关系提取简述

之前整理过一篇关于信息提取的笔记,也是基于大名鼎鼎的 SLP 第 18 章的内容,最近在做一个 chatbot 的 NLMLayer 时涉及到了不少知识图谱有关的技术,由于 NLMLayer 默认的输入是 NLU 的 output,所以实体识别(包括实体和类别)已经自动完成了。接下来最重要的就是实体属性和关系提取了,所以这里就针对这块内容做一个整理。

属性一般的形式是(实体,属性,属性值),关系的一般形式是(实体,关系,实体)。简单来区分的话,关系涉及到两个实体,而属性只有一个实体。属性提取的文章比较少,关系提取方面倒是比较成熟,不过这两者之间其实可以借鉴的。具体的一些方法其实这里已经提到不少了,这里单独提出来再梳理一遍。

关系提取方法

基于模板

这种方法比较简单,一般都是根据先验知识设计一些模式,然后在语料中匹配这些模式。举几个例子:

  • 马云作为企业家,对应的模式是:XX (?:作为|是) YY
  • 刘强东是京东的创始人,对应的模式是:XX (?:作为|是) YY 的? ZZ

这里的 XX YY 和 ZZ 自然就是前一步识别出来的实体了。

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基于句法分析

主要是找到主谓宾,一般都是在句法分析的基础上进行的。举几个例子:

  • 感冒是一种病,对应的句法结构为:感冒(SBV),是(Root),病(VOB)。
  • 王思聪是王健林的儿子,对应的句法结构为:王思聪(SBV),是(Root),王健林(ATT),儿子(VOB)

其中,SBV 是主谓关系,VOB 是动宾关系,ATT 是定中关系。

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基于机器学习

使用基本步骤如下:

  • (通常在一个句子中)寻找实体对
  • 判断实体对之间是否存在关系
  • 送到分类器判断关系的类别(预先定义好的)是什么

标准流程:

  • 预先定义好类别集合
  • 选择相关实体集合
  • 标注
  • 设计特征
  • 训练分类器
  • 评估结果

特征:

  • 词相关
  • 词法相关
  • 句法相关
  • 实体相关

之前那篇笔记里涉及的比较全面,而且现在几乎都是结合深度学习模型做了,这块就不再赘述了。

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基于深度学习

一般包括两种做法:Pipeline 和 Joint model,前者就是把实体识别和关系分类分开;后者一起做。

特征一般是基于 Word embedding,Position embedding,POS,NER,WordNet;模型一般都是基于 CNN,RNN。

  • 端到端目前最好的是基于 Bert 的,在此之前,最好的是 Wang et al. 2016 的 Multi-Attention CNN。
  • 关系分类最好的是 (Cai et al., 2016) 的 BRCNN(Bidirectional Recurrent Convolutional Neural Network)。

从论文的趋势看,端到端相对主流一些,不过对于我们的需求来说,关系分类更适合些。更多相关论文和模型可以进一步阅读 NLP-progress/relationship_extraction,这里就不贴那些论文的东西了。

基于半监督

半监督是利用少量高精度的 pattern 种子或种子 tuple 来 bootstrap 一个分类器。具体而言,在大规模语料中查找包含已有 pattern 实体对的句子,然后提取和归纳实体的上下文来学习新的 pattern。

还是举个栗子,比如我们有一个种子 tuple:(Queen,创作了,波西米亚狂想曲),然后可能找到了这些句子:

  • 波西米亚狂想曲是由 Queen 演唱的歌曲。
  • 波西米亚狂想曲是 Queen 最伟大的作品之一。
  • Queen 这首将近 6 分钟的波西米亚狂想曲包括四个部分。

进而可以提取出类似这样的一些 pattern:

  • (艺人,演唱,歌曲)
  • (歌曲,是,艺人,作品)
  • (艺人,作品,包括)

这些 pattern 又可以进一步寻找新的 pattern(把艺人和歌曲替换掉)。最终算法如下:

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function BOOTSTRAP(Relation R) returns new relation tuples
tuples←Gather a set of seed tuples that have relation R
iterate
sentences←find sentences that contain entities in tuples
patterns←generalize the context between and around entities in sentences
newpairs←use patterns to grep for more tuples
newpairs←newpairs with high confidence
tuples←tuples + newpairs
return tuples

Bootstrapping 系统会给新的 pattern 一个置信度以避免语义飘移。比如 “在演唱会现场粉丝的要求下,周杰伦不得不演唱了一首网络歌曲《学猫叫》”,(周杰伦,演唱,学猫叫)显然不是我们想要的。关于置信度的计算可以参考上面提到的笔记,对一个 pattern 主要考量两方面因素:pattern 在现有 tuple 上的 hits 和在整个 Documents 上的 finds。

