本文主要内容

• 简略介绍循环神经网络（RNN, Recurrent Neural Network），其中涉及单层RNN结构、多层RNN结构、双向RNN结构、双向RNN+Attention结构
• 使用RNN进行文本分类任务，并给出模型的定义代码
• 本文代码【 https://github.com/540117253/Chinese-Text-Classification 】

一、RNN概述

  循环神经网络RNN是特指一类专用于处理序列数据的模型，目前主流的RNN单元有LSTM(Long Short-Term Memory)和GRU(Gated Recurrent Unit)两种。相比最原始的RNN单元，LSTM通过增加记忆单元来缓解长序列数据训练时所产生的梯度消失问题，而GRU则是一种基于LSTM进行改进以进一步提升训练速度的变体单元。下文依次介绍单层RNN结构、多层RNN结构、双向RNN结构，这三种网络结构都可以根据实际需求来任意选择RNN单元（LSTM或GRU）。

1.1 单层RNN结构

图1 RNN（以LSTM为例）处理过程示意图

   假设给定一个句子 S = { w t } t = 1 N S=\{w_t\}^N_{t=1} S={ wt​}t=1N​ ，其中句子的长度为$N$个单词，句子中第$t$个单词为$w_t$。在RNN处理前，需要先将每个单词$w_t$映射为一个向量$x_t$进行表达，即得到 S = { x t } t = 1 N S=\{x_t\}^N_{t=1} S={ xt​}t=1N​。在RNN的处理过程中，是依照从前往后的次序进行处理，即从第一个单词$x_1$到第$t$个单词$x_t$的次序进行运算。图1以LSTM作为基本单元为例（GRU单元同理），展示了RNN处理一个句子 S = { x t } t = 1 N S=\{x_t\}^N_{t=1} S={ xt​}t=1N​的整体示意图。处理过程的公式描述如下：

$$f_t=\sigma (W_f[h_{t-1},x_t]+b_f)$$
$$i_t=\sigma (w_i[h_{t-1},x_t])+b_i$$
$$\tilde{C}=tanh(W_c[h_{t-1},x_t]+b_c)$$
$$C_t=f_t\ast C_{t-1}+i_t\ast \tilde{C}$$
$$o_t=\sigma (W_o[h_{t-1},x_t]+b_o)$$
$$h_t=o_t\ast tanh(C_t)$$

  上述公式描述了句子 S = { x t } t = 1 N S=\{x_t\}^N_{t=1} S={ xt​}t=1N​中第$t$个单词$x_t$（第$t$个时间步的输入）得到运算结果$h_t$（第$t$个时间步的输出）的完成过程。$[\cdot ]$表示拼接操作，$\sigma$表示sigmoid函数，$\ast$表示哈达玛积（Hadamard Product）。

图2 GRU结构示意图

  同样采用图1的结构，可以将LSTM单元替换为GRU单元，具体的GRU结构如图2所示。针对句子 S = { x t } t = 1 N S=\{x_t\}^N_{t=1} S={ xt​}t=1N​中第$t$个单词$x_t$，使用GRU计算出第$t$个时间步的输出$h_t$的过程可以描述为：

$$z_t=\sigma (W_z[h_{t-1},x_t])$$
$$r_t=\sigma (w_r[h_{t-1},x_t])$$
$$\widehat{h_t}=tanh(W[r_t\ast h_{t-1},x_t])$$
$$h_t=(1-z_t)\ast h_{t-1}+z_t\ast {\hat{h}}_t$$

1.2 多层RNN结构

图3 多层RNN结构（以LSTM为例）

  为了更全面细致地提取每个单词的信息，同样可以采取加深网络结构的方式堆叠多个RNN单元构建深层网络。多层RNN与单层RNN相似，同样是采取将一个句子 S = { x t } t = 1 N S=\{x_t\}^N_{t=1} S={ xt​}t=1N​从前往后的次序进行处理。与单层RNN的区别在于，多层RNN的第$n$层的第$t$个时间步的输入$x_t$就是第$n-1$层的第$t$个时间步的输出$h_t$。以LSTM为基本单元来搭建2层RNN为例，具体如图3所示（采用GRU为基本单元同理）。

