用 TensorFlow 做个聊天机器人

上一次提到了不错的学习聊天机器人的资源，不知道小伙伴们有没有去学习呢。
自己动手做聊天机器人教程
我最近每天都会学一点，拿出解读来和大家分享一下。

本文结构：

• 1. 聊天机器人的架构简图
• 2. 用 TensorFlow 实现 Chatbot 的模型
• 3. 如何准备 chatbot 的训练数据
• 4. Chatbot 源码解读

1. 聊天机器人的架构简图

学习资源：
[自己动手做聊天机器人 九-聊天机器人应该怎么做]
(http://www.shareditor.com/blogshow/?blogId=73)

聊天机器人的工作流程大体为：提问－检索－答案抽取。

提问：就是要分析主人的问句中关键词，提问类型，还有真正想知道的东西。

检索：根据前一步的分析，去找答案。

答案抽取：找到的答案，并不能直接应用，还要整理成真正有用的，可以作为答案的回答。

涉及到的关键技术如图中所示。

看不清图的话，就是酱紫：

问句解析：
中文分词、词性标注、实体标注、概念类别标注、句法分析、语义分析、逻辑结构标注、指代消解、关联关系标注、问句分类、答案类别确定；

海量文本知识表示：
网络文本资源获取、机器学习方法、大规模语义计算和推理、知识表示体系、知识库构建

答案生成与过滤：
候选答案抽取、关系推演、吻合程度判断、噪声过滤

2. 用 TensorFlow 实现 Chatbot 的模型

之前有根据 Siraj 的视频写过一篇《自己动手写个聊天机器人吧》，
文章里只写了主函数的简单过程：Data－Model－Training，是用 Lua 实现的，详细的代码可以去他的 github 上学习

下面这篇文章是用 TensorFlow + tflearn 库 实现，在 建模， 训练 和 预测 等环节可以学到更多细节：

学习资源：自己动手做聊天机器人 三十八-原来聊天机器人是这么做出来的

两篇的共同点是都用了 Seq2Seq 来实现。

LSTM的模型结构为：

细节的话可以直接去看上面那篇原文，这里 po 出建立模型阶段简要的流程图和过程描述：

• 先将原始数据 300w chat 做一下预处理，即 切词，分为 问答对。

• 然后用 word2vec 训练出词向量，生成二进制的词向量文件。

作为 Input data X 传入下面流程：

• question 进入 LSTM 的 encoder 环节，answer 进入 decoder 环节，

• 分别生成 output tensor。

• 其中 decoder 是一个词一个词的生成结果，将所有结果加入到一个 list 中。

• 最后和 encoder 的输出，一起做为下一环节 Regression 的输入，并传入 DNN 网络。

3. 如何准备 chatbot 的训练数据

学习资源：
自己动手做聊天机器人 三十八-原来聊天机器人是这么做出来的

训练数据的生成过程如下：

• 首先在 input file 里读取每一行，并根据 ‘｜’ 拆分成 question 和 answer 句子。
• 每个句子，都将 word 通过 word2vec 转化成词向量。
• 每一句的向量序列都转化成相同维度的形式：self.word_vec_dim * self.max_seq_len
• 最后 answer 构成了 y 数据，question＋answer 构成了 xy 数据，再被投入到 model 中去训练：

model.fit(trainXY, trainY, n_epoch=1000, snapshot_epoch=False, batch_size=1)

代码如下：

def init_seq(input_file):
    """读取切好词的文本文件，加载全部词序列
    """
    file_object = open(input_file, 'r')
    vocab_dict = {}
    while True:
        question_seq = []
        answer_seq = []
        line = file_object.readline()
        if line:
            line_pair = line.split('|')
            line_question = line_pair[0]
            line_answer = line_pair[1]
            for word in line_question.decode('utf-8').split(' '):
                if word_vector_dict.has_key(word):
                    question_seq.append(word_vector_dict[word])
            for word in line_answer.decode('utf-8').split(' '):
                if word_vector_dict.has_key(word):
                    answer_seq.append(word_vector_dict[word])
        else:
            break
        question_seqs.append(question_seq)
        answer_seqs.append(answer_seq)
    file_object.close()

def generate_trainig_data(self):
        xy_data = []
        y_data = []
        for i in range(len(question_seqs)):
            question_seq = question_seqs[i]
            answer_seq = answer_seqs[i]
            if len(question_seq) < self.max_seq_len and len(answer_seq) < self.max_seq_len:
                sequence_xy = [np.zeros(self.word_vec_dim)] * (self.max_seq_len-len(question_seq)) + list(reversed(question_seq))
                sequence_y = answer_seq + [np.zeros(self.word_vec_dim)] * (self.max_seq_len-len(answer_seq))
                sequence_xy = sequence_xy + sequence_y
                sequence_y = [np.ones(self.word_vec_dim)] + sequence_y
                xy_data.append(sequence_xy)
                y_data.append(sequence_y)
        return np.array(xy_data), np.array(y_data)