基于远程监督

远程监督从大规模数据库中获取的大量种子中产生出许多带噪声的 pattern features,然后用一个分类器组合这些 pattern。

举个栗子,比如要学习 “出生地-出生日期” 关系,半监督的方法中,我们可能只有少量几个启动的种子,但是现在我们可以在 Wikipedia-based 数据库(比如 DBPedia 或 Freebase) 中获取大量包含 “出生地-出生日期” 的 tuple,比如(<Albert Einstein, Ulm>, <Hubble, Marshfield> 等等)。然后用命名实体工具提取包含两个实体并 match 给定 tuple 的句子:

  • Hubble 出生于 Marshfield
  • Einstein,生于 1879,Ulm
  • Hubble 的出生地是 Marshfield

可以从中提取训练集,一个训练实例对应一个(关系,实体1,实体2)。

  • <出生地, Edwin Hubble, Marshfield>
  • <出生地, Albert Einstein, Ulm>
  • <出生日期, Albert Einstein, 1879>

接下来可以用基于特征的分类器或直接使用神经网络分类器(不需要构建特征)。对于前者,可以从多个方面构建特征,比如实体 label,实体间单词、路径,相邻词等。每个 tuple 包括多个训练实例的特征,每个实例又可以从多个句子中获取词法和句法特征。最终的算法如下:

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function DISTANT SUPERVISION(Database D, Text T) returns relation classifier C
foreach relation R
foreach tuple (e1,e2) of entities with relation R in D
sentences←Sentences in T that contain e1 and e2
f←Frequent features in sentences
observations←observations + new training tuple (e1, e2, f, R)
C←Train supervised classifier on observations
return C

最终的分类器将会根据特征发现关系。

基于无监督

无监督关系提取的目的就是在没有标注数据,甚至没有任何关系列表的情况下从 Web 或大规模语料中提取关系。这个任务一般叫 open information extraction 或 Open IE,关系通常都是几个单词(常以动词开头)。

ReVerb 系统(类似项目:Open Information Extraction)从一个句子中提取关系一般包括四步:

  • 在句子上进行 POS 和实体识别。
  • 对句中每个动词,找到以动词开头并满足句法和词汇约束(合并相邻匹配项)的最长单词序列 w。
  • 对每个短语 w,找到最左边的名词短语 x(不是相对代词,wh-单词或 “there”),在右边找到最近的名词短语 y。
  • 使用置信度分类器(一个逻辑回归分类器)给关系 r=x, w, y) 一个置信度。

分类器是在 1000 个随机选择的句子上训练所得,首先提取关系,然后人工标注是否正确,最后训练分类器。使用到的一些特征如下(将提取到的关系及周围的词作为特征):

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(x,r,y) covers all words in s
the last preposition in r is for
the last preposition in r is on
len(s) ≤ 10
there is a coordinating conjunction to the left of r in s
r matches a lone V in the syntactic constraints
there is preposition to the left of x in s
there is an NP to the right of y in s

小结

方法 优点 缺点
模板 精准高,领域内可定制 召回低,耗时耗力
句法分析 构建简单 召回低,与句法结果相关
机器学习 数据相关时精准较高 特征工程较复杂,数据标注成本较高,训练数据敏感
深度学习 数据相关时精准高,泛化能力较好 数据标注成本很高,训练数据敏感
半监督 Bootstrapping 成本低,可以发现新关系 对初始种子敏感,语义飘移,准确率低
远程监督 精准高,训练数据不敏感,无语义飘移 依赖已有数据库
无监督 成本很低,容易实现 需转为权威格式存储,动词为中心的局限性

比赛

比赛最有名的大概就是 SemEval 2018 Task 10SemEval-2010 Task 8 了。前者是一个二分类任务,目的是识别给定属性能否区分两个给定的概念。

Attribute concept1 concept2 label
bookcase fridge wood 1
bucket mug round 0
angle curve sharp 1
pelican turtle water 0
wire coil metal 0

后者是关系分类任务,给定两个标记的 nominals,预测它们的关系和关系的方向。

There were apples, pears and oranges in the bowl.

(content-container, pears, bowl)

数据集

除了上面的两个比赛的数据集,还有以下一些数据集:

评价方法

评价指标还是以 F1 为主:

  • 属性判别是二分类任务,直接用 F1 评估。
  • 关系分类使用 Macro-averaged F1(9 个关系,不包括 OTHER,考虑关系方向)。
  • FewRel 主要是在 5-way-1-shot,5-way-5-shot,10-way-1-shot 和 10-way-5-shot 几个任务上的准确率。
  • NYT 主要使用 N 个结果的精准率或 PR 图。
  • TACRED 使用 Micro-averaged F1(不包括 no_relation type)。

更多资源

CrowdTruth Corpus 相关:

其他资源:

参考资料: