面向時鐘領(lǐng)域的BERT-LCRF命名實(shí)體識別方法

唐煥玲，王 慧，隗 昊，趙紅磊，竇全勝，魯明羽

1.山東工商學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺264005

2.山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，山東 煙臺264005

3.山東省高等學(xué)校協(xié)同創(chuàng)新中心：未來智能計(jì)算，山東 煙臺264005

4.山東省高校智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東工商學(xué)院），山東 煙臺264005

5.大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116026

知識圖譜（knowledge graph，KG）是一種用圖模型來描述知識和建模世間萬物之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的技術(shù)方法，可分為通用知識圖譜和領(lǐng)域知識圖譜兩種。通用知識圖譜主要應(yīng)用于語義搜索、推薦系統(tǒng)、智能問答等業(yè)務(wù)場景，并發(fā)揮著越來越重要的作用。而領(lǐng)域知識圖譜是基于行業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)建，由于知識來源多、知識結(jié)構(gòu)復(fù)雜、知識質(zhì)量要求更高等特點(diǎn)，在解決行業(yè)痛點(diǎn)時，存在對知識圖譜利用不明晰、知識圖譜技術(shù)與行業(yè)難融合等問題。如面向時鐘領(lǐng)域，用戶越來越復(fù)雜，用戶無法將自己的需求用專業(yè)術(shù)語表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致需求頻繁更改、項(xiàng)目延期。同時，傳統(tǒng)售后服務(wù)不能快速識別、理解和解決用戶的售后問題。因此，迫切需要面向時鐘領(lǐng)域構(gòu)建垂直知識圖譜，輔助語言理解和數(shù)據(jù)分析。而命名實(shí)體識別是時鐘領(lǐng)域知識圖譜構(gòu)建過程中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是從海量的文本中識別出具有特定意義的實(shí)體。

主流的命名實(shí)體識別方法是基于深度學(xué)習(xí)的方法，通常是將實(shí)體識別任務(wù)轉(zhuǎn)化為序列標(biāo)注任務(wù)。而目前沒有針對時鐘領(lǐng)域命名實(shí)體識別的研究，由于時鐘領(lǐng)域的標(biāo)簽數(shù)據(jù)匱乏，現(xiàn)有的方法直接應(yīng)用于時鐘領(lǐng)域，存在實(shí)體識別精度不高的問題。

本文針對時鐘領(lǐng)域?qū)嶓w識別中的問題，提出一種新的命名實(shí)體識別模型BERT-LCRF，該模型利用預(yù)訓(xùn)練語言模型BERT能夠提取時鐘領(lǐng)域的文本特征，利用線性鏈條件隨機(jī)場（Linear-CRF）進(jìn)一步提高實(shí)體識別的精度。在時鐘行業(yè)數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型在各項(xiàng)指標(biāo)上顯著優(yōu)于其他命名實(shí)體識別方法。BERTLCRF 命名實(shí)體識別方法，能夠更好地獲取句子間的語義關(guān)系，并且能夠提高序列標(biāo)注任務(wù)的精度，對構(gòu)建時鐘領(lǐng)域知識圖譜有著積極的促進(jìn)作用。

1 相關(guān)工作

命名實(shí)體識別發(fā)展至今，主要有基于規(guī)則和詞典的方法、基于統(tǒng)計(jì)的方法和基于深度學(xué)習(xí)的方法，其中基于深度學(xué)習(xí)的方法可以自動學(xué)習(xí)適合領(lǐng)域的特征，獲取多層次的表達(dá)，因此在命名實(shí)體識別方向有著廣泛的使用。

1.1 基于規(guī)則和字典的方法

基于規(guī)則和字典的方法主要是采用模式字符串匹配的實(shí)現(xiàn)方式，使用人手工構(gòu)造的特征模版。該方法的不足之處在于模型的可移植性差，單一語料訓(xùn)練好的特征模板不適用于任意語料；其次，構(gòu)建模板時花費(fèi)的時間成本較大，它依賴語言學(xué)專家書寫規(guī)則，或者需要收集整理相關(guān)詞典等資源。因此，該方法存在系統(tǒng)可移植性不好，代價大，系統(tǒng)建設(shè)周期長等問題。

