https://habr.com/ru/post/472988/

• Python
• Машинное обучение
• Искусственный интеллект

В статье пойдет речь о классификации тональности текстовых сообщений на русском языке (а по сути любой классификации текстов, используя те же технологии). За основу возьмем данную статью, в которой была рассмотрена классификация тональности на архитектуре CNN с использованием Word2vec модели. В нашем примере будем решать ту же самую задачу разделения твитов на позитивные и негативные на том же самом датасете с использованием модели ULMFit. Результат из статьи, (average F1-score = 0.78142) примем в качестве baseline.

Введение

Модель ULMFIT была представлена разработчиками fast.ai (Jeremy Howard, Sebastian Ruder) в 2018 году. Суть подхода состоит в использовании transfer learning в задачах NLP, когда вы используете предобученные модели, сокращая время на обучение своих моделей и снижая требования к размерам размеченной тестовой выборки.

Схема обучения в нашем случае будет выглядеть так:



Смысл языковой модели — уметь предсказывать следующее слово в последовательности. Длинные связные тексты таким образом получить проблематично, но тем не менее языковые модели способны улавливать свойства языка, понимать контекст использования слов, поэтому именно языковая модель (а не, например, векторное отображение слов) является основой технологии. Для задачи моделирования языка ULMFit использует архитектуру AWD-LSTM, которая предполагает активное использование dropout везде, где только можно и имеет смысл.

В качестве предобученной языковой модели будем использовать чуть ли не единственно доступную публично.
Пройдемся по алгоритму обучения с самого начала.

Загружаем библиотеки (проверяем версию Fast.ai на случай каких-либо несовместимостей):

%load_ext autoreload
%autoreload 2
import pandas as pd
import numpy as np
import re
import statistics
import fastai
print('fast.ai version is:', fastai.__version__)

from fastai import *
from fastai.text import *
from sklearn.model_selection import train_test_split
path = ''

Out: fast.ai version is: 1.0.58

Готовим данные для обучения

По аналогии будем проводить обучение на корпусе коротких текстов RuTweetCorp Юлии Рубцовой, сформированный на основе русскоязычных сообщений из Twitter. Корпус содержит 114 991 позитивных твитов и 111 923 негативных твитов в формате CSV. Кроме того есть база неразмеченных твитов объемом 17 639 674 записей в формате SQL. Задачей нашего классификатора будет определение, является ли твит позитивным или негативным.

Поскольку дообучать языковую модель на 17 млн. твитах было долго и лень была задача показать возможности transfer learning, дообучать языковую модель будем на кусочке текстов из training датасета, полностью игнорируя базу неразмеченных твитов. Вероятно, используя эту базу для «заточки» языковой модели, можно улучшить общий результат.

Формируем датасеты для обучения и тестирования с предварительной обработкой текстов. Код берем из исходной статьи:

# Считываем данные
n = ['id', 'date', 'name', 'text', 'typr', 'rep', 'rtw', 'faw', 'stcount', 'foll', 'frien', 'listcount']
data_positive = pd.read_csv('data/positive.csv', sep=';', error_bad_lines=False, names=n, usecols=['text'])
data_negative = pd.read_csv('data/negative.csv', sep=';', error_bad_lines=False, names=n, usecols=['text'])

# Формируем сбалансированный датасет
sample_size = min(data_positive.shape[0], data_negative.shape[0])
raw_data = np.concatenate((data_positive['text'].values[:sample_size],
                           data_negative['text'].values[:sample_size]), axis=0)
labels = [1] * sample_size + [0] * sample_size

def preprocess_text(text):
    text = text.lower().replace("ё", "е")
    text = re.sub('((www\.[^\s]+)|(https?://[^\s]+))', 'URL', text)
    text = re.sub('@[^\s]+', 'USER', text)
    text = re.sub('[^a-zA-Zа-яА-Я1-9]+', ' ', text)
    text = re.sub(' +', ' ', text)
    return text.strip()


data = [preprocess_text(t) for t in raw_data]

df_train=pd.DataFrame(columns=['Text', 'Label'])
df_test=pd.DataFrame(columns=['Text', 'Label'])

df_train['Text'], df_test['Text'], df_train['Label'], df_test['Label'] = train_test_split(data, labels, test_size=0.2, random_state=1)

df_val=pd.DataFrame(columns=['Text', 'Label'])

df_train, df_val = train_test_split(df_train, test_size=0.2, random_state=1)

Смотрим что получилось:

df_train.groupby('Label').count()

df_val.groupby('Label').count()

df_test.groupby('Label').count()

Обучаем языковую модель

Загружаем данные:

tokenizer=Tokenizer(lang='xx')
data_lm = TextLMDataBunch.from_csv(path, tokenizer=tokenizer, bs=16, csv_name = 'data/tweets_part1.txt', text_cols=0)

Смотрим на содержимое:

data_lm.show_batch()

Указываем ссылки на сохраненные веса предобученной модели и словарь:

weights_pretrained = 'ULMFit/lm_5_ep_lr2-3_5_stlr'
itos_pretrained = 'ULMFit/itos'
pretained_data = (weights_pretrained, itos_pretrained)

Создаем learner, но перед этим — один костыль для fast.ai. Предобученная модель обучалась на более старой версии библиотеки, поэтому нужно поправить количество нод в скрытом слое нейросети.

config = awd_lstm_lm_config.copy()
config['n_hid'] = 1150
learn_lm = language_model_learner(data_lm, AWD_LSTM, config=config, pretrained_fnames=pretained_data, drop_mult=0.3)
learn_lm.freeze()

Ищем оптимальный learning rate:

learn_lm.lr_find()
learn_lm.recorder.plot()

