基于RNN的情感分類應(yīng)用設(shè)計(jì)

翟高粵

摘 要：情感分類應(yīng)用是對(duì)帶有情感色彩的主觀性文本進(jìn)行分析、處理、歸納和推理的過程。本文先介紹情感分析的本質(zhì)和任務(wù)，然后引入RNN循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行相關(guān)理論和知識(shí)介紹;最后對(duì)整個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部分進(jìn)行模塊分析和功能說明。

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí);循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);情感分類;自然語言處理

自然語言處理NLP的一項(xiàng)重要處理就是情感分析Sentiment Analysis，它在社交內(nèi)容的分析以及電商評(píng)論反饋分析中，都占有很高的分析價(jià)值。文本情感分析任務(wù)本質(zhì)是自然語言序列的特征提取和基于特征的分類問題。相比于生成類NLP任務(wù)，文本情感分析任務(wù)的核心是自然語言特征的提取。

情感分析是從自然語言中識(shí)別人的態(tài)度的一種人工智能方法，現(xiàn)在有很多人通過社交網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、博客、在線評(píng)論和社區(qū)網(wǎng)站上面發(fā)表他們的觀點(diǎn)或看法。由于很多用戶在網(wǎng)絡(luò)上表達(dá)自己的情感，因此研究人員可以通過分析現(xiàn)實(shí)世界中的情感來了解社會(huì)輿論。為了使模型能夠明確地學(xué)習(xí)中文文本的情感知識(shí)，本文提出了一種基于RNN的情感信息的分類網(wǎng)絡(luò)模型。實(shí)驗(yàn)證明，該分類模型能較好的對(duì)中小規(guī)模的數(shù)據(jù)集進(jìn)行較好的分類。

本章探討深度學(xué)習(xí)中基于RNN的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在情感分析中的應(yīng)用。深度學(xué)習(xí)適合做文字處理和語義理解，是因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)靈活，其底層利用詞嵌入技術(shù)可以避免文字長(zhǎng)短不均帶來的處理困難。使用深度學(xué)習(xí)抽象特征，可以避免大量人工提取特征的工作。深度學(xué)習(xí)可以模擬詞與詞之間的聯(lián)系，有局部特征抽象化和記憶功能。正是這幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，使得深度學(xué)習(xí)在情感分析，乃至文本分析理解中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

一、相關(guān)理論

（一）RNN循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network， RNN）是一類以序列（sequence）數(shù)據(jù)為輸入，在序列的演進(jìn)方向進(jìn)行遞歸（recursion）且所有節(jié)點(diǎn)（循環(huán)單元）按鏈?zhǔn)竭B接的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（recursive neural network）。對(duì)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究始于二十世紀(jì)80-90年代，并在二十一世紀(jì)初發(fā)展為深度學(xué)習(xí)（deep learning）算法之一，其中循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network， RNN）是常見基本的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有記憶性、參數(shù)共享的特點(diǎn)，因此在對(duì)序列的非線性特征進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自然語言處理（Natural Language Processing， NLP），例如語音識(shí)別、語言建模、機(jī)器翻譯等領(lǐng)域有應(yīng)用，也被用于各類時(shí)間序列預(yù)報(bào)。引入了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）構(gòu)筑的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以處理包含序列輸入的計(jì)算機(jī)視覺問題。

（二）詞嵌入技術(shù)（Word-Embedding）

為了數(shù)字化輸入的單詞，我們可以使用k個(gè)編碼向量（由若干個(gè)0和一個(gè)1組成）中的1（one-hot）來表示一個(gè)單詞，這種方法非常簡(jiǎn)單，但無法表達(dá)單詞之間的關(guān)系。為了能表達(dá)單詞之間的關(guān)系，我們通常使用詞嵌入方法，這是一種降維技術(shù)。詞嵌入方法就是把每個(gè)單詞矢量化表示。它由密集且維數(shù)較低的k維向量表示。研究表明，語義相近的詞向量在向量空間中距離很近，反之語義差距大的詞向量在向量空間距離較遠(yuǎn)。目前，許多關(guān)于自然語言處理（NLP）的研究都使用預(yù)訓(xùn)練詞向量。