1.2 基于統(tǒng)計(jì)的方法

基于統(tǒng)計(jì)的方法依賴于特征選擇，對實(shí)體識別結(jié)果有影響的各種特征需要從文本中選取，用統(tǒng)計(jì)的模型對選出的特征進(jìn)行訓(xùn)練，從而得到各模型的參數(shù)，進(jìn)而對實(shí)體進(jìn)行識別。有學(xué)者采用基于詞匯資源、模板的統(tǒng)計(jì)信息等進(jìn)行上下文聚類的方式[1-3]；也有學(xué)者使用少量標(biāo)注的種子數(shù)據(jù)作為開始，再去無監(jiān)督語料中進(jìn)行訓(xùn)練，迭代后發(fā)現(xiàn)符合規(guī)則的實(shí)體[4-7]?；诮y(tǒng)計(jì)的方法主要是在標(biāo)注訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上，利用模型來抽取數(shù)據(jù)集中的特征，對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以外的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體抽取。常用的識別模型有馬爾可夫模型（hidden Markov model，HMM）[8]、支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）[9]、條件隨機(jī)場（CRF）[10]等。有監(jiān)督學(xué)習(xí)雖然有優(yōu)勢并且能夠有效處理海量的數(shù)據(jù)，但是其不足之處在于，第一，模型的訓(xùn)練需要大量的人工標(biāo)注語料、代價高；第二，有監(jiān)督學(xué)習(xí)的識別效果依賴特征工程選取的特征，因此如何選取反映實(shí)體特性的特征集合，對于模型來說至關(guān)重要。

1.3 基于深度學(xué)習(xí)的方法

目前，深度學(xué)習(xí)算法在自然語言處理領(lǐng)域已經(jīng)得到了大規(guī)模的應(yīng)用，在命名實(shí)體識別領(lǐng)域，基于深度學(xué)習(xí)的方法已經(jīng)成為主流。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（recurrent neural networks，RNN）等時序網(wǎng)絡(luò)模型，在文本序列標(biāo)注中表現(xiàn)出良好的效果，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入分為字粒度、詞粒度和句子粒度，通過學(xué)習(xí)嵌入模型以向量的形式表示，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行編碼，然后通過條件隨機(jī)場模型對編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，得到全局最優(yōu)的標(biāo)注序列。為了解決RNN 中梯度消失和梯度爆炸問題，研究學(xué)者又提出了一種長短期記憶網(wǎng)絡(luò)模型（long shortterm memory，LSTM）[11]，這種改進(jìn)的時序網(wǎng)絡(luò)模型適用于命名實(shí)體識別任務(wù)，具有較大的優(yōu)勢。Huang 等人[12]提出了雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（bidirectional long shortterm memory，BiLSTM）和條件隨機(jī)場（CRF）架構(gòu)用于自然語言處理序列標(biāo)注任務(wù)，將拼寫特征、內(nèi)容特征、詞向量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，該論文將模型用于命名實(shí)體識別任務(wù)中獲得了先進(jìn)水平。2018 年，由Google 的研究人員Devlin等人[13]提出的BERT模型采用Transformer編碼和自注意力機(jī)制對大規(guī)模語料進(jìn)行訓(xùn)練，得到了表征能力強(qiáng)的預(yù)訓(xùn)練字向量。李明揚(yáng)等人[14]在BiLSTMCRF模型的基礎(chǔ)上引入自注意力機(jī)制，豐富了文本的特征，在微博語料庫中達(dá)到58.76%的效果。李博等人[15]針對中文電子病歷命名實(shí)體識別傳統(tǒng)模型識別效果不佳的問題，提出一種完全基于注意力機(jī)制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對Transformer模型進(jìn)行訓(xùn)練優(yōu)化以提取文本特征；利用條件隨機(jī)場對提取到的文本特征進(jìn)行分類識別，具有較好的識別效果。

楊培等人[16]利用BiLSTM 學(xué)習(xí)字符向量，隨后將詞向量和字符向量再經(jīng)過另一個BiLSTM 以獲得詞的上下文表示，然后再利用Attention機(jī)制獲得詞在全文范圍下的上下文表示，最后利用CRF層得到整篇文章的標(biāo)簽序列。Kuru 等人[17]提出的一種基于字符級別的命名實(shí)體識別標(biāo)注模型及標(biāo)注模式，該方法能更好地捕獲詞組的形態(tài)學(xué)特征，同時又可以避免出現(xiàn)未登陸的詞（OOV）情況。Zhang 等人[18]采用Lattice LSTM 模型進(jìn)行實(shí)體識別，該模型對輸入字符序列以及與詞典匹配的所有潛在單詞進(jìn)行編碼，供模型自動取用，相比于字符級的編碼，Lattice LSTM 能夠獲取更豐富的語義；相比于詞序列的編碼，Lattice LSTM能夠避免分詞錯誤帶來的影響。

