尝试用bert做文本聚类

偏执的太偏执、 2023-02-17 13:26 121阅读 0赞

## 尝试用bert做文本聚类 ##

以前文本聚类多以TF-IDF构建词权重的方法进行，在本文中尝试用bert提取的向量做文本聚类。对于bert模型，尝试提取不同层的特征，尝试对bert做fun-tune，观察相应特征对应的文本聚类的效果

**数据**

数据使用的是百度2020语言比赛的数据，该数据是标注并分类好的，所以在聚类的情况下，省去了聚类时对k值的搜索，同时可以可以根据标注好的数据和聚类得到的数据比较，从侧面评价聚类的效果

下载地址

[https://pan.baidu.com/s/1hIiGutDm73vo7lw31H-tfw][https_pan.baidu.com_s_1hIiGutDm73vo7lw31H-tfw] 提取码 4gqn

**工具和环境**

python3 ，bert4keras 0.7.5

强烈推荐苏剑林大佬的bert4keras [https://github.com/bojone/bert4keras][https_github.com_bojone_bert4keras]

**使用bert提取特征**

from bert4keras.backend import keras
    from bert4keras.models import build_transformer_model
    from bert4keras.tokenizers import Tokenizer
    import numpy as np
    
    config_path = '/root/kg/bert/chinese_L-12_H-768_A-12/bert_config.json'
    checkpoint_path = '/root/kg/bert/chinese_L-12_H-768_A-12/bert_model.ckpt'
    dict_path = '/root/kg/bert/chinese_L-12_H-768_A-12/vocab.txt'
    
    tokenizer = Tokenizer(dict_path, do_lower_case=True)  # 建立分词器
    model = build_transformer_model(config_path, checkpoint_path)  # 建立模型，加载权重
    
    # 编码测试
    token_ids, segment_ids = tokenizer.encode(u'语言模型')
    
    
    print('\n ===== predicting =====\n')
    
    print(model.predict([np.array([token_ids]), np.array([segment_ids])]))
    
    """
    输出：
    [[[-0.63251007  0.2030236   0.07936534 ...  0.49122632 -0.20493352
        0.2575253 ]
      [-0.7588351   0.09651865  1.0718756  ... -0.6109694   0.04312154
        0.03881441]
      [ 0.5477043  -0.792117    0.44435206 ...  0.42449304  0.41105673
        0.08222899]
      [-0.2924238   0.6052722   0.49968526 ...  0.8604137  -0.6533166
        0.5369075 ]
      [-0.7473459   0.49431565  0.7185162  ...  0.3848612  -0.74090636
        0.39056838]
      [-0.8741375  -0.21650358  1.338839   ...  0.5816864  -0.4373226
        0.56181806]]]
    """

这段代码是bert4keras的示例代码，可以将 '语言模型' 这句话的特征提取出来，本文中采用下面两种方式作表征句向量

1 取特征第一个位置的向量作为句向量，即 model.predict(\[np.array(\[token\_ids\]), np.array(\[segment\_ids\])\])\[0\]\[0\]

2 对所有特征取平均作为句向量

**处理数据，得到数据集对应的词向量**

#! -*- coding: utf-8 -*-
    # 测试代码可用性: 提取特征
    
    from bert4keras.backend import keras
    from bert4keras.models import build_transformer_model
    from bert4keras.tokenizers import Tokenizer
    import numpy as np
    import json
    from keras.models import Model
    
    from bert4keras.backend import keras, K
    from bert4keras.models import build_transformer_model
    from bert4keras.tokenizers import Tokenizer
    from bert4keras.optimizers import Adam
    from bert4keras.snippets import sequence_padding, DataGenerator
    from bert4keras.snippets import open
    from bert4keras.layers import ConditionalRandomField
    from keras.layers import Dense
    from keras.models import Model
    from tqdm import tqdm
    from keras.layers import Dropout, Dense
    
    from keras_bert import extract_embeddings
    
    # 如果需要禁止GPU的话可以使用下面的环境变量 对于不同的系统可能为-1 或者 0
    # os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '-1' 
    
    config_path = 'D:/model/chinese_L-12_H-768_A-12/bert_config.json'
    checkpoint_path = 'D:/model/chinese_L-12_H-768_A-12/bert_model.ckpt'
    dict_path = 'D:/model/chinese_L-12_H-768_A-12/vocab.txt'
    
    
    def load_data(filename):
    
        D = []
        with open(filename,encoding='utf-8') as f:
            for l in f:
                l = json.loads(l)
                D.append(l['text'])
        return D
    
    if __name__ == "__main__":
            
    
        # 词向量获取方法 cls,mean,
        vector_name = 'cls'
        tokenizer = Tokenizer(dict_path, do_lower_case=True)  # 建立分词器
        model = build_transformer_model(config_path, checkpoint_path)  # 建立模型，加载权重
        maxlen = 70
    
