Мастер-класс

DeepPavlov: "Keras" для обработки естественного языка помогает отвечать на вопросы про COVID

В такой области глубокого обучения, как обработка изображений, библиотека Keras играет ключевую роль, радикально упрощая как обучение transfer learning, так и использование предварительно обученных моделей. В области обработки естественного языка (NLP) возникает другая специфика, когда для решения достаточно сложных задач, таких как ответы на вопросы или классификация намерений, приходится комбинировать серию моделей. В этой статье мы расскажем про библиотеку Deep Pavlov, упрощающую построение цепочек моделей для NLP, и построим с её помощью и с помощью Azure ML вопросно-ответную нейросеть, обученную на наборе данных COVID.

За последние пару лет мы стали свидетелями значительного прогресса во многих задачах, связанных с обработкой естественного языка, в основном благодаря новым архитектурам, таким как трансформеры и BERT. BERT, например, может эффективно использоваться в задачах классификации текста, извлечения именованных сущностей, контекстного прогнозирования маскированных слов и ответов на вопросы.

Обучение модели BERT с нуля очень ресурсоемко, поэтому большинство приложений используют предварительно обученные модели, либо в качестве извлекателей признаков, либо для более тонкого дообучения. Часто бывает так, что исходная задача обработки естественного языка, которую мы решаем, может быть разложена на последовательность из более простых шагов, одним из которых может быть извлечение признаков, другим - токенизация, применение TF-IDF ранжирования к набору документов или (на последнем этапе) обычная классификация.

Эту последовательность можно рассматривать как конвейер, каждый этап в котором реализуется различными нейросетевыми моделями. Взяв за пример задачу классификации текста, мы можем выделить следующие этапы:

  • препроцессор BERT, который извлекает признаки
  • классификатор, который определяет класс документа

Эта серия шагов может быть объединена в одну нейронную архитектуру и обучена на наборе текстовых данных.

Библиотека DeepPavlov

DeepPavlov как раз и позволяет строить и обучать такие конвейеры нейросетевых моделей. Её стоит использовать по ряду причин:

  • Поставляется с предварительно обученными моделями
  • Позволяет декларативно описывать конвейер обработки текста как последовательность шагов, используя config-файлы
  • Предоставляет ряд предопределенных конфигов, которые можно использовать для решения типовых задач
  • Можно выполнять обучение конвейера и применять его посредством Python SDK или из интерфейса командной строки

Библиотека поддерживает несколько способов взаимодействия с NLP моделями. Существует возможность запускать ее в режиме REST API или в качестве коннектора для [Microsoft Bot Framework][BotFramework]. Но мы в этой статье сосредоточимся на основной функциональности, которая делает библиотеку DeepPavlov столь же полезной для обработки естественного языка, как Keras для обработки изображений.

Познакомиться с основной функциональностью DeepPavlov проще всего с помощью веб-демонстрации на demo.deeppavlov.ai.

BERT классификация с использованием DeepPavlov

Вернемся к задаче классификации текста с использованием BERT. DeepPavlov содержит несколько предобучанных конфигураций для этой задачи, например, классификация настроений в Twitter. В этом файле раздел chainer описывает конвейер, который состоит из следующих шагов:

  • simple_vocab используется для преобразования ожидаемого вывода (y), который является именем класса, в числовой идентификатор (y_ids)
  • transformers_bert_preprocessor принимает входной текст x и выдает набор данных для последующей сети BERT
  • transformers_bert_embedder создает BERT-эмбеддинги для входного текста
  • one_hotter кодирует y_ids в one-hot encoding, необходимое для финального слоя классификатора
  • keras_classification_model - модель классификации, представляющая собой многослойную CNN с определенными параметрами
  • proba2labels - финальный слой, преобразующий выходные данные сети в соответствующую метку

В конфигурации также определяются:

  • в разделе dataset_reader - описание формата и пути к входным данным,
  • в разделеtrain - параметры обучения,
  • а также некоторый другие характеристики.

