使用Seq2Seq+attention实现简单的Chatbot
作者：石晓文 中国人民大学信息学院在读研究生
个人公众号：小小挖掘机（ID:wAIsjwj）
本文代码的github连接：https://github.com/princewen/tensorflow_practice/tree/master/chat_bot_seq2seq_attention
1、attention model原理介绍
1.1 attention model
为什么要有attention机制
原本的Seq2seq模型只有一个encoder和一个decoder，通常的做法是将一个输入的句子编码成一个固定大小的state，然后作为decoder的初始状态（当然也可以作为每一时刻的输入），但这样的一个状态对于decoder中的所有时刻都是一样的。
attention即为注意力，人脑在对于的不同部分的注意力是不同的。需要attention的原因是非常直观的，当我们看一张照片时，照片上有一个人，我们的注意力会集中在这个人身上，而它身边的花草蓝天，可能就不会得到太多的注意力。也就是说，普通的模型可以看成所有部分的attention都是一样的，而这里的attention-based model对于不同的部分，重要的程度则不同，decoder中每一个时刻的状态是不同的。
Attention-based Model是什么
Attention-based Model其实就是一个相似性的度量，当前的输入与目标状态越相似，那么在当前的输入的权重就会越大，说明当前的输出越依赖于当前的输入。严格来说，Attention并算不上是一种新的model，而仅仅是在以往的模型中加入attention的思想，所以Attention-based Model或者Attention Mechanism是比较合理的叫法，而非Attention Model。
没有attention机制的encoder-decoder结构通常把encoder的最后一个状态作为decoder的输入（可能作为初始化，也可能作为每一时刻的输入），但是encoder的state毕竟是有限的，存储不了太多的信息，对于decoder过程，每一个步骤都和之前的输入都没有关系了，只与这个传入的state有关。attention机制的引入之后，decoder根据时刻的不同，让每一时刻的输入都有所不同。
Attention原理
1.2 Beam Search介绍
在sequence2sequence模型中，beam search的方法只用在测试的情况，因为在训练过程中，每一个decoder的输出是有正确答案的，也就不需要beam search去加大输出的准确率。
假设现在我们用机器翻译作为例子来说明，
我们需要翻译中文“我是中国人”--->英文“I am Chinese”
假设我们的词表大小只有三个单词就是I am Chinese。那么如果我们的beam size为2的话，我们现在来解释,
如下图所示，我们在decoder的过程中，有了beam search方法后，在第一次的输出，我们选取概率最大的"I"和"am"两个单词，而不是只挑选一个概率最大的单词。
然后接下来我们要做的就是，把“I”单词作为下一个decoder的输入算一遍得到y2的输出概率分布，把“am”单词作为下一个decoder的输入算一遍也得到y2的输出概率分布。
比如将“I”单词作为下一个decoder的输入算一遍得到y2的输出概率分布如下：
比如将“am”单词作为下一个decoder的输入算一遍得到y2的输出概率分布如下：
那么此时我们由于我们的beam size为2，也就是我们只能保留概率最大的两个序列，此时我们可以计算所有的序列概率：
“I I” = 0.40.3 "I am" = 0.40.6 "I Chinese" = 0.4*0.1
"am I" = 0.50.3 "am am" = 0.50.3 "am Chinese" = 0.5*0.4
我们很容易得出俩个最大概率的序列为 “I am”和“am Chinese”，然后后面会不断重复这个过程，直到遇到结束符为止。
最终输出2个得分最高的序列。
这就是seq2seq中的beam search算法过程，
2、tensorflow相关api介绍
2.1 tf.app.flags
tf定义了tf.app.flags，用于支持接受命令行传递参数，相当于接受argv。看下面的例子：
import tensorflow as tf
#第一个是参数名称，第二个参数是默认值，第三个是参数描述
tf.app.flags.DEFINE_string('str_name', 'def_v_1',"descrip1")
tf.app.flags.DEFINE_integer('int_name', 10,"descript2")
tf.app.flags.DEFINE_boolean('bool_name', False, "descript3")
FLAGS = tf.app.flags.FLAGS
#必须带参数，否则：'TypeError: main() takes no arguments (1 given)'; main的参数名随意定义，无要求
def main(_):
print(FLAGS.str_name)
print(FLAGS.int_name)
print(FLAGS.bool_name)
if __name__ == '__main__':
tf.app.run() #执行main函数
使用命令行运行得到的输出为：
[root@AliHPC-G41-211 test]# python tt.py
def_v_1
10
False
[root@AliHPC-G41-211 test]# python tt.py --str_name test_str --int_name 99 --bool_name True
test_str
99
True
2.2 tf.clip_by_global_norm
Gradient Clipping的直观作用就是让权重的更新限制在一个合适的范围。
