基于HMM的中文分词

一、前言

  本文主要是基于隐马尔科夫模型对中文词进行分词。

二、HMM的理解

  HMM是一个统计模型，主要有HMM由初始状态概率分布π、状态转移概率分布A以及观测概率分布B确定，为了方便表达，把A, B, π 用 λ 表示，即：

            λ = (A, B, π)

  状态集合S：{B,M,E,S}，N=4

  π：初始状态概率分布，如{B:-0.26268660809250016, E:-3.14e+100, M:-3.14e+100, S:-1.4652633398537678}

  A：状态转移概率分布，N*N的矩阵如：{'S': {'S': 747969.0, 'E': 0.0, 'M': 0.0, 'B': 563988.0}, 'E': {'S': 737404.0, 'E': 0.0, 'M': 0.0, 'B': 651128.0}

  B：观测概率分布或者称为发射概率分布，隐藏状态到观测状态的混淆矩阵，M*N，如{'S': {'否': 10.0, '昔': 25.0, '直': 238.0, '六': 1004.0, '殖': 17.0, '仗': 36.0, '挪': 15.0, '朗': 151.0}}

O：输出序列

  需理解什么是隐藏状态和可见状态，隐藏状态从一个隐藏状态到下一个隐藏状态；可见状态是一个隐藏状态到可见状态的输出。

A、HMM有两个假设

  1、假设任意时刻t的状态只依赖于前一个时刻的状态，与其他时刻的状态和观测序列无关

  2、假设任意时刻的观测只依赖与该市可的马尔科夫的状态，与其他观测，状态无关。

B、HMM常见的解决三个问题

  1、已知λ和观测序列O = {o1,o2, ..., oT}，对观测序列的概率进行计算，即计算模型 λ 下观测序列O出现的概率P(O | λ)，是一种概率计算问题，常用前向-后向算法（关心概率和的问题）；

  2 、根据观测序列，参数λ求解，是一种学习问题，非监督学习算法，常用EM算法；

  3、已知λ观测序列O = {o1,o2, ..., oT}，对隐藏状态的最大序列进行预测，即计算给定观测序列条件概率P(I|O,  λ )最大的状态序列I，是一种预测/解码问题，监督学习算法，常用维特比算法，如中文分词（关心最大概率问题）；

C、HMM的概率计算问题算法的推导

  问题：已知HMM的参数 λ，和观测序列O = {o1, o2, ...,oT}，求P(O|λ)

  思路：列举所有可能状态长度为T的序列集合I={i1,i2,…,iT}，求解各个状态序列与观测状态的联合概率P(O,I|λ)，最后求解所有可能的状态序列求和∑P(O,I|λ)得到P(O|λ)；

  算法推导：

  P(O,I|λ) = P(O|I,λ)*P(I|λ)

  P(O|I,λ) 即对固定状态下，观测状态为O的概率：

对于P(I|λ)，

P(I|λ) = p(i1,i2,i3…iT|λ)

        = p(i1|λ)*p(i2|i1,λ)*p(i3…iT|λ)

        = P(i1 |λ)*P(i2 | i1, λ)*P(i3 | i2, λ)...P(iT | iT-1, λ)

  因此，

  最终得到

  但这个的时间复杂度是相当大的，因此提出了前向-后向算法（动态规划中的一个方法）进行改进，这儿不做详述。

  对于第三个问题，也就是本文所要进行的分词算法，只是将目标问题变成了从求和变成了求最大化的问题，因此利用了动态规划中的维特比算法，不做详述。

三、构建结构

四、分词的技术路线

五、实验

5.1 根据语料进行训练

class HmmTrain:
    def __init__(self):
        self.line_index = -1
        self.char_set = set()
    def int(self):# 初始化字典
        trans_dic = {}# 存储状态转移矩阵
        emit_dict = {} # 发射概率（状态->词语的条件概率）
        Count_dict = {} # 存储所有状态序列，用于归一化分母
        start_dict = {} # 存储状态的初始概率
        state_list = ['B','M','E','S']
 
        for state in state_list:
            trans_dic[state] = {}
            for state1 in state_list:
                trans_dic[state][state1] = 0.0
 
        for state in state_list:
            start_dict[state] = 0.0
            emit_dict[state] = {}
            Count_dict[state] = 0
 
        return trans_dic, emit_dict, start_dict, Count_dict
    '''保存模型'''
    def save_model(self,word_dict,model_path):
        f = open(model_path, 'w')
        f.write(str(word_dict))
        f.close()
 
    '''词语状态转换'''
    def get_word_status(self,word): # 根据词语，输出词语对应的SBME状态
        '''
        S:单字词
        B:词的开头
        M:词的中间
        E:词的末尾
        '''
        word_status = []
        if len(word) == 1:
            word_status.append('S')
        elif len(word) == 2:
            word_status = ['B', 'E']
        else:
            M_num = len(word) - 2
            M_list = ['M'] * M_num
            word_status.append('B')
            word_status.extend(M_list)
            word_status.append('E')
        return word_status
 