1.3 双向RNN结构

  图4展示了双向RNN结构（以LSTM为例）。给定一个句子 S = { w t } t = 1 N S=\{w_t\}^N_{t=1} S={ wt​}t=1N​，其中句子的长度为$N$个单词，句子中第$t$个单词的向量为$w_t$。双向RNN是一种RNN网络结构，其将读入的序列（这里是一个句子）从前往后和从后往前同时处理，最终将前向和后向的隐状态拼接作为最终的隐状态。

图4 双向RNN结构（以LSTM为例）

$$\overrightarrow{h_t}=RNN({\overrightarrow{h}}_{t-1},w_t)$$
$$\overleftarrow{h_t}=RNN({\overleftarrow{h}}_{t+1},w_t)$$
$$h_t=[\overrightarrow{h_t},\overleftarrow{h_t}]$$

其中$RNN()$可以是LSTM单元或者是GRU单元，$[\cdot ]$表示拼接操作。

1.4 双向RNN+Attention 结构

  Attention机制的核心思想是赋予模型更关注与任务更相关的部分，而降低对任务次相关部分的关注程度。其原理可以看作为键值查询，通过用户给定的Query，来得到序列中与任务最相关位置的权值。

  在文本分类任务中，基于RNN结构的模型都是将序列处理后的最后一个隐状态作为分类依据。由于RNN能捕获序列中的序列信息，因此最后一个隐状态包含了整个句子的信息，能够较好地应对文本分类任务。

  但是，该句子为何被模型划分为该类别，我们不能直观地进行解释。为了提高分类结果的可解释性，这里采用Attention机制对句子序列中的每个位置都计算出一个注意力得分（权值），最终权值越高的位置表明对分类结果产生越重要的影响。

  假设一个句子序列 S = { w t } t = 1 N S=\{w_t\}^N_{t=1} S={ wt​}t=1N​进行RNN处理后，得到的序列为 H = { h t } t = 1 N H=\{h_t\}^N_{t=1} H={ ht​}t=1N​，其中作为最后一个位置隐状态$h_N$包含了整个序列的信息。这里$h_N$将作为Query，对序列中的各个位置进行计算，得到各个位置与$h_N$的关联度（与分类任务的关联度）。

$$query=W_q{h}_N+b_q$$
$$key=W_{k}H+b_k$$
$$attention=softmax(sum(W_a)tanh(keys+query))$$
$$outputs=attention\times H$$

  其中$\times$表示$H$按照attention得分加权求和，得到的$outputs$继续送入全连接层进行分类结果。

1.5 基于RNN的文本分类通用结构

  在文本分类任务中，基于RNN结构的模型都是将序列处理后的最后一个隐状态$H_N$作为分类依据。由于RNN能捕获序列中的序列信息，因此最后一个隐状态包含了整个句子的信息，能够较好地应对文本分类任务。

  因此，基于RNN的文本分类通用结构为：

二、RNN文本分类实例

2.1 数据集介绍

1. 下载地址:

  【https://github.com/skdjfla/toutiao-text-classfication-dataset 】

2. 格式:

6552431613437805063_!_102_!_news_entertainment_!_谢娜为李浩菲澄清网络谣言，之后她的两个行为给自己加分_!_佟丽娅,网络谣言,快乐大本营,李浩菲,谢娜,观众们

每行为一条数据，以_!_分割的个字段，从前往后分别是 新闻ID，分类code（见下文），分类名称（见下文），新闻字符串（仅含标题），新闻关键词

分类code与名称：

100 民生 故事 news_story
101 文化 文化 news_culture
102 娱乐 娱乐 news_entertainment
103 体育 体育 news_sports
104 财经 财经 news_finance
106 房产 房产 news_house
107 汽车 汽车 news_car
108 教育 教育 news_edu 
109 科技 科技 news_tech
110 军事 军事 news_military
112 旅游 旅游 news_travel
113 国际 国际 news_world
114 证券 股票 stock
115 农业 三农 news_agriculture
116 电竞 游戏 news_game