tf.clip_by_global_norm函数的作用就是通过权重梯度的总和的比率来截取多个张量的值。
使用方式如下：
tf.clip_by_global_norm(t_list, clip_norm, use_norm=None, name=None)
t_list 是梯度张量， clip_norm 是截取的比率, 这个函数返回截取过的梯度张量和一个所有张量的全局范数。
t_list[i] 的更新公式如下:
t_list[i] * clip_norm / max(global_norm, clip_norm)
其中global_norm = sqrt(sum([l2norm(t)**2 for t in t_list]))
global_norm 是所有梯度的平方和，如果 clip_norm > global_norm ，就不进行截取。
2.3 tf中注意力机制的实现
注意力机制只在decoder中出现，在之前作对联的文章中，我们的decoder实现分三步走：定义decoder阶段要是用的Cell -》TrainingHelper+BasicDecoder的组合定义解码器-》调用dynamic_decode进行解码。
添加注意力机制主要是在第一步，对Cell进行包裹，tf中实现了两种主要的注意力机制，我们前文中所讲的注意力机制我们成为Bahdanau注意力机制，还有一种注意力机制称为Luong注意力机制，二者最主要的区别是前者为加法注意力机制，后者为乘法注意力机制。二者的更详细的介绍参考播客：http://blog.csdn.net/amds123/article/details/65938986
那么我们就来详细介绍一下 tf中注意力机制的实现：
定义cell
def _create_rnn_cell(self):
def single_rnn_cell():
# 创建单个cell，这里需要注意的是一定要使用一个single_rnn_cell的函数，不然直接把cell放在MultiRNNCell
# 的列表中最终模型会发生错误
single_cell = tf.contrib.rnn.LSTMCell(self.rnn_size)
#添加dropout
cell = tf.contrib.rnn.DropoutWrapper(single_cell, output_keep_prob=self.keep_prob_placeholder)
return cell
#列表中每个元素都是调用single_rnn_cell函数
cell = tf.contrib.rnn.MultiRNNCell([single_rnn_cell() for _ in range(self.num_layers)])
return cell
decoder_cell = self._create_rnn_cell()
封装attention wrapper
attention_mechanism = tf.contrib.seq2seq.BahdanauAttention(num_units=self.rnn_size, memory=encoder_outputs,
memory_sequence_length=encoder_inputs_length)
#attention_mechanism = tf.contrib.seq2seq.LuongAttention(num_units=self.rnn_size, memory=encoder_outputs, memory_sequence_length=encoder_inputs_length)
decoder_cell = tf.contrib.seq2seq.AttentionWrapper(cell=decoder_cell, attention_mechanism=attention_mechanism,
attention_layer_size=self.rnn_size, name='Attention_Wrapper')
训练阶段，使用TrainingHelper+BasicDecoder的组合
training_helper = tf.contrib.seq2seq.TrainingHelper(inputs=decoder_inputs_embedded,
sequence_length=self.decoder_targets_length,
time_major=False, name='training_helper')
training_decoder = tf.contrib.seq2seq.BasicDecoder(cell=decoder_cell, helper=training_helper,
initial_state=decoder_initial_state, output_layer=output_layer)
调用dynamic_decode进行解码
decoder_outputs, _, _ = tf.contrib.seq2seq.dynamic_decode(decoder=training_decoder,
impute_finished=True,
maximum_iterations=self.max_target_sequence_length)
decoder_outputs是一个namedtuple，里面包含两项(rnn_outputs, sample_id)
rnn_output: [batch_size, decoder_targets_length, vocab_size]，保存decode每个时刻每个单词的概率，可以用来计算loss
sample_id: [batch_size], tf.int32，保存最终的编码结果。可以表示最后的答案
3、代码解释
代码目录如下图所示：
其中，data存放我们的数据，model存放我们保存的训练模型，data_loader是我们处理数据的代码，model是我们建立seq2seq模型的代码，train是我们训练模型的代码，predict是我们进行模型预测的部分。这里我们只介绍model部分，其它部分的代码大家可以参照github自己练习。
定义基本的输入输出
def __init__(self, rnn_size, num_layers, embedding_size, learning_rate, word_to_idx, mode, use_attention,
beam_search, beam_size, max_gradient_norm=5.0):
self.learing_rate = learning_rate
self.embedding_size = embedding_size
self.rnn_size = rnn_size
self.num_layers = num_layers
self.word_to_idx = word_to_idx
self.vocab_size = len(self.word_to_idx)
self.mode = mode
self.use_attention = use_attention
self.beam_search = beam_search
self.beam_size = beam_size
self.max_gradient_norm = max_gradient_norm
#执行模型构建部分的代码
self.build_model()
定义我们多层LSTM的网络结构
这里，不论是encoder还是decoder，我们都定义一个两层的LSTMCell，同时每一个cell都添加上DropoutWrapper。
def _create_rnn_cell(self):
def single_rnn_cell():
# 创建单个cell，这里需要注意的是一定要使用一个single_rnn_cell的函数，不然直接把cell放在MultiRNNCell
# 的列表中最终模型会发生错误
single_cell = tf.contrib.rnn.LSTMCell(self.rnn_size)
#添加dropout
cell = tf.contrib.rnn.DropoutWrapper(single_cell, output_keep_prob=self.keep_prob_placeholder)
return cell
#列表中每个元素都是调用single_rnn_cell函数
cell = tf.contrib.rnn.MultiRNNCell([single_rnn_cell() for _ in range(self.num_layers)])
return cell
定义模型的placeholder
self.encoder_inputs = tf.placeholder(tf.int32, [None, None], name='encoder_inputs')
self.encoder_inputs_length = tf.placeholder(tf.int32, [None], name='encoder_inputs_length')
self.batch_size = tf.placeholder(tf.int32, [], name='batch_size')
self.keep_prob_placeholder = tf.placeholder(tf.float32, name='keep_prob_placeholder')
self.decoder_targets = tf.placeholder(tf.int32, [None, None], name='decoder_targets')
self.decoder_targets_length = tf.placeholder(tf.int32, [None], name='decoder_targets_length')
self.max_target_sequence_length = tf.reduce_max(self.decoder_targets_length, name='max_target_len')
self.mask = tf.sequence_mask(self.decoder_targets_length, self.max_target_sequence_length, dtype=tf.float32, name='masks')
定义encoder
with tf.variable_scope('encoder'):
#创建LSTMCell，两层+dropout
encoder_cell = self._create_rnn_cell()
#构建embedding矩阵,encoder和decoder公用该词向量矩阵
embedding = tf.get_variable('embedding', [self.vocab_size, self.embedding_size])
encoder_inputs_embedded = tf.nn.embedding_lookup(embedding, self.encoder_inputs)
# 使用dynamic_rnn构建LSTM模型，将输入编码成隐层向量。
# encoder_outputs用于attention，batch_size*encoder_inputs_length*rnn_size,
# encoder_state用于decoder的初始化状态，batch_size*rnn_szie
encoder_outputs, encoder_state = tf.nn.dynamic_rnn(encoder_cell, encoder_inputs_embedded,
sequence_length=self.encoder_inputs_length,
dtype=tf.float32)
定义decoder
在decoder阶段，我们仍然是定义了两种模式，一种是训练，一种是预测，在训练模式下，decoder的输入是真实的target序列，而在预测时，我们可以使用贪心策略或者是beam_search策略。
with tf.variable_scope('decoder'):