Определилив конфигурацию, мы можем обучить соответствующий конвейер из командной строки следующим образом:

python -m deeppavlov install sentiment_twitter_bert_emb.json
python -m deeppavlov download sentiment_twitter_bert_emb.json
python -m deeppavlov train sentiment_twitter_bert_emb.json

Команда install устанавливает все необходимые зависимости (например, Keras, transformers и т.д.), download скачивает все необходимые файлы предварительно обученных моделей, а последняя строка непосредственно выполняет обучение.

Как только модель обучилась, мы можем взаимодействовать с ней с помощью командной строки:

python -m deeppavlov interact sentiment_twitter_bert_emb.json

Также можно использовать обученную модель с помощью Python SDK:

model = build_model(configs.classifiers.sentiment_twitter_bert_emb)
result = model(["This is input tweet that I want to analyze"])

Ответы на вопросы на открытом домене: ODQA

Одна из наиболее интересных задач, которую можно реализовать с помощью архитектуры BERT, называется Ответы на вопросы на открытом домене или, если коротко, ODQA (Open Domain Question Answering). ODQA в идеале должен давать конкретные ответы на общие вопросы по большому объему текстового материала, наподобие Wikipedia. Основная проблема связана с тем, что мы ссылаемся не на один единственный документ, а на очень обширную область знаний, а сеть BERT способна генерировать ответы по достаточно коротким документам.

Для решения этой проблемы, ODQA чаще всего работает в два этапа:

  • Сначала отдельная модель пытается найти наиболее подходящий к запросу документ из коллекции, т.е. решается задача поиска
  • Затем найденный документ обрабатывается с помощью BERT-модели, чтобы получить конкретный ответ из него - решается задача машинного понимания.

Picture from DeepPavlov Blog

Подробное руководство по реализации ODQA с помощью DeepPavlov [содержится в блоге DeepPavlov] (https://medium.com/deeppavlov/open-domain-question-answering-with-deeppavlov-c665d2ee4d65), однако для реализации второго этапа в описанном примере используется R-NET, а не BERT. Как мы увидим, это не даёт достаточно хороших результатов, поэтому в этой заметке мы опишем ODQA на основе BERT. В качестве “подопытного” датасета будем использовать COVID-19 OpenResearch Dataset, который содержит более 52 000 научных статей по COVID-19. Это позволит нам построить нейросетевую модель, которая умеет отвечать на вопросы про коронавирус.

Получение данных с помощью Azure ML

Для обучения мы будем использовать Azure Machine Learning, в частности имеющиеся в её составе Notebooks. Самый простой способ получить данные в AzureML - создать Dataset. Все доступные в исходном датасете COVID данные можно найти на странице Semantic Scholar. Мы будем использовать некоммерческую выборку, расположенную здесь в виде упакованного набора JSON-документов.

Для начала определим Azure ML Dataset. Проще всего это сделать через Azure ML Portal, перейти в раздел Datasets и выбрать создание нового датасета from web files. В качестве типа выберем file, поскольку данные в нашем случае слабо структурированы. В случае файлов табличного формата мы могли бы выбрать tabular, и сразу получить табличное представление. В заключение создания датасета мы вводим URL, по которому набор находится в интернет.

COVID DataSet

Файловый датасет, который мы определили, содержит в себе запакованные данные. Чтобы подготовить их к использованию, нам потребуется notebook и compute, на котором мы будем выполнять вычисления. Поскольку задача ODQA довольно затратна и требуется много памяти, я сразу рекомендую создать в Azure ML вычислительный узел на основе виртуальной машины типа NC12 с 112 Гб оперативной памяти. Процесс создания вычислительного ресурса и ноутбука описан здесь.

