1 命名实体识别模型介绍

诸如中文分词、词性标注、命名实体等问题均属于序列标签标注问题。经典的模型有HMM,MEMM,CRF模型，这些都是比较传统的方法，三种模型各有优劣，HMM模型假设观测独立，不依赖观测之间的序列特征，MEMM虽然加入了观测序列之间的跳转特征，但由于采用了局部归一化引入了标记偏置的问题，最后CRF采用全局归一化从而弥补了HMM和MEMM的缺点，但是计算量却比较大。
随着深度学习的兴起，将CNN和RNN模型应用到标签标注问题上，取得了不俗的结果。比较各模型的结果，一般来说, DNN之前，CRF的结果最好，应用中也最为广泛， DNN这把神器出来后，state-of-the-art的结果均已被DNN的各种模型占领。DNN重在特征的自学习，将DNN学习到的特征送入到CRF中是一个很自然的思路。下面介绍NeuroCRF命名实体识别模型，望文知义，就是神经网络+CRF的模型，这里的神经网络采用的是BI-LSTM网络，该模型的结果是我在实际测试中表现最好的。（CNN+CRF模型没有测试，听说表现不俗。）NeuroCRF的出处和代码见底部的链接。

---

1.1 LSTM 与 CRF融合

LSTM与CRF融合时，LSTM层负责特征提取(和所有的深度网络一样)，但也只是对输入数据X进行加工，未对输入数据X对应的输出标签y进行加工，因此在LSTM网络输出层追加一层CRF层，通过CRF层对标签之间的跳转特征进行加工，这里的CRF模型选用的是线性链CRF模型。

图1 LSTM+CRF

结合图1的表述来说。首先将输入数据X输入到Bi-LSMT网络中，网络的输出P的一行表示为某个word对应的每种tag的分值。将这个P送入到CRF层中，实际上所起的作用就是CRF中的状态特征或者发射特征，通过CRF学习的tag之间的跳转特征实际上就是状态转移特征。

1.1.1 Bi-LSTM的输出

直接上代码，如下
outputs, final_states = tf.nn.bidirectional_dynamic_rnn(lstm_cell["forward"], lstm_cell["backward"], input, dtype=tf.float32, sequence_length=sequence_length, initial_state_fw=initial_state["forward"], initial_state_bw=initial_state["backward"])
Bi-LSTM的输出包含两部分，outputs,final_states,其中outputs就是每个时间t时刻的输出h_t, final_states就是每个时间t时刻的记忆单元cell_t。这里网络的输出矩阵P只用到了outputs. 看了多个版本Bi-lstm的输出层的实现，各有千秋：
版本1
weight, bias = self.weight_and_bias(2 * args.rnn_size, args.class_size) output = tf.reshape(tf.transpose(tf.stack(outputs), perm=[1, 0, 2]), [-1, 2 * args.rnn_size]) prediction = tf.nn.softmax(tf.matmul(outputs, weight) + bias)
版本2
outputs = tf.reshape(outputs, [-1, num_units]) //输出层的学习参数 W = weight_init([num_units, D_label]) b = bias_init([D_label]) output = tf.matmul(outputs, W) + b // 损失 loss=tf.reduce_mean((output-labels)**2)
版本3
outputs = tf.nn.xw_plus_b(token_lstm_output_squeezed, W, b, name="output_before_tanh") outputs = tf.nn.tanh(outputs, name="output_after_tanh") scores = tf.nn.xw_plus_b(outputs, W, b, name="scores")

1.2 模型结构

图2 LSTM+CRF网络结构.png
Figure1描述了BiLSTM+CRF进行实体识别的一般网络结构：首先用word2vec或者Glove与训练好word embeddings 作为输入向量，送入到Bi-LSTM中，输出是经过Bi-LSTM网络编码后的包含上下文信息的新的词向量ci,最后将ci 送入到CRF层中，经过这一层学习到得到的分值为最终为每个word所打的标签对应的分值。
Figure2是在Figure1所示的网络结构上，对输入信息又加入一层character embeddings。 对于中文来说，character embeddings 应该是分词后的每个词包含的字对应的embeddings,比如对于“简书”，其对应的character embeddings 就是"简"，“书”对应的embeddings。在别的论文中看到有作者进一步对单个汉字进行拆分，比如"锦"，拆分成"钅"和"帛"，说是汉字的偏旁也是能够表达一些隐含信息的。

1.3 代码结构

图3 code-bilstm-crf

2 数据准备

2.1 数据标注方式说明

数据标注方式，对实体进行标注方式有两种，BIO和BIEOS。 B表示Beign, I 表示Internal, O表示Other, E表示End,S表示Single.举个例子，"第八 代 雅阁"的两种标注方式：

第八 B-MODEL
代 I-MODEL
雅阁 I-MODEL

和

第八 B-MODEL
代 I-MODEL
雅阁 E-MODEL

BIEOS的标注更为详细，模型的结果表现也优于BIO方式。
完整的数据格式如下，其中每一行是的第一个是要进行实体类别标注的词，第二个是词性，第三个是实体类别标注。

