用条件随机场做网络小说命名实体识别

一直想用统计学习方法来改善拨云搜索，这次先在命名实体上小小尝试一下。

线性链条件随机场

对于无向图中的节点，定义一组特征函数，使其状态仅受邻近节点和观测序列的影响。

在标注任务中，节点只有前后两个邻近节点，即线性链条件随机场。

按照定义，节点有两类特征函数：转移特征函数和状态特征函数。转移特征函数表示上一个节点状态及观测序列对当前节点的影响，状态特征函数表示观测序列对当前节点的影响。每个函数都有个权重，模型经过训练后，通过函数及其权重即可推算节点状态。

直观地看，对于 NER 任务，文本为观测序列，一个词对应一个节点，标签为节点状态。我们为每个节点定义一组特征函数，因为节点对应的词不一样，它们的特征函数也不一样。经过训练后，模型通过词对应的特征函数集合，即可计算出最可能的标签。

python-CRFsuite

因为要同 python 程序衔接，这里选用 CRFsuite 库。与 CRF++晦涩的模板文件不同，CRFsuite 以键值对的形式定义特征函数。优点是灵活直观，缺点嘛就是不太好自定义转移特征了，不过对本文任务没影响。

方案设计

此次任务目标是识别小说里的地名、道具、技能、门派及特殊人名等实体。由于文本的特殊性，可以预见通用的训练语料效果不会太好。所以我用基于规则的方法来标注八本有代表性的小说，以此作为训练语料。用另外的四本小说来评测，然后与前述规则方法的结果做比较。

训练语料的八本小说：凡人修仙传，问题妹妹恋上我, 轮回剑典, 极品家丁, 雪鹰领主, 武林半侠传, 儒道之天下霸主, 无限之高端玩家。

评测的四本小说：择天记，大道争锋，魔魂启临，俗人回档。

标签采用 BMEO 四种状态，B 实体开始，M 实体中间词，E 实体结尾词，O 无关词。

预期目标

原有的规则识别是在匹配到特殊字词后，按照特定句式、字词及词频来判定是否命名实体。CRF 在定义特征时，综合考虑了上下文内容和词性，预计泛化会更好一点。但是语料标注及分词词性本身并不靠谱，估计准确率有所降低。

实现

1. 生成训练语料

将文本分词后，送入原识别程序。然后对结果标注，以 json 格式保存。格式如：

["这是", "r", "O"], ["清", "a", "B"], ["虚", "d", "M"], ["门", "n", "E"], ["的", "uj", "O"], ["飞行", "vn", "O"], ["法器", "n", "O"], ["雪", "n", "O"], ["虹", "n", "O"],

单元里有文字、词性和标签 3 个属性。

2. 定义特征

以当前词及前后两个词的文字和词性为特征函数。这里都是状态特征，转移特征是默认的。

def _word2features(wordlist, i):
    """ 返回特征列表 """
    features = [
        'bias',
        'word:'+wordlist[i][0],
        'word_attr:'+wordlist[i][1]
    ]

    if i > 0:
        features.append('word[-1]:'+wordlist[i-1][0])
        features.append('word[-1]_attr:'+wordlist[i-1][1])
        if i > 1:
            features.append('word[-2]:'+wordlist[i-2][0])
            features.append('word[-2,-1]:'+wordlist[i-2][0]+wordlist[i-1][0])
            features.append('word[-2]_attr:'+wordlist[i-2][1])
    if i < len(wordlist)-1:
        features.append('word[1]:'+wordlist[i+1][0])
        features.append('word[1]_attr:'+wordlist[i+1][1])
        if i < len(wordlist)-2:
            features.append('word[2]:'+wordlist[i+2][0])
            features.append('word[1,2]:'+wordlist[i+1][0]+wordlist[i+2][0])
            features.append('word[2]_attr:'+wordlist[i+2][1])
    return features

这里直接把特征属性组合为名称，这样其值就是函数权重，默认为 1。

3. 训练模型

默认用 L-BFGS 算法训练。参数也并没有调到最优。

model = pycrfsuite.Trainer(verbose=True)
model.append(train_x, train_y)
model.set_params({
    'c1': 1.0,   # coefficient for L1 penalty
    'c2': 1e-3,  # coefficient for L2 penalty
    'max_iterations': 100,  # stop earlier
    'feature.possible_states': True,
    # include transitions that are possible, but not observed
    'feature.possible_transitions': True,
    'feature.minfreq': 3
})

model.train("./test.crf")