使用預(yù)訓(xùn)練的詞嵌入，在數(shù)據(jù)集較小的情況下，難以學(xué)習(xí)到足夠好的embedding層，選擇一些權(quán)威的官方詞嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)（比如GloVe）能夠有效解決數(shù)據(jù)集的問題。GloVe的全稱叫Global Vectors for Word Representation，它是一個(gè)基于全局詞頻統(tǒng)計(jì)（count-based & overall statistics）的詞表征（word representation）工具，它可以把一個(gè)單詞表達(dá)成一個(gè)由實(shí)數(shù)組成的向量，這些向量捕捉到了單詞之間一些語義特性，比如相似性（similarity）、類比性（analogy）等。我們通過對(duì)向量的運(yùn)算，比如歐幾里得距離或者cosine相似度，可以計(jì)算出兩個(gè)單詞之間的語義相似性。

（三）情感分類

文本情感分析：又稱意見挖掘、傾向性分析等。簡(jiǎn)單而言，是對(duì)帶有情感色彩的主觀性文本進(jìn)行分析、處理、歸納和推理的過程?；ヂ?lián)網(wǎng)（如博客和論壇以及社會(huì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)如大眾點(diǎn)評(píng)）上產(chǎn)生了大量的用戶參與的、對(duì)于諸如人物、事件、產(chǎn)品等有價(jià)值的評(píng)論信息。這些評(píng)論信息表達(dá)了人們的各種情感色彩和情感傾向性，如喜、怒、哀、樂和批評(píng)、贊揚(yáng)等。基于此，潛在的用戶就可以通過瀏覽這些主觀色彩的評(píng)論來了解大眾輿論對(duì)于某一事件或產(chǎn)品的看法。

情緒分類的目的是識(shí)別給定句子（或文檔）的情緒極性（積極或消極）。傳統(tǒng)分類方法大致可以分為基于詞典的分類方法和基于深度學(xué)習(xí)的分類方法?；谠~典的方法通過人工的方法來提取語言特征。例如，通過在詞典中標(biāo)注每個(gè)單詞的情感極性就被當(dāng)作語言特征。另一方面，深度學(xué)習(xí)方法具有自動(dòng)地從原始數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)表示的能力?；谏疃葘W(xué)習(xí)的方法自動(dòng)從原始文本輸入中提取特征，并使用它們對(duì)情緒極性進(jìn)行分類。因此，基于深度學(xué)習(xí)的方法在情緒分類任務(wù)中越來越受到研究人員的歡迎。

二、RNN情感分類問題實(shí)戰(zhàn)

（一）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

下面本文利用基礎(chǔ)的RNN來解決情感分類的問題，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

RNN 網(wǎng)絡(luò)共兩層，循環(huán)提取序列信號(hào)的語義特征，利用第 2 層 RNN 層的最后時(shí)間戳的狀態(tài)向量 hS（2）作為句子的全局語義特征表示，送入全連接層構(gòu)成的分類網(wǎng)絡(luò)3，得到樣本x為積極情感的概率P（x為積極情感|x） ∈ [0，1]。本文使用經(jīng)典的 IMDB 影評(píng)數(shù)據(jù)集來完成情感分類任務(wù)。

（二）數(shù)據(jù)集分析

IMDB影評(píng)數(shù)據(jù)集包含了50000條用戶評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的標(biāo)簽分為消極和積極，其中 IMDB評(píng)級(jí)<5 的用戶評(píng)價(jià)標(biāo)注為0，即消極;IMDB評(píng)價(jià)>=7 的用戶評(píng)價(jià)標(biāo)注為1，即積極。25000條影評(píng)用于訓(xùn)練集，25，000條用于測(cè)試集。通過Keras提供的數(shù)據(jù)集datasets工具即可加載IMDB數(shù)據(jù)集，部分關(guān)鍵代碼如下：

batchsz = 128 # 批量大小

total_words = 10000 # 詞匯表大小 N_vocab

max_review_len = 80 # 句子最大長(zhǎng)度 s，大于的句子部分將截?cái)啵∮诘膶⑻畛?/p>

embedding_len = 100 # 詞向量特征長(zhǎng)度 n

# 加載 IMDB 數(shù)據(jù)集，此處的數(shù)據(jù)采用數(shù)字編碼，一個(gè)數(shù)字代表一個(gè)單詞

（x_train， y_train）， （x_test， y_test） =

keras.datasets.imdb.load_data（num_words=total_words）

# 打印輸入的形狀，標(biāo)簽的形狀

print（x_train.shape， len（x_train[0]）， y_train.shape）

print（x_test.shape， len（x_test[0]）， y_test.shape）

可以看到，x_train 和 x_test 是長(zhǎng)度為 25，000 的一維數(shù)組，數(shù)組的每個(gè)元素是不定長(zhǎng) List，保存了數(shù)字編碼的每個(gè)句子，例如訓(xùn)練集的第一個(gè)句子共有 218 個(gè)單詞，測(cè)試集的第一個(gè)句子共有 68 個(gè)單詞，每個(gè)句子都包含了句子起始標(biāo)志 ID。