但在特定的時鐘領(lǐng)域的實(shí)體識別方法還存在一些難點(diǎn)問題：（1）時鐘行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)類型眾多，存儲格式不統(tǒng)一，并且信息實(shí)體之間大部分不是直接連接的。信息實(shí)體與通用的命名實(shí)體也是不一致的，需要對概念實(shí)體進(jìn)行重新定義。（2）時鐘領(lǐng)域缺乏足夠多的標(biāo)注數(shù)據(jù)，人工標(biāo)注的成本很高，需要耗費(fèi)大量的時間以及精力，并且實(shí)體標(biāo)注難度大。目前并無學(xué)者對時鐘領(lǐng)域的命名實(shí)體識別進(jìn)行探索，時鐘領(lǐng)域也沒有公開的大規(guī)模的帶標(biāo)簽的數(shù)據(jù)集。因此，本文針對時鐘領(lǐng)域的命名實(shí)體識別問題，提出了一種結(jié)合BERT和Linear-CRF的時鐘領(lǐng)域命名實(shí)體識別模型，記作BERT-LCRF。

2 BERT-LCRF時鐘領(lǐng)域命名實(shí)體識別模型

2.1 問題描述

面向時鐘領(lǐng)域的命名實(shí)體識別方法，其目標(biāo)是從時鐘行業(yè)的文檔中識別出與時鐘行業(yè)相關(guān)的實(shí)體，并將他們歸類到預(yù)先定義好的實(shí)體類別中。

首先根據(jù)收集的時鐘領(lǐng)域的各種文檔，分析時鐘領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語和概念，預(yù)先定義時鐘領(lǐng)域的實(shí)體類別集合C={c1,c2,…,cm}。根據(jù)時鐘領(lǐng)域的文本特點(diǎn)和實(shí)體類別集合C，采用BIO 標(biāo)注策略，定義實(shí)體標(biāo)簽集合L。令B代表Beginning，標(biāo)注實(shí)體的起始部分，I代表Inside，標(biāo)注實(shí)體的中間部分，O 代表Outside，標(biāo)注與實(shí)體無關(guān)的信息，實(shí)體標(biāo)簽集合L={l1,l2,…,lk}。面向時鐘領(lǐng)域的命名實(shí)體識別問題可以轉(zhuǎn)換為序列標(biāo)注問題，輸入句子的字序列，預(yù)測輸出其實(shí)體標(biāo)簽序列。

面向時鐘領(lǐng)域命名實(shí)體識別任務(wù)是：

訓(xùn)練階段：對給定時鐘領(lǐng)域訓(xùn)練樣本集X和實(shí)體標(biāo)簽序列空間Y，訓(xùn)練生成：

其中，hBERT-LCRF是本文面向時鐘領(lǐng)域提出的一種基于BERT和線性鏈條件隨機(jī)場（Linear-CRF）的命名實(shí)體識別模型，框架如圖1 所示。hBERT-LCRF的目標(biāo)函數(shù)是最大化如式（2）的對數(shù)似然。

測試階段：對任意句子x=(x1,x2,…,xn)，預(yù)測實(shí)體標(biāo)簽序列為：

其中，hBERT-LCRF是訓(xùn)練好的命名實(shí)體識別訓(xùn)練模型。∈L,是對x預(yù)測的實(shí)體標(biāo)簽序列。

如圖1所示，BERT-LCRF的時鐘領(lǐng)域命名實(shí)體識別模型由BERT層、Linear-CRF層組成。其中，BERT層是特征提取層，實(shí)現(xiàn)特征提取的功能。Linear-CRF層是基于Linear-CRF 的序列標(biāo)注層，實(shí)現(xiàn)序列標(biāo)注的功能。BERT層和Linear-CRF層將在2.2～2.4節(jié)詳細(xì)描述。

圖1 BERT-LCRF的模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 BERT-LCRF model structure diagram

2.2 BERT預(yù)訓(xùn)練語言模型

BERT 模型[13]是從語料中學(xué)習(xí)，并充分考慮語料中句子級、詞語級和字符級之間的關(guān)系特征，增強(qiáng)字向量的語義表示。BERT 的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其最大的特點(diǎn)是拋棄循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），采用多層的Transformer結(jié)構(gòu)。

圖2 BERT模型結(jié)構(gòu)Fig.2 BERT model structure

如圖2所示，BERT的輸入是n個字序列，經(jīng)過BERT嵌入層（embedding），表示成字編碼向量(e1,e2,…,en)，輸出是(t1,t2,…,tn)，表示n個字的得分概率向量。