2.2 预训练词向量

预训练词向量使用的是，基于ACL-2018模型在百度百科训练的词向量。

下载地址：【 https://github.com/Embedding/Chinese-Word-Vectors 】

2.3 数据预处理

1. 清除无用字符，并且进行分词处理
2. 建立整个数据集的字典,key=word, value=词语的编号
3. 对进行截断或补0处理，确保每条样本的长度为maxlen
4. 序列化样本的标签，例如“体育类新闻”的类别编号为1，“娱乐类新闻”的类别编号为2
5. 将处理好的数据转化为DataFrame格式，并保存到硬盘

2.4 模型的定义

   该小节一共分别给出多层LSTM（Multi_LSTM）, 双向RNN（Bi_RNN）, 双向RNN+Attention（Bi_RNN_Attention）的代码定义。

2.4.1 Multi_LSTM

'''
    Text => Multi_Layer_LSTM => Fully_Connected => Softmax
'''
class Multi_LSTM:
    def __init__(self, rnn_output_dim, num_layers, embedded_size,
                 dict_size, maxlen, label_num, learning_rate):
        
        self.droput_rate = 0.5

        # print('model_Name:', 'Multi_LSTM')
        
        self.X = tf.placeholder(tf.int32, [None, maxlen], name='input_x')
        self.Y = tf.placeholder(tf.int64, [None])
        
        self.encoder_embeddings = tf.Variable(tf.random_uniform([dict_size, embedded_size], -1, 1), trainable=False)
        encoder_embedded = tf.nn.embedding_lookup(self.encoder_embeddings, self.X)
        
        rnn_cells = [keras.layers.LSTMCell(units=rnn_output_dim) for _ in range(num_layers)]
        outputs =keras.layers.RNN(rnn_cells,return_sequences=True, return_state=False)(encoder_embedded)
        outputs = tf.nn.dropout(outputs, keep_prob = self.droput_rate)
        
        self.logits = keras.layers.Dense(label_num, use_bias=True)(outputs[:,-1]) # 取出每条文本最后一个单词的隐藏层输出
        self.probability = tf.nn.softmax(self.logits, name='probability')
        
#         self.cost = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(logits = self.logits, labels = self.Y))
        self.cost = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(
                                                                    labels = self.Y, 
                                                                    logits = self.logits)
        self.cost = tf.reduce_mean(self.cost)
        self.optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate = learning_rate).minimize(self.cost)
        self.pre_y = tf.argmax(self.logits, 1, name='pre_y')
        correct_pred = tf.equal(self.pre_y, self.Y)
        self.accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))

2.4.2 Bi_RNN

'''
    Text => Bidirectional GRU or LSTM => Fully_Connected => Softmax
'''
class Bi_RNN:
    def __init__(self, rnn_output_dim, embedded_size,
                 dict_size, maxlen, label_num, learning_rate, rnn_type):
        
        self.droput_rate = 0.5

        # print('model_Name:', 'Bi_RNN')

        '''
            Process the Reviews with Bi-RNN
        '''
        def bi_rnn(rnn_type, inputs, rnn_output_dim):
            if rnn_type == 'gru':
                h = keras.layers.Bidirectional(
                              keras.layers.GRU(rnn_output_dim,return_sequences=True,unroll=True),
                              merge_mode='concat'
                       )(inputs) 

            elif rnn_type == 'lstm' :
                h = keras.layers.Bidirectional(
                              keras.layers.LSTM(rnn_output_dim,return_sequences=True,unroll=True),
                              merge_mode='concat'
                       )(inputs)
            return h # shape= (None, u_n_words, 2*rnn_output_dim) or # shape(H_d) = (None, i_n_words, 2*rnn_output_dim)
        
        self.X = tf.placeholder(tf.int32, [None, maxlen], name='input_x')
        self.Y = tf.placeholder(tf.int64, [None])
        
        self.encoder_embeddings = tf.Variable(tf.random_uniform([dict_size, embedded_size], -1, 1), trainable=False)
        encoder_embedded = tf.nn.embedding_lookup(self.encoder_embeddings, self.X)

        outputs = bi_rnn(rnn_type = rnn_type, inputs = encoder_embedded, rnn_output_dim = rnn_output_dim)
        
        outputs = tf.nn.dropout(outputs, keep_prob = self.droput_rate)
 
        self.logits = keras.layers.Dense(label_num, use_bias=True)(outputs[:,-1]) # 取出每条文本最后一个单词的隐藏层输出
        self.probability = tf.nn.softmax(self.logits, name='probability')

        self.cost = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(
                                                                    labels = self.Y, 
                                                                    logits = self.logits)
        self.cost = tf.reduce_mean(self.cost)
        self.optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate = learning_rate).minimize(self.cost)
        self.pre_y = tf.argmax(self.logits, 1, name='pre_y')
        correct_pred = tf.equal(self.pre_y, self.Y)
        self.accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))