Для доступа к датасету нам потребуется следующий код:

from azureml.core import Workspace, Dataset
workspace = Workspace.from_config()
dataset = Dataset.get_by_name(workspace, name='COVID-NC')

Датасет содержит один сжатый файл .tar.gz. Чтобы распаковать его, мы смонтируем датасет как каталог и выполним команду UNIX:

mnt_ctx = dataset.mount('data')
mnt_ctx.start()
!tar -xvzf ./data/noncomm_use_subset.tar.gz
mnt_ctx.stop()

Теперь все данные распакованы в наше текущее хранилище. Весь текст содержится в каталоге noncomm_use_subset в виде файлов .json, которые содержат абстракт и полный текст статьи в полях abstract и body_text. Чтобы извлечь только текст в отдельный файл, исполним следующий несложный Python-код:

from os.path import basename
def get_text(s):
    return ' '.join([x['text'] for x in s])
 
os.makedirs('text',exist_ok=True)
 
for fn in glob.glob('noncomm_use_subset/pdf_json/*'):
    with open(fn) as f:
        x = json.load(f)
    nfn = os.path.join('text',basename(fn).replace('.json','.txt'))
    with open(nfn,'w') as f:
        f.write(get_text(x['abstract']))
        f.write(get_text(x['body_text']))

Теперь мы имеем каталог с именем text, содержащий все статьи в текстовом виде. Избавимся от оригинального каталога:

!rm -fr noncomm_use_subset

Настройка модели ODQA

Прежде всего, давайте настроим предварительно обученную модель ODQA от DeepPavlov. Загрузим конфигурацию с именем en_odqa_infer_wiki:

import sys
!{sys.executable} -m pip --quiet install deeppavlov
!{sys.executable} -m deeppavlov install en_odqa_infer_wiki
!{sys.executable} -m deeppavlov download en_odqa_infer_wiki

Загрузка занимает довольно много времени. За это время вы поймете, как вам повезло, что вы используете облачные ресурсы, а не свой собственный компьютер. Загрузка в облако происходит намного быстрее!

Чтобы взаимодействовать с моделью, нам просто нужно построить модель из файла конфигурации и задать вопрос:

from deeppavlov import configs
from deeppavlov.core.commands.infer import build_model
odqa = build_model(configs.odqa.en_odqa_infer_wiki)
answers = odqa([ "Where did guinea pigs originate?",
                 "When did the Lynmouth floods happen?" ])

В ответ мы получим:

['Andes of South America', '1804']

В данном случае мы используем модель, обученную на тексте Wikipedia. Поэтому мы можем задавать достаточно общие вопросы, и можем попробовать спросить о коронавирусе:

  • What is coronavirus? – a strain of a particular virus
  • What is COVID-19? – nest on roofs or in church towers
  • Where did COVID-19 originate? – northern coast of Appat
  • When was the last pandemic? – 1968

Конечно, далеко от идеала… Эти ответы взяты из старого текста Википедии, на котором обучалась исходная модель, поэтому она ничего не знает про текущую эпидемию. Теперь наша задача - переучить модель на наших собственных данных.

Обучение модели на собственных данных

Для обучения нам необходимо обучить ранжирующую модель (ranker), чтобы она генерировала ссылки на правильные документы. Процесс обучения на собственных данных описан в блоге DeepPavlov. Поскольку модель ODQA использует модель en_ranker_tfidf_wiki, мы можем загрузить ее конфигурацию отдельно и заменить путь data_path, который указывает на путь, где находятся файлы данных модели:

from deeppavlov.core.common.file import read_json
model_config = read_json(configs.doc_retrieval.en_ranker_tfidf_wiki)
model_config["dataset_reader"]["data_path"] = os.path.join(os.getcwd(),"text")
model_config["dataset_reader"]["dataset_format"] = "txt"
model_config["train"]["batch_size"] = 1000

Мы также уменьшаем размер батча, иначе процесс обучения не поместится в памяти.

Теперь обучим модель и посмотрим, как она работает:

doc_retrieval = train_model(model_config)
doc_retrieval(['hydroxychloroquine'])

Эта команда позволяет получить полный список файлов, которые имеют отношение к указанному ключевому слову.