為融合字左右兩側(cè)的上下文，BERT 采用多個雙向Transformer 作為編碼器，即圖2 中的Trm。通過Transformer 中的注意力機(jī)制將任意位置的兩個單詞的距離轉(zhuǎn)換，反映各個字之間的相關(guān)程度，從而使輸出的各個字向量都充分融合了上下文的信息，解決了一詞多義的問題。BERT 模型具有很好的并行計(jì)算能力，且能夠捕獲長距離的特征。

2.3 Linear-CRF模型

條件隨機(jī)場（condition random field，CRF）模型是一種用于標(biāo)注和切分有序數(shù)據(jù)的條件概率模型，該模型結(jié)合了隱馬爾可夫和最大熵模型的優(yōu)點(diǎn)。

假設(shè)x=(x1,x2,…,xn)，y=(y1,y2,…,yn)均為線性鏈表示的隨機(jī)變量序列，如果給定隨機(jī)變量序列x，隨機(jī)變量序列y的條件概率分布Pr(y|x)構(gòu)成條件隨機(jī)場，即滿足馬爾可夫性：

則稱Pr(y|x)為線性鏈條件隨機(jī)場（Linear-CRF）。

序列標(biāo)注問題中，x表示輸入觀測序列，y表示對應(yīng)的輸出標(biāo)記序列或狀態(tài)序列，且與觀測序列具有相同的結(jié)構(gòu)。因此，序列標(biāo)注問題可以表示為如圖3所示的Linear-CRF。

圖3 線性鏈條件隨機(jī)場Fig.3 Linear chain conditional random field

對序列標(biāo)簽的預(yù)測，通常采用softmax分類器方法，但是softmax方法沒有考慮標(biāo)簽之間的依賴關(guān)系。

本文采用Linear-CRF 進(jìn)行序列標(biāo)簽預(yù)測，Linear-CRF能夠考慮各字標(biāo)簽之間的約束關(guān)系，它利用每個字標(biāo)簽的得分與字標(biāo)簽之間的轉(zhuǎn)移矩陣A計(jì)算不同標(biāo)簽序列的出現(xiàn)概率Pr(y|x)，從而能夠從中選取出概率最大的序列y*作為所考慮句子的標(biāo)簽序列。

2.4 BERT-LCRF模型

本文基于BERT 和Linear-CRF 提出了面向時鐘領(lǐng)域的BERT-LCRF命名實(shí)體識別模型。

如圖1 所示，輸入句子x=(x1,x2,…,xn)，由BERT模型輸出字序列標(biāo)簽的得分概率向量T=(t1,t2,…,tn)，然后采用Linear-CRF 模型預(yù)測句子中的每個字xi∈x的最優(yōu)標(biāo)簽，從而完成時鐘領(lǐng)域的命名實(shí)體識別任務(wù)。

2.4.1 BERT嵌入層

BERT 嵌入層即圖1 和圖2 中的“embedding”層，由三種embedding求和而成，具體如圖4所示。

圖4 BERT嵌入層的特征嵌入表示Fig.4 Feature embedding representation of BERT embedding layer

BERT 嵌入層的輸入是字的線性序列，支持單句文本和句對文本，句首用符號[CLS]表示，句尾采用符號[SEP]，斷開輸入的兩個句子。

BERT嵌入層由詞嵌入（token embeddings）、分割嵌入（segment embeddings）和位置嵌入（position embeddings）共同組成[13]，其中詞嵌入是將中文字符轉(zhuǎn)為字向量，位置嵌入是指將字符的位置信息編碼成特征向量，分割嵌入用于區(qū)分兩個句子。其中，位置嵌入（position embeddings）用來加入位置信息，支持序列長度為512，利用正余弦函數(shù)對字進(jìn)行位置編碼，將字的位置信息編碼成特征矩陣，其編碼如式（5）和（6）[13]。

其中，PE為二維矩陣，其維度與輸入embedding 的相同，這里行表示字，列表示字向量，pos表示字在句子中的位置，dmodel表示字向量的維度，i表示字向量的位置，a等于10 000。位置編碼的每個維度的波長形成是從2π 到a?2π 的幾何數(shù)，對于任何固定偏移k,PE(pos,k)可以表示為一個線性的位置編碼。位置編碼是通過線性變換獲取后續(xù)字符相對于當(dāng)前字符的位置關(guān)系，能夠更好地表達(dá)語義關(guān)系。