2.4.3 Bi_RNN_Attention

'''
    Text => Bidirectional GRU or LSTM => Word_Attention => Fully_Connected => Softmax
'''
class Bi_RNN_Attention:
    def __init__(self, rnn_output_dim, embedded_size,
                 dict_size, maxlen, label_num, learning_rate, attention_size, rnn_type):
        
        self.droput_rate = 0.5

        # print('model_Name:', 'Bi_RNN_Attention')

        '''
            Process the Reviews with Bi-RNN
        '''
        def bi_rnn(rnn_type, inputs, rnn_output_dim):
            if rnn_type == 'gru':
                h = keras.layers.Bidirectional(
                              keras.layers.GRU(rnn_output_dim,return_sequences=True,unroll=True),
                              merge_mode='concat'
                       )(inputs) 

            elif rnn_type == 'lstm' :
                h = keras.layers.Bidirectional(
                              keras.layers.LSTM(rnn_output_dim,return_sequences=True,unroll=True),
                              merge_mode='concat'
                       )(inputs)
            return h # shape= (None, u_n_words, 2*rnn_output_dim) or # shape(H_d) = (None, i_n_words, 2*rnn_output_dim)
        
        self.X = tf.placeholder(tf.int32, [None, maxlen], name='input_x')
        self.Y = tf.placeholder(tf.int64, [None])
        
        self.encoder_embeddings = tf.Variable(tf.random_uniform([dict_size, embedded_size], -1, 1), trainable=False)
        encoder_embedded = tf.nn.embedding_lookup(self.encoder_embeddings, self.X)

        outputs = bi_rnn(rnn_type = rnn_type, inputs = encoder_embedded, rnn_output_dim = rnn_output_dim) # shape = [None, maxlen, rnn_output_dim] 
        
        outputs = tf.nn.dropout(outputs, keep_prob = self.droput_rate)

        '''
            Word Attention Layer
        '''
        attention_w = tf.get_variable("attention_v", [attention_size], tf.float32)
        query = keras.layers.Dense(attention_size)(tf.expand_dims(outputs[:,-1], 1)) # shape =[None, 1, attention_size]
        keys = keras.layers.Dense(attention_size)(outputs) # shape = [None, maxlen, attention_size]
        self.attention = tf.reduce_sum(attention_w * tf.tanh(keys + query), 2) # shape = [None, maxlen]
        self.attention = tf.nn.softmax(self.attention, name='attention')
        outputs = tf.squeeze(
                                tf.matmul(
                                    tf.transpose(outputs, [0, 2, 1]),tf.expand_dims(self.attention, 2)
                                ), # shape = [None, rnn_output_dim, 1]
                            2) # shape = [None, rnn_output_dim]

        self.logits = keras.layers.Dense(label_num, use_bias=True)(outputs)
        self.probability = tf.nn.softmax(self.logits, name='probability')

        self.cost = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(
                                                                    labels = self.Y, 
                                                                    logits = self.logits)
        self.cost = tf.reduce_mean(self.cost)
        self.optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate = learning_rate).minimize(self.cost)
        self.pre_y = tf.argmax(self.logits, 1, name='pre_y')
        correct_pred = tf.equal(self.pre_y, self.Y)
        self.accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_pred, tf.float32))

2.5 训练模型

1. 将预处理好的数据集切分为80%的训练集，10%作为验证集，10%作为测试集
2. 选定Multi_LSTM, Bi_RNN, Bi_RNN_Attention其中一个模型
3. 每使用一次训练集进行训练后，就使用验证集进行测试。
4. 当验证集的准确率连续下降5次，就停止步骤3，然后使用测试集的结果作为模型的最终性能。