jī)器學(xué)習(xí)算法的最高準(zhǔn)確率72.9%。在機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，TfidfVectorizer準(zhǔn)確率高于CountVectorizer；MultinomialNB準(zhǔn)確率高于BernoulliNB；LightGBM準(zhǔn)確率高于樸素貝葉斯。深度學(xué)習(xí)算法中，BERT準(zhǔn)確率高于Word2vec。

圖4 機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法在此案例中的準(zhǔn)確率對(duì)比

3 結(jié)束語

本文使用了比賽主辦方提供的公開數(shù)據(jù)，并拆分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，使用驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用7種機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行文本分類并分別進(jìn)行調(diào)優(yōu)，得出以下結(jié)論：（1）在文本分類任務(wù)上，深度學(xué)習(xí)算法相比機(jī)器學(xué)習(xí)算法有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。（2）在機(jī)器學(xué)習(xí)算法中：在文本特征提取上，TfidfVectorizer優(yōu)于CountVectorizer；MultinomialNB相比BernoulliNB更合適文本分類場(chǎng)景；LightGBM集成模型分類效果優(yōu)于樸素貝葉斯。（3）在深度學(xué)習(xí)算法中：預(yù)訓(xùn)練好的BERT模型在Embedding層的效果優(yōu)于Word2Vec。（4）綜合以上，BERT+BiGRU準(zhǔn)確率最高，為75.1%，最終選取BERT+BiGRU為預(yù)測(cè)模型。后續(xù)可以BERT+BiGRU模型為基礎(chǔ)，在具體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行改進(jìn)調(diào)優(yōu)，進(jìn)一步提升文本分類的準(zhǔn)確率。