輸入句子x=(x1,x2,…,xn)，由BERT嵌入層的三種embedding轉(zhuǎn)換求和之后，每個字xi轉(zhuǎn)換為嵌入向量ei輸出，得到句子的嵌入表示E=(e1,e2,…,en)，其中ei是對應(yīng)xi的向量表示，是一個m維向量，E是一個n×m維的矩陣，每一行對應(yīng)句子中一個字的向量表示，然后作為圖2中Trm層的輸入。

2.4.2 Trm層

如圖2 所示，BERT 的Trm 層由多個Transformer 編碼器（Encoder）組成，每個Encoder的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 Encoder詳細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.5 Encoder detailed structure

每個Encoder包括多頭自注意力機(jī)制層（multi-head self-attention）、全連接層（feed forward）、殘差連接和歸一化層（add&normal）。在Encoder 中最主要的模塊為multi-head self-attention[19]，其核心思想是計(jì)算句子中每個字與該句子中其他所有的字的相互關(guān)系，并調(diào)整每個字的權(quán)重，獲取每個字的新的表達(dá)方式。

Encoder的輸入是BERT嵌入層的輸出E。將目標(biāo)字的ei通過線性變換得到表示目標(biāo)字的q向量、表示上下文各個字的k向量以及表示目標(biāo)字與上下文各個字的原始v向量，然后計(jì)算q向量與各個k向量的相似度作為權(quán)重，加權(quán)融合目標(biāo)字的v向量和各個上下文字的v向量，計(jì)算[19]如式（7）：

其中，q表示查詢向量，k表示鍵向量，v表示值向量，d為縮放因子，其目的是使模型的梯度更穩(wěn)定。采用點(diǎn)積的計(jì)算機(jī)制，使當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不只關(guān)注當(dāng)前的字，而是關(guān)注整個句子，從而獲取到上下文的語義信息，在一定程度上反映出不同字符之間的關(guān)聯(lián)性和重要程度，獲得更豐富的語義特征表達(dá)。最后使用softmax進(jìn)行歸一化處理。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，編碼器（encoder）中使用多頭自注意力（multi-head self-attention），利用不同的Self-Attention 模塊獲得句子中每個字在不同語義空間下的增強(qiáng)語義向量，并將每個字的多個增強(qiáng)語義向量進(jìn)行拼接，再進(jìn)行線性變換，從而獲得一個最終的與原始字向量長度相同的增強(qiáng)語義向量，作為Multi-Head Self-Attention層的結(jié)果，計(jì)算如式（8）和式（9）。表示第i個head的權(quán)重矩陣，WO表示附加的權(quán)重矩陣，在模型訓(xùn)練時不斷更新。在多頭注意力層通過不同的head得到多個特征表達(dá)，將所有的特征拼接到一起，作為增強(qiáng)語義的向量表示。

在殘差鏈接和歸一化層（add&normal）中，利用殘差鏈接可避免在模型較深時，反向傳播過程中的梯度消失問題。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行前向傳播時，可以按照網(wǎng)絡(luò)層數(shù)進(jìn)行逐層傳播，還可以從當(dāng)前層隔一層或多層向前傳播。該層能對各特征之間的輸入進(jìn)行規(guī)范化。然后將處理后的數(shù)據(jù)zi傳送給全連接層（feed forward），該層可以進(jìn)行并行計(jì)算。

在全連接層（feed forward neural network），是一個兩層的全連接層，第一層的激活函數(shù)為Relu，第二層不使用激活函數(shù)，對應(yīng)的公式如下：

其中，

其中，zi為殘差鏈接和歸一化層的輸出，W1,W2,b1,b2均為前饋網(wǎng)絡(luò)層的權(quán)值參數(shù)。

在模型結(jié)構(gòu)中，每一層都會間隔一層add&normal，這是深度殘差網(wǎng)絡(luò)的特性，將前一層的輸入和輸出進(jìn)行求和正則，得到R=(r1,r2,…,rn)，并將其作為下一個Encoder 的輸入，在經(jīng)過多個Encoder 編碼后，最后通過softmax 歸一化得到各個字的標(biāo)簽得分概率向量T=(t1,t2,…,tn)。

使用Transformer編碼器（Encoder）能夠計(jì)算句中字與字之間的關(guān)系，使得模型能夠?qū)W習(xí)字之間的聯(lián)系以及每個字的重要程度，獲取全局特征信息。