EU NNP B-ORG
rejects VBZ O
German JJ B-MISC
call NN  O
to TO O
boycott VB O
British JJ B-MISC
lamb NN O
. . O O

2.2 数据标注

由于没有专门的人员进行实体类别的标注，只能依靠自己，通过人工标注+程序，反复的校验。
实体类别有：汽车品牌(brand),车型(model),产品(product_name),公司(company_name),组织机构名(org_name),地点(location_name),人名(person_name),职位(title_name),其他(misc).
首先借助多个第三方实体识别工具，识别产品、公司、组织机构、地点、人名、职位等实体，在识别出的实体集中通过行业词典+word2vec的方式提取出车型和品牌。这一步主要得益于我们长期维护的一个行业词典。数据集中的实体及类别基本确定后，对数据集进行清洗，将数据集按照句子拆分，并分析句子中包含的实体个数和类别分布，去除包含实体少的句子，对数据集中的每个类别下的实体进行均衡，最后整理出大约10w条富含实体的句子。

3 模型结果展示和解读

以下是基于10w条进行进行训练和测试的结果。这里仅使用了words-level embeddings。

训练结果
processed 1306244 tokens with 252442 phrases; found: 252367 phrases; correct: 218323.
accuracy:  94.80%; precision:  86.51%; recall:  86.48%; FB1:  86.50
            BRAND: precision:  92.18%; recall:  89.24%; FB1:  90.68  18124
      COMPANYNAME: precision:  85.01%; recall:  85.05%; FB1:  85.03  32655
         JOBTITLE: precision:  90.20%; recall:  92.82%; FB1:  91.49  18333
         LOCATION: precision:  84.62%; recall:  86.69%; FB1:  85.64  33164
             MISC: precision:  97.58%; recall:  98.68%; FB1:  98.13  538
            MODEL: precision:  82.10%; recall:  88.95%; FB1:  85.39  55556
          ORGNAME: precision:  82.72%; recall:  79.73%; FB1:  81.20  11184
       PERSONNAME: precision:  86.79%; recall:  86.54%; FB1:  86.66  20972
      PRODUCTNAME: precision:  78.30%; recall:  62.89%; FB1:  69.75  20048
             TIME: precision:  95.64%; recall:  96.34%; FB1:  95.99  41793
测试结果
processed 47386 tokens with 9229 phrases; found: 9191 phrases; correct: 7943.
accuracy:  94.62%; precision:  86.42%; recall:  86.07%; FB1:  86.24
            BRAND: precision:  90.88%; recall:  89.45%; FB1:  90.16  746
      COMPANYNAME: precision:  84.79%; recall:  83.73%; FB1:  84.26  1190
         JOBTITLE: precision:  86.72%; recall:  88.57%; FB1:  87.63  670
         LOCATION: precision:  84.78%; recall:  86.47%; FB1:  85.62  1183
             MISC: precision: 100.00%; recall: 100.00%; FB1: 100.00  23
            MODEL: precision:  84.71%; recall:  87.35%; FB1:  86.01  2014
          ORGNAME: precision:  78.50%; recall:  75.75%; FB1:  77.10  386
       PERSONNAME: precision:  87.12%; recall:  84.87%; FB1:  85.98  792
      PRODUCTNAME: precision:  76.44%; recall:  66.75%; FB1:  71.27  662
             TIME: precision:  94.69%; recall:  96.07%; FB1:  95.38  1525

从结果来看，还是不错的，观察具体识别的结果，可以看到模型的学习能力还是很强大的，有些label标错了也能正确的识别出来。以下数据的第三列是标注结果，第四列是模型预测结果。

总结 v O O
： wm O O
近期 t O O
， wd O O
金杯 n B-MODEL B-MODEL
蒂阿兹 nz I-MODEL I-MODEL
、 wn O O
昌河 nz B-MODEL B-MODEL
M70 nx I-MODEL I-MODEL
、 wn O O
猎豹 v B-MODEL B-MODEL
CT7 nx I-MODEL I-MODEL
、 wn O O
长安 nz B-MODEL B-MODEL
CX70T nx I-MODEL I-MODEL
、 wn O O
起亚 nz B-BRAND B-MODEL
混动 n O I-MODEL
Niro nx B-PRODUCTNAME I-MODEL
极睿 nz I-PRODUCTNAME I-MODEL
、 wn O O
潍柴 nz B-MODEL B-MODEL
英致 nz I-MODEL I-MODEL
G3CVT nx I-MODEL I-MODEL
版 n I-MODEL I-MODEL
等 udeng O O
车型 n O O
相继 d O O
上市 vi O O
。 wj O O

Refs

• Marc-Antoine Rondeau， LSTM-Based NeuroCRFs for Named Entity Recognition
• Guillaume Lample，Neural Architectures for Named Entity Recognition
• Full-Rank Linear-Chain NeuroCRF for Sequence Labeling
• https://github.com/Franck-Dernoncourt/NeuroNER