Теперь запустим актуальную модель ODQA и посмотрим, как она работает:

# Download all the SQuAD models
squad = build_model(configs.squad.multi_squad_noans_infer, download = True)
# Do not download the ODQA models, we've just trained it
odqa = build_model(configs.odqa.en_odqa_infer_wiki, download = False)
odqa(["what is coronavirus?","is hydroxychloroquine suitable?"])

В ответ мы получим:

['an imperfect gold standard for identifying King County influenza admissions',
 'viral hepatitis']

Все еще не идеально…

Использование BERT для Q&A

DeepPavlov имеет две предобученные модели для ответов на вопросы, обученные на Stanford Question AnsweringDataset (SQuAD): R-NET и BERT. В предыдущем примере использовалась модель с R-NET. Теперь мы переключим ее на BERT. Конфигурация squad_bert_infer является хорошей отправной точкой для построение вопрос-ответной модели на основе BERT:

!{sys.executable} -m deeppavlov install squad_bert_infer
bsquad = build_model(configs.squad.squad_bert_infer, download = True)

Если посмотреть на файл конфигурации ODQA, то следующая его часть отвечает за ответы на вопросы:

{
   "class_name": "logit_ranker",
   "squad_model": 
    {"config_path": ".../multi_squad_noans_infer.json"},
   "in": ["chunks","questions"],
   "out": ["best_answer","best_answer_score"]
}

Изначально используется модель, задаваемая конфигурационным файлом multi_squad_noans_infer. Чтобы изменить механизм ответа на вопрос в модели ODQA, необходимо просто заменить поле squad_model в конфигурации на squad_bert_infer:

odqa_config = read_json(configs.odqa.en_odqa_infer_wiki)
odqa_config['chainer']['pipe'][-1]['squad_model']['config_path'] = 
                    '{CONFIGS_PATH}/squad/squad_bert_infer.json'

Теперь попробуем взаимодействовать с моделью точно так же, как делали раньше:

odqa = build_model(odqa_config, download = False)
odqa(["what is coronavirus?",
      "is hydroxychloroquine suitable?",
      "which drugs should be used?"])

Ниже приведены некоторые вопросы и ответы, полученные с помощью обновленной модели:

ВопросОтвет
what is coronavirus?respiratory tract infection
is hydroxychloroquine suitable?well tolerated
which drugs should be used?antibiotics, lactulose, probiotics
what is incubation period?3-5 days
is patient infectious during incubation period?MERS is not contagious
how to contaminate virus?helper-cell-based rescue system cells
what is coronavirus type?enveloped single stranded RNA viruses
what are covid symptoms?insomnia, poor appetite, fatigue, and attention deficit
what is reproductive number?5.2
what is the lethality?10%
where did covid-19 originate?uveal melanocytes
is antibiotics therapy effective?less effective
what are effective drugs?M2, neuraminidase, polymerase, attachment and signal-transduction inhibitors
what is effective against covid?Neuraminidase inhibitors
is covid similar to sars?All coronaviruses share a very similar organization in their functional and structural genes
what is covid similar to?thrombogenesis

Заключение

В этом посте мы описали, как использовать Azure Machine Learning вместе с NLP библиотекой DeepPavlov для создания вопросно-ответной системы. DeepPavlov можно использовать аналогичным образом для выполнения других задач на описанном датасете, например, для извлечения именованных сущностей, например, для разбвки статьи на тематические блоки или для умной индексации статей. Мы рекомендуем ознакомиться с соревнованием COVID на Kaggle и посмотреть, сможете ли вы придумать оригинальную идею, которую можно реализовать с помощью DeepPavlov и Azure Machine Learning. И не забывайте, что у DeepPavlov есть форум – задавайте свои вопросы относительно библиотеки и моделей.

Azure ML и библиотека DeepPavlov помогли выполнить описанный эксперимент всего за несколько часов. Взяв этот пример за основу, вы сможете достигнуть существенно лучших результатов! Попробуйте и поделитесь своими идеями с сообществом. Data Science может делать удивительные вещи, тем более, когда над задачей работает не один человек, а сообщество!

AZURE
ai nlp natural language processing deeppavlov chatbots ml

Диалоги и обсуждения