4. 评测

tagger = pycrfsuite.Tagger()
tagger.open('./test.crf')
test_y = tagger.tag(test_x)

这里抽选大道争锋的标注结果，其他 3 本也差不多，如下：

'少清派', '邪派', '玄门正宗', '正宗玄门', '丹师', '魔宗', '莹云', '种法术', '蛇出来', '琴楠', '大玄门', '一玄门', '一身皮', '了莹', '大派', '丹术', '丹三', '紫眉', '丹主', '黑衣道人', '巧巧', '阵图', '喜欢道士', '
十大玄门', '玄袍道人', '小派', '铜炉', '玄功', '剑招', '十多人', '二岛', '世家玄门', '九曲溪宫', '，玄门', '派玄门', '诸多玄门', '丹成功', '剑出来', '了玄门', '责翠', '源剑', '玄门小派', '魔门', '玄门十大派', '栖鹰', '三大玄门', '丹功', '丹境', '于各个玄门', '各大派', '一杆长枪', '丹出来', '阵门', '仙派', '九转功', '丹炉', '楚玄门', '青云一', '禽鹰', '凝功', '源经', '莹莹', '半声', '祭出来', '了出来', '黑风', '玄族', '可玄门', '师出来', '主宫', '玄门大派'

规则方法结果：

'此阵', '六大魔宗', '女冠', '化形丹', '蓬远派', '桂从尧', '功德院中', '参神契', '此水', '血魄', '自思', '玄门世家', '广源派', '一观', '双翅', '闯阵', '四象阵', '沉香舟', '澜云密册', '讨争', '补天阁', '道姑', '晁掌阁',
'入山', '派中', '玄灵山', '清羽门下', '符书', '元阳派', '大门大派', '观容师妹', '入阵', '善渊观', '越真观', '幽阴重水', '水行真光', '玄光境界', '景管事', '破阵', '宝丰观中', '剑符', '修道者', '沉香教中', '管事', '万福一礼', '化
丹修士', '山河童子', 'jī动', '年轻道人', '符诌', '紫眉道人', '斩神阵', '丹鼎院', '太昊派', '败下阵', '歉然', '此丹', '剑丸', '疑 huò', '此老', '溟沧派', '张衍神色', '甫一', '砀域水国', '血衣修士', '正 sè', '少清派', '两名老道', '
魔门', '丹煞', '观中', '师徒一脉', '德修观', '候伯叙', '魔简', '入门弟子', '苍梧山', '老道', '小金丹', '宁冲玄一', '下院入门', '化丹', '小童', '符御卿', '力士', '众弟子', '中年修士', '文安', '文俊', '老魔', '熬通', '道诀', '丘老道', '手一', '玄光境', '丹鼎院中', '玄门正宗', '天阁', '血魄宗', '南华派', '年轻修士', '拿眼', '阵中', '小派', '北辰派', '太昊门', '化一', '阵门', '风师兄', '道书', '玲儿', '玄功', '琴楠', '儒雅道人', '神梭', '凝丹', '珍茗', '玄门十派', '沉香教', '张衍洒然', '无需多', '中年道人', '魔宗', '凕沧派', '清羽门', '守阵', '魔穴', '解读道书', '十六派', '九魁妖王', '秀儿', '执事道童', '了声', '化丹境界', '待张衍', '玄门大派', '陶真人门下', '两派'

统计结果：

| 项目 | CRF | 规则 |

| ---- | ---- | ---- |

| 实体数量 | 71 | 138 |

| 都有 | 9 | 9 |

| 差异数量 | 62 | 129 |

| 准确数 | 25(35%) | 105(76%) |

| 独有准确数 | 16(8) | -- |

正确的标准是组合正确，且确实为新实体。有多种组合方案的，都算正确，例如：紫眉和紫眉道人。

独有准确数括号里的数字去掉了因词频按规则方法应抛弃的实体。

可以看出几点：

规则方法识别的数量比 CRF 要多。这是因为语料偏少，CRF 只训练了 8 本小说，并没有学习到所有的规则信息。
两者的准确率都有问题。例如 CRF 里的“了出来”，“师出来”。规则方式里的“甫一”，“正 sè”。都是错误地识别了人名，其原因各有不同，但 CRF 受到了标注语料的影响，有可能将错误率放大。
CRF 识别出了超出规则的实体，这是期望的目标。

小结

在不靠谱的训练语料及不靠谱的评价标准下，CRF 仍然给出了有意义的结果。