240713_昇思学习打卡-Day25-LSTM+CRF序列标注（4）

最后一天咯，做第四部分。

BiLSTM+CRF模型

在实现CRF后，我们设计一个双向LSTM+CRF的模型来进行命名实体识别任务的训练。模型结构如下：

nn.Embedding -> nn.LSTM -> nn.Dense -> CRF

其中LSTM提取序列特征，经过Dense层变换获得发射概率矩阵，最后送入CRF层。具体实现如下：

# 定义双向LSTM结合CRF的序列标注模型
class BiLSTM_CRF(nn.Cell):
    def __init__(self, vocab_size, embedding_dim, hidden_dim, num_tags, padding_idx=0):
        """
        初始化BiLSTM_CRF模型。

        参数:
        vocab_size: 词汇表大小。
        embedding_dim: 词嵌入维度。
        hidden_dim: LSTM隐藏层维度。
        num_tags: 标签种类数量。
        padding_idx: 填充索引，默认为0。
        """
        super().__init__()
        # 初始化词嵌入层
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embedding_dim, padding_idx=padding_idx)
        # 初始化双向LSTM层
        self.lstm = nn.LSTM(embedding_dim, hidden_dim // 2, bidirectional=True, batch_first=True)
        # 初始化从LSTM输出到标签的全连接层
        self.hidden2tag = nn.Dense(hidden_dim, num_tags, 'he_uniform')
        # 初始化条件随机场层
        self.crf = CRF(num_tags, batch_first=True)

    def construct(self, inputs, seq_length, tags=None):
        """
        模型的前向传播方法。

        参数:
        inputs: 输入序列，形状为(batch_size, seq_length)。
        seq_length: 序列长度，形状为(batch_size,)。
        tags: 真实标签，形状为(batch_size, seq_length)，可选。

        返回:
        crf_outs: CRF层的输出，如果输入了真实标签则为损失值，否则为解码后的标签序列。
        """
        # 通过词嵌入层获取词向量表示
        embeds = self.embedding(inputs)
        # 通过双向LSTM层获取序列特征
        outputs, _ = self.lstm(embeds, seq_length=seq_length)
        # 通过全连接层转换LSTM输出到标签空间
        feats = self.hidden2tag(outputs)

        # 通过CRF层计算损失或解码
        crf_outs = self.crf(feats, tags, seq_length)
        return crf_outs

完成模型设计后，我们生成两句例子和对应的标签，并构造词表和标签表。

# 设置词嵌入维度和隐藏层维度
embedding_dim = 16
hidden_dim = 32

# 定义训练数据集，每条数据包含一个分词后的句子和相应的实体标签
training_data = [
    (
        "清 华 大 学 坐 落 于 首 都 北 京".split(),  # 分词后的句子
        "B I I I O O O O O B I".split()  # 相应的实体标签
    ),
    (
        "重 庆 是 一 个 魔 幻 城 市".split(),  # 分词后的句子
        "B I O O O O O O O".split()  # 相应的实体标签
    )
]

# 初始化词典，用于映射词到索引
word_to_idx = {}
# 添加特殊填充词到词典
word_to_idx['<pad>'] = 0
# 遍历训练数据，构建词到索引的映射
for sentence, tags in training_data:
    for word in sentence:
        # 如果词不在词典中，则添加到词典
        if word not in word_to_idx:
            word_to_idx[word] = len(word_to_idx)

# 初始化标签到索引的映射
tag_to_idx = {"B": 0, "I": 1, "O": 2}

len(word_to_idx)

接下来实例化模型，选择优化器并将模型和优化器送入Wrapper。

由于CRF层已经进行了NLLLoss的计算，因此不需要再设置Loss。

# 实例化BiLSTM_CRF模型，传入词汇表大小、词嵌入维度、隐藏层维度以及标签种类数量
model = BiLSTM_CRF(len(word_to_idx), embedding_dim, hidden_dim, len(tag_to_idx))

# 初始化随机梯度下降优化器，设置学习率为0.01，权重衰减为1e-4
optimizer = nn.SGD(model.trainable_params(), learning_rate=0.01, weight_decay=1e-4)

# 使用MindSpore的value_and_grad函数创建一个函数，它会同时计算模型的损失值和梯度
# 第二个参数设置为None表示不保留反向图，第三个参数是优化器的参数列表
grad_fn = ms.value_and_grad(model, None, optimizer.parameters)

def train_step(data, seq_length, label):
    """
    训练步骤函数，执行一次前向传播和反向传播更新模型参数。

    参数:
    data: 输入数据，形状为(batch_size, seq_length)。
    seq_length: 序列长度，形状为(batch_size,)。
    label: 真实标签，形状为(batch_size, seq_length)。