encoder_inputs_length = self.encoder_inputs_length
# if self.beam_search:
# # 如果使用beam_search，则需要将encoder的输出进行tile_batch，其实就是复制beam_size份。
# print("use beamsearch decoding..")
# encoder_outputs = tf.contrib.seq2seq.tile_batch(encoder_outputs, multiplier=self.beam_size)
# encoder_state = nest.map_structure(lambda s: tf.contrib.seq2seq.tile_batch(s, self.beam_size), encoder_state)
# encoder_inputs_length = tf.contrib.seq2seq.tile_batch(self.encoder_inputs_length, multiplier=self.beam_size)
attention_mechanism = tf.contrib.seq2seq.BahdanauAttention(num_units=self.rnn_size, memory=encoder_outputs,
memory_sequence_length=encoder_inputs_length)
#attention_mechanism = tf.contrib.seq2seq.LuongAttention(num_units=self.rnn_size, memory=encoder_outputs, memory_sequence_length=encoder_inputs_length)
# 定义decoder阶段要是用的LSTMCell，然后为其封装attention wrapper
decoder_cell = self._create_rnn_cell()
decoder_cell = tf.contrib.seq2seq.AttentionWrapper(cell=decoder_cell, attention_mechanism=attention_mechanism,
attention_layer_size=self.rnn_size, name='Attention_Wrapper')
#如果使用beam_seach则batch_size = self.batch_size * self.beam_size。因为之前已经复制过一次
#batch_size = self.batch_size if not self.beam_search else self.batch_size * self.beam_size
batch_size = self.batch_size
#定义decoder阶段的初始化状态，直接使用encoder阶段的最后一个隐层状态进行赋值
decoder_initial_state = decoder_cell.zero_state(batch_size=batch_size, dtype=tf.float32).clone(cell_state=encoder_state)
output_layer = tf.layers.Dense(self.vocab_size, kernel_initializer=tf.truncated_normal_initializer(mean=0.0, stddev=0.1))
if self.mode == 'train':
# 定义decoder阶段的输入，其实就是在decoder的target开始处添加一个<go>,并删除结尾处的<end>,并进行embedding。
# decoder_inputs_embedded的shape为[batch_size, decoder_targets_length, embedding_size]
ending = tf.strided_slice(self.decoder_targets, [0, 0], [self.batch_size, -1], [1, 1])
decoder_input = tf.concat([tf.fill([self.batch_size, 1], self.word_to_idx['<go>']), ending], 1)
decoder_inputs_embedded = tf.nn.embedding_lookup(embedding, decoder_input)
#训练阶段，使用TrainingHelper+BasicDecoder的组合，这一般是固定的，当然也可以自己定义Helper类，实现自己的功能
training_helper = tf.contrib.seq2seq.TrainingHelper(inputs=decoder_inputs_embedded,
sequence_length=self.decoder_targets_length,
time_major=False, name='training_helper')
training_decoder = tf.contrib.seq2seq.BasicDecoder(cell=decoder_cell, helper=training_helper,
initial_state=decoder_initial_state, output_layer=output_layer)
#调用dynamic_decode进行解码，decoder_outputs是一个namedtuple，里面包含两项(rnn_outputs, sample_id)
# rnn_output: [batch_size, decoder_targets_length, vocab_size]，保存decode每个时刻每个单词的概率，可以用来计算loss
# sample_id: [batch_size], tf.int32，保存最终的编码结果。可以表示最后的答案
decoder_outputs, _, _ = tf.contrib.seq2seq.dynamic_decode(decoder=training_decoder,
impute_finished=True,
maximum_iterations=self.max_target_sequence_length)
# 根据输出计算loss和梯度，并定义进行更新的AdamOptimizer和train_op
self.decoder_logits_train = tf.identity(decoder_outputs.rnn_output)
self.decoder_predict_train = tf.argmax(self.decoder_logits_train, axis=-1, name='decoder_pred_train')
# 使用sequence_loss计算loss，这里需要传入之前定义的mask标志
self.loss = tf.contrib.seq2seq.sequence_loss(logits=self.decoder_logits_train,
targets=self.decoder_targets, weights=self.mask)
# Training summary for the current batch_loss
tf.summary.scalar('loss', self.loss)
self.summary_op = tf.summary.merge_all()
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(self.learing_rate)
trainable_params = tf.trainable_variables()
gradients = tf.gradients(self.loss, trainable_params)
clip_gradients, _ = tf.clip_by_global_norm(gradients, self.max_gradient_norm)