2.4.3 基于Linear-CRF的序列標(biāo)注層

給定句子x=(x1,x2,…,xn)，由BERT模型得到的字序列的實(shí)體標(biāo)簽得分概率T=(t1,t2,…,tn),ti是字xi的實(shí)體標(biāo)簽得分，T是linear-CRF序列標(biāo)注層的輸入。

linear-CRF 層的參數(shù)是一個(n+2)×(n+2)的實(shí)體標(biāo)簽轉(zhuǎn)移矩陣A,Aij表示是從第i個標(biāo)簽到第j標(biāo)簽的轉(zhuǎn)移得分，體現(xiàn)的是實(shí)體標(biāo)簽之間的約束關(guān)系。對一個位置進(jìn)行標(biāo)注時，可以利用此前已經(jīng)標(biāo)注過的標(biāo)簽。n+2 是為句子首部添加一個起始狀態(tài)，句子尾部添加一個終止?fàn)顟B(tài)。

對給定的句子x，根據(jù)每個字的實(shí)體標(biāo)簽的得分ti，以及字標(biāo)簽之間的轉(zhuǎn)移矩陣A，計(jì)算對x預(yù)測為不同標(biāo)簽序列y的概率，取概率最大的標(biāo)簽序列y*，作為該句子的標(biāo)簽序列，具體過程如下：

對任意一個句子x=(x1,x2,…,xn),n是字序列長度，也是標(biāo)簽序列的長度，那么BERT-LCRF模型對x預(yù)測為標(biāo)簽序列y的得分計(jì)算如式（11）：

其中，表示第i個字被標(biāo)記為yi的概率，A為轉(zhuǎn)移矩陣，表示從yi標(biāo)簽轉(zhuǎn)移到y(tǒng)i+1標(biāo)簽的概率，n為序列長度。因此，整個字序列的得分是每個字的分?jǐn)?shù)之和，而每個字的分?jǐn)?shù)由兩部分組成，一部分是由上一層輸出的ti決定，另一部分則由linear-CRF的轉(zhuǎn)移矩陣A決定。最后利用softmax函數(shù)歸一化，計(jì)算Pr(y|x)如式（12）所示：

其中，y′∈Y,L是對時鐘領(lǐng)域的字標(biāo)簽集合，y′是可能的字標(biāo)簽序列，式（12）的對數(shù)似然計(jì)算如式（13）：

最后在解碼階段，使用維特比算法[20]求解最優(yōu)路徑，計(jì)算如式（14）：

由此對于輸入字序列x=(x1,x2,…,xn)，經(jīng)過模型BERT-LCRF預(yù)測，得到字序列標(biāo)簽

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 時鐘領(lǐng)域數(shù)據(jù)集（clock-dataset）

本文采用自建的時鐘領(lǐng)域語料庫（clock-dataset）對BERT-LCRF模型的有效性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評估。

（1）時鐘領(lǐng)域文本預(yù)處理

首先收集時鐘行業(yè)的時鐘系統(tǒng)建議書作為原始數(shù)據(jù)，由于原始文本數(shù)據(jù)的存儲格式不同，包含對實(shí)體識別無用的信息，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、過濾圖片等無用信息、分段、分句等預(yù)處理，得到初始以句子為單位的時鐘領(lǐng)域語料庫。

（2）領(lǐng)域新詞識別和自定義字典

對未分詞的語料庫，采用基于互信息和左右熵算法[21]進(jìn)行領(lǐng)域新詞的識別。該方法首先計(jì)算詞與其右鄰接字的互信息，得到候選新詞，然后再采用鄰接熵、過濾候選新詞首尾的停用詞和過濾舊詞語等規(guī)則進(jìn)行篩選，最終得到領(lǐng)域新詞集，并添加領(lǐng)域自定義詞典（clockdictionary）中。結(jié)合clock-dictionary，采用jieba 分詞對初始時鐘語料庫中的句子進(jìn)行分詞，提高領(lǐng)域分詞結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時將分詞結(jié)果作為時鐘領(lǐng)域的先驗(yàn)知識，減少人工標(biāo)注審核的工作量，提高標(biāo)注的效率，降低標(biāo)注誤差。

（3）實(shí)體類別和實(shí)體標(biāo)簽定義

根據(jù)時鐘系統(tǒng)建議書的領(lǐng)域特性，進(jìn)行概念抽取，結(jié)合對領(lǐng)域詞匯的統(tǒng)計(jì)分析，定義時鐘領(lǐng)域的實(shí)體類別集合C={c1,c2,…,cm}，其中ci∈C，可以是地域（CITY）、設(shè)備（EQU）、對象（OBJ）等，具體如表1所示。