    '''基于人工标注语料库，训练发射概率，初始窗台，转移概率'''
    def train(self, train_filepath, trans_path, emit_path, start_path):
        trans_dict, emit_dict, start_dict, Count_dict  = self.int()
        for line in open(train_filepath):
            self.line_index +=1
 
            line = line.strip()
            if not line:
                continue
 
            char_list = []
            for i in range(len(line)):
                if line[i] == " ":
                    continue
                char_list.append(line[i])
            self.char_set = set(char_list) # 训练语料库中所有字的集和
 
            word_list = line.split(" ")
            line_status = [] # 统计状态序列
 
            for word in word_list:
                line_status.extend(self.get_word_status(word))
            if len(char_list) == len(line_status):
                for i in range(len(line_status)):
                    if i == 0: #如果只有一个词，则直接算作是初始概率
                        start_dict[line_status[0]] += 1 # start_dict 记录句子第一个字的状态，用于计算初始状态概率
                        Count_dict[line_status[0]] += 1 # 记录每一个状态的出现次数
                    else: # 统计上一个状态到下一个状态，两个状态之间的转移概率
                        trans_dict[line_status[i-1]][line_status[i]] += 1
                        Count_dict[line_status[i]] += 1
                        # 统计发射概率
                        if char_list[i] not in emit_dict[line_status[i]]:
                            emit_dict[line_status[i]][char_list[i]] = 0.0
                        else:
                            emit_dict[line_status[i]][char_list[i]] += 1 # 用于计算发射概率
            else:
                continue
 
        # 进行归一化
        for key in start_dict: # 状态的初始概率
            start_dict[key] = start_dict[key] *1.0 / self.line_index
        for key in trans_dict: # 状态转移概率
            for key1 in trans_dict[key]:
                trans_dict[key][key1] = trans_dict[key][key1] / Count_dict[key]
        for key in emit_dict: # 发射概率（状态->词语的条件概率）
            for word in emit_dict[key]:
                emit_dict[key][word] = emit_dict[key][word] /Count_dict[key]
        self.save_model(trans_dict,trans_path)
        self.save_model(emit_dict,emit_path)
        self.save_model(start_dict,start_path)
 
        return trans_dict,emit_dict,start_dict
 
5.2 对训练的语料进行预测
class HmmCut:
    def __init__(self):
        trans_path = './model/prob_trans.model'
        emit_path = './model/prob_emit.model'
        start_path = './model/prob_start.model'
        self.prob_trans = self.load_model(trans_path)
        self.prob_emit = self.load_model(emit_path)
        self.prob_start = self.load_model(start_path)
 
    '''加载模型'''
    def load_model(self, model_path):
        f = open(model_path, 'r')
        a = f.read()
        word_dict = eval(a)
        f.close()
        return word_dict
 
    '''verterbi算法求解'''
    def viterbi(self, obs, states, start_p, trans_p, emit_p):  # 维特比算法（一种递归算法）
        V = [{}]
        path = {}
        for y in states:
            V[0][y] = start_p[y] * emit_p[y].get(obs[0], 0)  # 在位置0，以y状态为末尾的状态序列的最大概率
            path[y] = [y]
 
        for t in range(1, len(obs)):
            V.append({})
            newpath = {}
            for y in states:
                state_path = ([(V[t - 1][y0] * trans_p[y0].get(y, 0) * emit_p[y].get(obs[t], 0), y0) for y0 in states if V[t - 1][y0] > 0])
                if state_path == []:
                    (prob, state) = (0.0, 'S')
                else:
                    (prob, state) = max(state_path)
                V[t][y] = prob
                newpath[y] = path[state] + [y]
 
            path = newpath  # 记录状态序列
        (prob, state) = max([(V[len(obs) - 1][y], y) for y in states])  # 在最后一个位置，以y状态为末尾的状态序列的最大概率
        return (prob, path[state])  # 返回概率和状态序列
 
    # 分词主控函数
    def cut(self, sent):
        prob, pos_list = self.viterbi(sent, ('B', 'M', 'E', 'S'), self.prob_start, self.prob_trans, self.prob_emit)
        seglist = list()
        word = list()
        for index in range(len(pos_list)):
            if pos_list[index] == 'S':
                word.append(sent[index])
                seglist.append(word)
                word = []
            elif pos_list[index] in ['B', 'M']:
                word.append(sent[index])
            elif pos_list[index] == 'E':
                word.append(sent[index])
                seglist.append(word)
                word = []
        seglist = [''.join(tmp) for tmp in seglist]
 
        return seglist

六、总结

本文主要是对hmm应用于中文分词进行知识归纳和理解，其思想可以用来对以后实际中遇到的问题进行一个思维模式的借鉴，其主要为对自己所学知识进行整理，用于记录自己所学的感悟。

七、参考资料

1、http://www.cnblogs.com/sddai/p/8475424.html

2、https://blog.csdn.net/continueoo/article/details/77893587

3、https://www.cnblogs.com/skyme/p/4651331.html

4、https://github.com/liuhuanyong/WordSegment/