（三）編碼方案及處理

通過訪問編碼表獲得每個(gè)單詞的編碼，具體代碼如下：

# 數(shù)字編碼表

word_index = keras.datasets.imdb.get_word_index（）

# 打印出編碼表的單詞和對(duì)應(yīng)的數(shù)字

for k，v in word_index.items（）：

print（k，v）

由于編碼表的鍵為單詞，值為 ID，這里翻轉(zhuǎn)編碼表，并添加標(biāo)志位的編碼 ID，代碼如下：

# 前面 4 個(gè) ID 是特殊位

word_index = {k：（v+3） for k，v in word_index.items（）}

word_index[""] = 0 # 填充標(biāo)志

word_index[""] = 1 # 起始標(biāo)志

word_index[""] = 2 # 未知單詞的標(biāo)志

word_index[""] = 3

# 翻轉(zhuǎn)編碼表

reverse_word_index = dict（[（value， key） for （key， value） in

word_index.items（）]）

對(duì)于一個(gè)數(shù)字編碼的句子，通過如下函數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串?dāng)?shù)據(jù)：

def decode_review（text）：

return ' '.join（[reverse_word_index.get（i， '？'） for i in text]

（四）模型設(shè)計(jì)

創(chuàng)建自定義的模型類MyRNN，繼承自Model基類，需要新建Embedding層，兩個(gè) RNN 層，分類網(wǎng)絡(luò)層，關(guān)鍵代碼如下：

class MyRNN（keras.Model）：

# Cell 方式構(gòu)建多層網(wǎng)絡(luò)

def __init__（self， units）：

super（MyRNN， self）.__init__（）

# [b， 64]，構(gòu)建 Cell 初始化狀態(tài)向量，重復(fù)使用

self.state0 = [tf.zeros（[batchsz， units]）]

self.state1 = [tf.zeros（[batchsz， units]）]

# 詞向量編碼 [b， 80] => [b， 80， 100]

self.embedding = layers.Embedding（total_words， embedding_len，

input_length=max_review_len）

# 構(gòu)建 2 個(gè) Cell，使用 dropout 技術(shù)防止過擬合

self.rnn_cell0 = layers.SimpleRNNCell（units， dropout=0.5）

self.rnn_cell1 = layers.SimpleRNNCell（units， dropout=0.5）

# 構(gòu)建分類網(wǎng)絡(luò)，用于將 CELL 的輸出特征進(jìn)行分類，2 分類

# [b， 80， 100] => [b， 64] => [b， 1]

self.outlayer = layers.Dense（1）

三、結(jié)論

情感分析無處不在，它是一種基于自然語言處理的分類技術(shù)。其主要解決的問題是給定一段話，判斷這段話是正面的還是負(fù)面的。當(dāng)需要大規(guī)模的情感分析時(shí)，肉眼的處理能力就變得十分有限了。情感分析的本質(zhì)就是根據(jù)已知的文字和情感符號(hào)，推測(cè)文字是正面的還是負(fù)面的。處理好了情感分析，可以大大提升人們對(duì)于事物的理解效率，也可以利用情感分析的結(jié)論為其他人或事物服務(wù)，比如不少基金公司利用人們對(duì)于某家公司、某個(gè)行業(yè)、某件事情的看法態(tài)度來預(yù)測(cè)未來股票的漲跌。

本文先介紹RNN循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及情感分類的相關(guān)概念和理論，然后通過一個(gè)真實(shí)案例介紹基于RNN循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行情感分類的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵代碼，通過運(yùn)行測(cè)試達(dá)到90%以上分類正確率，說明本文采用的情感分類的思想和方法是有效的，具有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閆濤. 深度學(xué)習(xí)算法實(shí)踐 [M]. 電子工業(yè)出版社出版社，2020.

[2] 李建明等.基于深度學(xué)習(xí)的工業(yè)自動(dòng)化包裝缺陷檢測(cè)方法[J]，包裝工程，2021（4）.

[3] 王曉華. TensorFlow 2.0卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn) [M]. 清華大學(xué)出版社出版社，2020.