表1 時鐘領(lǐng)域?qū)嶓w類別描述Table 1 Entity category description in clock domain

在定義了實(shí)體類別集合C后，根據(jù)時鐘領(lǐng)域的文本特點(diǎn)，采用BIO 標(biāo)注策略，令B 代表Beginning，標(biāo)注實(shí)體的起始部分，I代表Inside，標(biāo)注實(shí)體的中間部分，O代表Outside，標(biāo)注與實(shí)體無關(guān)的信息，定義實(shí)體字標(biāo)簽集合L={l1,l2,…,lk}，其中l(wèi)i∈L，具體描述如表2所示。

表2 clock-dataset的實(shí)體標(biāo)簽描述Table 2 Label category description of clock-dataset

（4）語料標(biāo)注

在沒有時鐘領(lǐng)域的標(biāo)注語料時，通過設(shè)計(jì)人機(jī)交互的輔助實(shí)體標(biāo)注平臺，輔助專業(yè)人士快速、高效標(biāo)注高質(zhì)量的訓(xùn)練語料，記作時鐘領(lǐng)域數(shù)據(jù)集（clock-dataset）。在獲得一定數(shù)量的人工標(biāo)注數(shù)據(jù)后，可以利用BERTLCRF命名實(shí)體識別方法，結(jié)合semi-supervised learning（半監(jiān)督學(xué)習(xí)）、self-learning（自學(xué)習(xí)）和active learning（主動學(xué)習(xí)）等方法進(jìn)行標(biāo)注數(shù)據(jù)的擴(kuò)充。實(shí)驗(yàn)中，對標(biāo)注的clock-dataset 數(shù)據(jù)集，劃分成三個數(shù)據(jù)集：訓(xùn)練集、測試集和驗(yàn)證集，具體表述如表3所示。

表3 clock-dataset的劃分描述Table 3 Clock-dataset division

3.2 實(shí)驗(yàn)基本設(shè)置及參數(shù)設(shè)置

本文的實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置：64 位Window10 系統(tǒng)，AMD Ryzen 7 2700X Eight-Core Pricessor 3.70 GHz 處理器，8 GB內(nèi)存，顯卡為NVIDIA GeForce GTX 1060 6 GB中進(jìn)行。使用的編程語言為Python，深度學(xué)習(xí)框架Pytorch。

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)為最大似然函數(shù)，采用BertAdam 優(yōu)化方法不斷更新參數(shù)，并使損失函數(shù)最小化。為了防止模型過擬合，提高模型的泛化能力，在網(wǎng)絡(luò)模型中加入Dropout，將其設(shè)置為0.1。BERT 模型共12 層，768 個隱藏單元，12 個注意力頭。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 4 Experimental parameter settings

3.3 評價指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中采用宏準(zhǔn)確率（Macro-P），宏召回率（Macro-R）和宏F1值（Macro-F1）三個指標(biāo)，對如表1所示的七類實(shí)體的識別結(jié)果進(jìn)行評估，計(jì)算公式如下：

其中，TP(cj)表示屬于cj實(shí)體類別，且識別正確實(shí)體數(shù)；FN(cj)表示屬于cj實(shí)體類別，但識別不正確的實(shí)體數(shù)；FP(cj)表示不屬于cj實(shí)體類別，但被識別為cj的實(shí)體數(shù)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證所提BERT-LCRF模型的有效性，與HMM、CRF、LSTM、BiLSTM-CRF模型進(jìn)行了命名實(shí)體識別對比實(shí)驗(yàn)。

3.4.1 命名實(shí)體識別模型總體識別效果比較分析

在clock-dataset 上，BERT-LCRF 模型與BiLSTMCRF、LSTM、HMM、CRF模型的命名實(shí)體識別對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同模型的命名實(shí)體識別結(jié)果比較Table 5 Comparison of named entity recognition results of different models %

從表5 中可以看出，針對于時鐘領(lǐng)域的語料而言，所提BERT-LCRF模型相對于其他四種算法模型取得了較為優(yōu)異的結(jié)果。如表5所示，HMM、CRF、LSTM算法的Macro-P分別為71.51%、82.84%、94.13%，BiLSTM-CRF模型為95.53%，而BERT-LCRF 的準(zhǔn)確率為96.70%，評估指標(biāo)Macro-R和Macro-F1的對比也是類似的。

分析表5中不同方法的效果對比，其中HMM、CRF算法沒有學(xué)習(xí)上下文的語義關(guān)系，因此識別效果不好。LSTM 只是單向的學(xué)習(xí)文本序列，沒有CRF，雖然可以得到句子中每個單元的正確標(biāo)簽，但是不能保證標(biāo)簽每次都是預(yù)測正確的。BiLSTM-CRF 模型采用雙向LSTM 和CRF，其結(jié)果優(yōu)于LSTM 方法，其Macro-P 為95.53%、Macro-R 為94.98%、Macro-F1 為95.26%。而BERT-LCRF 模型的三種評估指標(biāo)為96.70%、96.73%和96.71%，對比BiLSTM-CRF模型平均提升了0.9%。