4. Chatbot 源码解读

学习资源：
自己动手做聊天机器人 三十八-原来聊天机器人是这么做出来的

这篇文章在 github 上的源码：

提炼出步骤如下：

其中 2. 准备数据， 3. 建立模型 就是上文着重说的部分。

• 1. 引入包
• 2. 准备数据
• 3. 建立模型
• 4. 训练
• 5. 预测

1. 引入包

import sys
import math
import tflearn
import tensorflow as tf
from tensorflow.python.ops import rnn_cell
from tensorflow.python.ops import rnn
import chardet
import numpy as np
import struct

2. 准备数据

def load_word_set()
将 3000 万语料，分成 Question 和 Answer 部分，提取出 word。

def load_word_set():
    file_object = open('./segment_result_lined.3000000.pair.less', 'r')
    while True:
        line = file_object.readline()
        if line:
            line_pair = line.split('|')
            line_question = line_pair[0]
            line_answer = line_pair[1]
            for word in line_question.decode('utf-8').split(' '):
                word_set[word] = 1
            for word in line_answer.decode('utf-8').split(' '):
                word_set[word] = 1
        else:
            break
    file_object.close()

def load_vectors(input)
从 vectors.bin 加载词向量，返回一个 word_vector_dict 的词典，key 是词，value 是200维的向量。

def init_seq(input_file)
将 Question 和 Answer 中单词对应的词向量放在词向量序列中 question_seqs， answer_seqs。

def init_seq(input_file):
    """读取切好词的文本文件，加载全部词序列
    """
    file_object = open(input_file, 'r')
    vocab_dict = {}
    while True:
        question_seq = []
        answer_seq = []
        line = file_object.readline()
        if line:
            line_pair = line.split('|')
            line_question = line_pair[0]
            line_answer = line_pair[1]
            for word in line_question.decode('utf-8').split(' '):
                if word_vector_dict.has_key(word):
                    question_seq.append(word_vector_dict[word])
            for word in line_answer.decode('utf-8').split(' '):
                if word_vector_dict.has_key(word):
                    answer_seq.append(word_vector_dict[word])
        else:
            break
        question_seqs.append(question_seq)
        answer_seqs.append(answer_seq)
    file_object.close()

def vector_sqrtlen(vector)
用来求向量的长度。

def vector_sqrtlen(vector):
    len = 0
    for item in vector:
        len += item * item
    len = math.sqrt(len)
    return len

def vector_cosine(v1, v2)
用来求两个向量间的距离。

def vector_cosine(v1, v2):
    if len(v1) != len(v2):
        sys.exit(1)
    sqrtlen1 = vector_sqrtlen(v1)
    sqrtlen2 = vector_sqrtlen(v2)
    value = 0
    for item1, item2 in zip(v1, v2):
        value += item1 * item2
    return value / (sqrtlen1*sqrtlen2)

def vector2word(vector)
给定一个词向量，去 word－vector 字典中查找与此向量距离最近的向量，并记忆相应的单词，返回单词和 cosine 值。

def vector2word(vector):
    max_cos = -10000
    match_word = ''
    for word in word_vector_dict:
        v = word_vector_dict[word]
        cosine = vector_cosine(vector, v)
        if cosine > max_cos:
            max_cos = cosine
            match_word = word
    return (match_word, max_cos)

3. 建立模型

class MySeq2Seq(object)
在前两篇笔记中单独写了这两块。

def generate_trainig_data(self)
由 question_seqs， answer_seqs 得到 xy_data 和 y_data 的形式。

def model(self, feed_previous=False)
用 input data 生成 encoder_inputs 和带GO头的 decoder_inputs。
将 encoder_inputs 传递给编码器，返回一个输出(预测序列的第一个值)和一个状态(传给解码器)。
在解码器中，用编码器的最后一个输出作为第一个输入，预测过程用前一个时间序的输出作为下一个时间序的输入。

4. 训练

def train(self)
用 generate_trainig_data() 生成 X y 数据，传递给 上面定义的 model，并训练 model.fit，再保存。

    def train(self):
        trainXY, trainY = self.generate_trainig_data()
        model = self.model(feed_previous=False)
        model.fit(trainXY, trainY, n_epoch=1000, snapshot_epoch=False, batch_size=1)
        model.save('./model/model')
        return model

5. 预测

用 generate_trainig_data() 生成数据，用 model.predict 进行预测，predict 结果的每一个 sample 相当于一句话的词向量序列，每个 sample 中的每个 vector 在 word－vector 字典中找到与其最近的向量，并返回对应的 word，及二者间的 cosine。

if __name__ == '__main__':
    phrase = sys.argv[1]
    if 3 == len(sys.argv):
        my_seq2seq = MySeq2Seq(word_vec_dim=word_vec_dim, max_seq_len=max_seq_len, input_file=sys.argv[2])
    else:
        my_seq2seq = MySeq2Seq(word_vec_dim=word_vec_dim, max_seq_len=max_seq_len)
    if phrase == 'train':
        my_seq2seq.train()
    else:
        model = my_seq2seq.load()
        trainXY, trainY = my_seq2seq.generate_trainig_data()
        predict = model.predict(trainXY)
        for sample in predict:
            print "predict answer"
            for w in sample[1:]:
                (match_word, max_cos) = vector2word(w)
                #if vector_sqrtlen(w) < 1:
                #    break
                print match_word, max_cos, vector_sqrtlen(w)

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