        # 读取处理数据
        f1 = 'D:/cluster/data/train.json'
        res = load_data(f1)
        output = []
    
        print('开始提取')
    
        # 根据提取特征的方法获得词向量
        for r in res:
            token_ids, segment_ids = tokenizer.encode(r,max_length=maxlen)
    
            if vector_name == 'cls':
                cls_vector = model.predict([np.array([token_ids]), np.array([segment_ids])])[0][0]
                output.append(cls_vector)
            elif vector_name == 'mean':
                new = []
                vector = model.predict([np.array([token_ids]), np.array([segment_ids])])[0]
                for i in range(768):
                    temp = 0
                    for j in range(len(vector)):
                        temp += vector[j][i]
                    new.append(temp/(len(vector)))            
                output.append(new)
    
        print('保存数据')
        np.savetxt("text_vectors.txt",output)

如果设置提取方式为cls 取特征第一个位置的向量作为句向量 设置为mean 对所有特征取平均作为句向量 最后会将结果保存到txt文件中

**对数据聚类**

得到了我们想要的数据，我们就可以对他们聚类了，这里使用sklearn,分别用kmeans 和Birch聚类

from sklearn.cluster import KMeans
    from sklearn.cluster import Birch
    
    feature = np.loadtxt("text_vectors.txt")
    clf = KMeans(n_clusters=9)
    s = clf.fit(feature)
    kn_pre = clf.predict(feature)
    
    birch_pre = Birch(branching_factor=10, n_clusters = 9, threshold=0.5,compute_labels=True).fit_predict(feature

**聚类评估**

由于我们使用的数据是已经标注好的，我们可以对比聚类后的数据和原来标注数据，类似于从上帝视角去观察聚类的结果，当然也可以使用一些评价聚类效果的参数，比如calinski\_harabaz\_score

同时为了更深入的测试bert的聚类效果，尝试提取了bert倒数第2层，倒数第3层的特征。并且用了10%的语料进行了简单的fun-tune，即简单的分类微调，提取了fun-tune后的bert的特征 一起进行评估，结果如下

<table style="width:500px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>k-means</td> 
   <td>Birch</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bert-cls</td> 
   <td>0.38</td> 
   <td>0.32</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bert-mean&nbsp;</td> 
   <td>0.52</td> 
   <td>0.41</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bert倒数第二层cls</td> 
   <td>0.47</td> 
   <td>0.42</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bert倒数第二层mean</td> 
   <td>0.52</td> 
   <td>0.41</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bert- fun-tune-mean</td> 
   <td>0.93</td> 
   <td>0.93</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bert- fun-tune倒数第二层mean</td> 
   <td>0.91</td> 
   <td>0.91</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

图中分数为依据标注数据计算得到为聚类准确率，分数越大，表示模型聚类效果越好。

可以看到在这个任务中bert进行微调后得到的句向量求平均得到的特征，可以非常好的聚类，但是没有fun-tune的bert 特征聚类的效果一般，并不能直接使用。

**一些思考**

为什么bert-fun-tune后的特征会表现的这么好？

我们在用fun-tune之后 虽然fun-tune语料很小，但此时它也是一个能力非常强的分类模型，即使不用聚类的方法 直接让它对文本分类可能结果就非常的好。这时再做聚类似乎多此一举。但是我认为这个实验还是有意义的。依据著名的聚类假设:同类的文档相似度较大,而不同类的文档相似度较小。假如我们拿到一批大量的没有标注的数据，我们认为这个数据是可分类的，我们可以先观察它的小部分样本，简单按照我们期望的方向进行分类，分成比如 \['财经','产品行为','交往','其他'\]，用这个足够小的样本微调，再进行聚类，可能获得更好聚类效果。

是否bert的最后一层的效果是最好的？

最近看了一篇关于bert的论文 How to Fine-Tune Bert for Text Classification 其中有讨论了使用bert不同层 的分类效果，所以也尝试了一下。对于不同的语料不同的任务，这个问题可能有不同的答案。总体来说不同层的效果出入不大，大家可以都尝试一下。

**Github**

最后附上项目代码 [https://github.com/hgliyuhao/cluster][https_github.com_hgliyuhao_cluster]

微调后的bert权重

[https://pan.baidu.com/s/1TPIQBUPcsCDMvPXmx8d9sg][https_pan.baidu.com_s_1TPIQBUPcsCDMvPXmx8d9sg] 提取码 9f63

欢迎大家交流

[https_pan.baidu.com_s_1hIiGutDm73vo7lw31H-tfw]: https://pan.baidu.com/s/1hIiGutDm73vo7lw31H-tfw
[https_github.com_bojone_bert4keras]: https://github.com/bojone/bert4keras
[https_github.com_hgliyuhao_cluster]: https://github.com/hgliyuhao/cluster
[https_pan.baidu.com_s_1TPIQBUPcsCDMvPXmx8d9sg]: https://pan.baidu.com/s/1TPIQBUPcsCDMvPXmx8d9sg