Обучаем модель 3 эпохи (в модели здесь разморожена только последняя группа слоев).

learn_lm.fit_one_cycle(3, 1e-2, moms=(0.8, 0.7))

Размораживаем модель, обучаем еще эпох с меньшим learning rate:

learn_lm.unfreeze()
learn_lm.fit_one_cycle(5, 1e-3, moms=(0.8, 0.7))

learn_lm.save('lm_ft')

Пробуем генерацию текста на обученной модели.

learn_lm.predict("А куда же", n_words=5)

Out: 'А куда же делись все подарочки от коллег'

learn_lm.predict("Батенька, да ты", n_words=4)

Out: 'Батенька, да ты будешь страдать от недосыпа'

Видим — кое что у модели получается. Но наша основная задача — классификация и для ее решения мы возьмем из модели кодировщик.

learn_lm.save_encoder('ft_enc')

Обучаем классификатор

Загружаем данные для обучения

data_clas = TextClasDataBunch.from_df(path, vocab=data_lm.train_ds.vocab, bs=32, train_df=df_train, valid_df=df_val, text_cols=0, label_cols=1, tokenizer=tokenizer)

Посмотрим на данные, видим что метки успешно считались (0 означает негативный, а 1 — позитивный комментарий):

data_clas.show_batch()

Создаем learner с аналогичным костылем:

config = awd_lstm_clas_config.copy()
config['n_hid'] = 1150
learn = text_classifier_learner(data_clas, AWD_LSTM, config=config, drop_mult=0.5)

Загружаем encoder, обученный на предыдущем этапе и замораживаем модель, кроме последней группы весов:

learn.load_encoder('ft_enc')
learn.freeze()

Ищем оптимальный learning rate:

learn.lr_find()
learn.recorder.plot(skip_start=0)

Проводим обучение модели с постепенным размораживанием слоев.

learn.fit_one_cycle(2, 2e-2, moms=(0.8,0.7))

learn.freeze_to(-2)
learn.fit_one_cycle(3, slice(1e-2/(2.6**4),1e-2), moms=(0.8,0.7))

learn.freeze_to(-3)
learn.fit_one_cycle(2, slice(5e-3/(2.6**4),5e-3), moms=(0.8,0.7))

learn.unfreeze()
learn.fit_one_cycle(2, slice(1e-3/(2.6**4),1e-3), moms=(0.8,0.7))

learn.save('tweet-0801')

Видим, что на валидационной выборке добились accuracy = 80,1%.

Протестируем модель на комментарии ZlodeiBaal к моей предыдущей статье:

learn.predict('Дальше надо объяснять почему все что вы сделали — чушь?')

Out: (Category 0, tensor(0), tensor([0.6283, 0.3717]))

Видим, что модель отнесла этот комментарий к негативным :-)

Проверяем модель на тестовой выборке

Основная задача на этом этапе — проверить модель на способность к генерализации. Для этого мы валидируем модель на наборе данных, хранящимся в DataFrame df_test, который до этого момента не был доступен ни для языковой модели, ни для классификатора.

data_test_clas = TextClasDataBunch.from_df(path, vocab=data_lm.train_ds.vocab, bs=32, train_df=df_train, valid_df=df_test, text_cols=0, label_cols=1, tokenizer=tokenizer)

config = awd_lstm_clas_config.copy()
config['n_hid'] = 1150
learn_test = text_classifier_learner(data_test_clas, AWD_LSTM, config=config, drop_mult=0.5)

learn_test.load_encoder('ft_enc')
learn_test.load('tweet-0801')

learn_test.validate()

Out: [0.4391682, tensor(0.7973)]

Видим, что accuracy на тестовой выборке получился 79,7%.

Посмотрим на Confusion Matrix:

interp = ClassificationInterpretation.from_learner(learn)
interp.plot_confusion_matrix()

Вычислим параметры precision, recall и f1 score.

neg_precision = interp.confusion_matrix()[0][0] / (interp.confusion_matrix()[0][0] + interp.confusion_matrix()[1][0])
neg_recall = interp.confusion_matrix()[0][0] / (interp.confusion_matrix()[0][0] + interp.confusion_matrix()[0][1])
pos_precision = interp.confusion_matrix()[1][1] / (interp.confusion_matrix()[1][1] + interp.confusion_matrix()[0][1])
pos_recall = interp.confusion_matrix()[1][1] / (interp.confusion_matrix()[1][1] + interp.confusion_matrix()[1][0])
neg_f1score = 2 * (neg_precision * neg_recall) / (neg_precision + neg_recall)
pos_f1score = 2 * (pos_precision * pos_recall) / (pos_precision + pos_recall)

print('Метка класса   Точность   Полнота   F1-score')
print('    Negative   {0:1.5f}    {1:1.5f}   {2:1.5f}'.format(neg_precision, neg_recall, neg_f1score))
print('    Positive   {0:1.5f}    {1:1.5f}   {2:1.5f}'.format(pos_precision, pos_recall, pos_f1score))
print('    Average    {0:1.5f}    {1:1.5f}   {2:1.5f}'.format(statistics.mean([neg_precision, pos_precision]), 
                                                              statistics.mean([neg_recall, pos_recall]), 
                                                              statistics.mean([neg_f1score, pos_f1score])))

Out:
Метка класса   Точность   Полнота   F1-score
    Negative   0.79989    0.80451   0.80219
    Positive   0.80142    0.79675   0.79908
    Average    0.80066    0.80063   0.80064

Результат, показанный на тестовой выборке average F1-score = 0,80064.

Сохраненные веса модели можно взять здесь.