    返回:
    loss: 当前批次的损失值。
    """
    # 使用grad_fn计算损失值和梯度
    loss, grads = grad_fn(data, seq_length, label)
    # 使用优化器更新模型参数
    optimizer(grads)
    # 返回损失值
    return loss

将生成的数据打包成Batch，按照序列最大长度，对长度不足的序列进行填充，分别返回输入序列、输出标签和序列长度构成的Tensor。

def prepare_sequence(seqs, word_to_idx, tag_to_idx):
    """
    准备序列数据，包括填充和转换成张量。

    参数:
    seqs: 一个包含句子和对应标签的元组列表。
    word_to_idx: 词到索引的映射字典。
    tag_to_idx: 标签到索引的映射字典。

    返回:
    seq_outputs: 填充后的序列数据张量。
    label_outputs: 填充后的标签数据张量。
    seq_length: 序列的真实长度列表。
    """
    seq_outputs, label_outputs, seq_length = [], [], []
    # 获取最长序列长度
    max_len = max([len(i[0]) for i in seqs])

    for seq, tag in seqs:
        # 记录序列的真实长度
        seq_length.append(len(seq))
        # 将序列中的词转换为索引
        idxs = [word_to_idx[w] for w in seq]
        # 将标签转换为索引
        labels = [tag_to_idx[t] for t in tag]
        # 对序列进行填充
        idxs.extend([word_to_idx['<pad>'] for i in range(max_len - len(seq))])
        # 对标签进行填充，用'O'的索引填充
        labels.extend([tag_to_idx['O'] for i in range(max_len - len(seq))])
        # 添加填充后的序列和标签到列表
        seq_outputs.append(idxs)
        label_outputs.append(labels)

    # 将列表转换为MindSpore张量
    return ms.Tensor(seq_outputs, ms.int64), \
           ms.Tensor(label_outputs, ms.int64), \
           ms.Tensor(seq_length, ms.int64)

# 调用prepare_sequence函数处理训练数据，并获取处理后的数据、标签和序列长度
data, label, seq_length = prepare_sequence(training_data, word_to_idx, tag_to_idx)

# 打印处理后的数据、标签和序列长度的形状，以确认数据转换是否正确
print(data.shape, label.shape, seq_length.shape)

对模型进行预编译后，训练500个step。

训练流程可视化依赖tqdm库，可使用pip install tqdm命令安装。

from tqdm import tqdm

# 定义训练步骤的总数，用于进度条的设置
steps = 500

# 使用tqdm创建一个进度条，总进度为steps
with tqdm(total=steps) as t:
    for i in range(steps):
        # 执行单步训练，这里假设train_step是一个已定义的训练函数
        # 参数data为训练数据，seq_length为序列长度，label为标签
        loss = train_step(data, seq_length, label)
        
        # 更新进度条的附带信息，显示当前的损失值
        t.set_postfix(loss=loss)
        
        # 更新进度条，表示完成了一步训练
        t.update(1)

最后我们来观察训练500个step后的模型效果，首先使用模型预测可能的路径得分以及候选序列。

# 调用模型进行预测或评估，返回得分和历史记录
score, history = model(data, seq_length)

# 输出得分，用于查看模型的表现或决策
score

使用后处理函数进行预测得分的后处理。

predict = post_decode(score, history, seq_length)
predict

最后将预测的index序列转换为标签序列，打印输出结果，查看效果。

# 通过索引和标签的映射关系，构建标签到索引的反向映射
idx_to_tag = {idx: tag for tag, idx in tag_to_idx.items()}

def sequence_to_tag(sequences, idx_to_tag):
    """
    将序列中的索引转换为对应的标签。
    
    参数:
    sequences: 一个包含标签索引的序列列表。
    idx_to_tag: 一个字典，用于将索引映射到对应的标签。
    
    返回:
    一个列表，其中每个元素是输入序列中索引转换为标签后的结果。
    """
    # 初始化一个空列表，用于存储转换后的标签序列
    outputs = []
    # 遍历输入的序列列表
    for seq in sequences:
        # 对每个序列，将索引转换为标签，并添加到输出列表中
        outputs.append([idx_to_tag[i] for i in seq])
    # 返回转换后的标签序列列表
    return outputs

sequence_to_tag(predict, idx_to_tag)

打卡照片：