原因在于，本文使用BERT預(yù)訓(xùn)練語言模型來代替BiLSTM?；贐iLSTM-CRF 命名實(shí)體識別方法不能很好地利用語料中的上下文的語義關(guān)系，而BERTLCRF 模型增加了位置編碼以及注意力機(jī)制，能夠很好地利用語料中的上下文語義關(guān)系，對時鐘領(lǐng)域數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，能夠充分學(xué)習(xí)時鐘領(lǐng)域的特征信息，解決時鐘領(lǐng)域的特征表示的一詞多義問題，因此BERT-LCRF模型的識別效率相對最高。

3.4.2 時鐘領(lǐng)域每類實(shí)體的識別效果比較

為進(jìn)一步驗(yàn)證BERT-LCRF模型對每類實(shí)體的識別效果，與HMM 模型、CRF 模型和BiLSTM-CRF 模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6～9所示。

從表6～9 中可以看出，BERT-LCRF 模型在13 種實(shí)體類別上的宏準(zhǔn)確率、宏召回率、宏F1值均比其他模型的高，說明BERT-LCRF 模型的每類實(shí)體識別效果要優(yōu)于其他模型。

從表6～9中還可以看出，所有實(shí)體類別中，“B-OBJ”和“I-OBJ”對象類實(shí)體的宏準(zhǔn)確率最高，HMM 模型為87.67%，CRF 模型為94.95%，BiLSTM-CRF 模型為97.46%，BERT-LCRF模型為97.49%。分析原因，時鐘領(lǐng)域數(shù)據(jù)中的對象這類實(shí)體的數(shù)量比較多，并且實(shí)體組成較為單一，邊界詞明顯，主要是以“系統(tǒng)”兩個字作為結(jié)尾，并且有固定的表達(dá)格式，例如“時鐘系統(tǒng)”“時鐘同步系統(tǒng)”“子母鐘系統(tǒng)”等，因此在識別過程中宏準(zhǔn)確率高。功能、技術(shù)這類實(shí)體的宏準(zhǔn)確率相對較低，功能（FUN）和技術(shù)（TEC）這類實(shí)體，實(shí)體數(shù)量相對其他實(shí)體來說，實(shí)體數(shù)量少，存在OOV 詞，因此其宏準(zhǔn)確率會相對較低，其余的實(shí)體類別宏準(zhǔn)確率相對而言比較平均。

表6 HMM模型實(shí)體類別識別結(jié)果Table 6 HMM model entity category recognition results %

4 結(jié)論

本文針對時鐘領(lǐng)域的問題，定義時鐘領(lǐng)域?qū)嶓w類別，選擇適合時鐘領(lǐng)域文本的標(biāo)注規(guī)則，設(shè)計(jì)輔助標(biāo)注平臺，構(gòu)建時鐘領(lǐng)域數(shù)據(jù)集（clock-dataset），提出一種BERT-LCRF 的命名實(shí)體識別模型。該模型利用BERT結(jié)合時鐘領(lǐng)域的先驗(yàn)知識，充分學(xué)習(xí)時鐘領(lǐng)域的特征信息，而Linear-CRF 能夠提高序列標(biāo)注的準(zhǔn)確度，從而BERT-LCRF模型能夠提高實(shí)體識別的精度。在時鐘行業(yè)數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型在各項(xiàng)指標(biāo)上顯著優(yōu)于同類其他模型。BERT-LCRF模型是構(gòu)建時鐘領(lǐng)域知識圖譜的基礎(chǔ)，時鐘領(lǐng)域的實(shí)體類別和標(biāo)簽還有待擴(kuò)充，下一步將在此基礎(chǔ)上結(jié)合時鐘領(lǐng)域先驗(yàn)知識進(jìn)行事件抽取，進(jìn)一步構(gòu)建面向時鐘領(lǐng)域的知識圖譜。

表7 CRF模型實(shí)體類別識別結(jié)果Table 7 CRF model entity category recognition results %

表8 BiLSTM-CRF模型實(shí)體類別識別結(jié)果Table 8 BiLSTM-CRF model entity category recognition results %

表9 BERT-LCRF模型實(shí)體類別識別結(jié)果Table 9 BERT-LCRF model entity category recognition results %