self.train_op = optimizer.apply_gradients(zip(clip_gradients, trainable_params))
elif self.mode == 'decode':
start_tokens = tf.ones([self.batch_size, ], tf.int32) * self.word_to_idx['<go>']
end_token = self.word_to_idx['<eos>']
# decoder阶段根据是否使用beam_search决定不同的组合，
# 如果使用则直接调用BeamSearchDecoder（里面已经实现了helper类）
# 如果不使用则调用GreedyEmbeddingHelper+BasicDecoder的组合进行贪婪式解码
if self.beam_search:
inference_decoder = tf.contrib.seq2seq.BeamSearchDecoder(cell=decoder_cell, embedding=embedding,
start_tokens=start_tokens, end_token=end_token,
initial_state=decoder_initial_state,
beam_width=self.beam_size,
output_layer=output_layer)
else:
decoding_helper = tf.contrib.seq2seq.GreedyEmbeddingHelper(embedding=embedding,
start_tokens=start_tokens, end_token=end_token)
inference_decoder = tf.contrib.seq2seq.BasicDecoder(cell=decoder_cell, helper=decoding_helper,
initial_state=decoder_initial_state,
output_layer=output_layer)
decoder_outputs, _, _ = tf.contrib.seq2seq.dynamic_decode(decoder=inference_decoder,
maximum_iterations=10)
# 调用dynamic_decode进行解码，decoder_outputs是一个namedtuple，
# 对于不使用beam_search的时候，它里面包含两项(rnn_outputs, sample_id)
# rnn_output: [batch_size, decoder_targets_length, vocab_size]
# sample_id: [batch_size, decoder_targets_length], tf.int32
# 对于使用beam_search的时候，它里面包含两项(predicted_ids, beam_search_decoder_output)
# predicted_ids: [batch_size, decoder_targets_length, beam_size],保存输出结果
# beam_search_decoder_output: BeamSearchDecoderOutput instance namedtuple(scores, predicted_ids, parent_ids)
# 所以对应只需要返回predicted_ids或者sample_id即可翻译成最终的结果
if self.beam_search:
self.decoder_predict_decode = decoder_outputs.predicted_ids
else:
self.decoder_predict_decode = tf.expand_dims(decoder_outputs.sample_id, -1)
训练阶段
对于训练阶段，需要执行self.train_op, self.loss, self.summary_op三个op，并传入相应的数据
def train(self, sess, batch):
#对于训练阶段，需要执行self.train_op, self.loss, self.summary_op三个op，并传入相应的数据
feed_dict = {self.encoder_inputs: batch.encoder_inputs,
self.encoder_inputs_length: batch.encoder_inputs_length,
self.decoder_targets: batch.decoder_targets,
self.decoder_targets_length: batch.decoder_targets_length,
self.keep_prob_placeholder: 0.5,
self.batch_size: len(batch.encoder_inputs)}
_, loss, summary = sess.run([self.train_op, self.loss, self.summary_op], feed_dict=feed_dict)
return loss, summary
评估阶段
对于eval阶段，不需要反向传播，所以只执行self.loss, self.summary_op两个op，并传入相应的数据
def eval(self, sess, batch):
# 对于eval阶段，不需要反向传播，所以只执行self.loss, self.summary_op两个op，并传入相应的数据
feed_dict = {self.encoder_inputs: batch.encoder_inputs,
self.encoder_inputs_length: batch.encoder_inputs_length,
self.decoder_targets: batch.decoder_targets,
self.decoder_targets_length: batch.decoder_targets_length,
self.keep_prob_placeholder: 1.0,
self.batch_size: len(batch.encoder_inputs)}
loss, summary = sess.run([self.loss, self.summary_op], feed_dict=feed_dict)
return loss, summary
预测阶段
infer阶段只需要运行最后的结果，不需要计算loss，所以feed_dict只需要传入encoder_input相应的数据即可
def infer(self, sess, batch):
#infer阶段只需要运行最后的结果，不需要计算loss，所以feed_dict只需要传入encoder_input相应的数据即可
feed_dict = {self.encoder_inputs: batch.encoder_inputs,
self.encoder_inputs_length: batch.encoder_inputs_length,
self.keep_prob_placeholder: 1.0,
self.batch_size: len(batch.encoder_inputs)}
predict = sess.run([self.decoder_predict_decode], feed_dict=feed_dict)
return predict
4、参考文献
1、tensorflow 学习(三）使用flags定义命令行参数：http://blog.csdn.net/leiting_imecas/article/details/72367937
2、tf.clip_by_global_norm理解:http://blog.csdn.net/u013713117/article/details/56281715
3、浅谈Attention-based Model【原理篇】:http://blog.csdn.net/wuzqchom/article/details/75792501
4、seq2seq中的beam search算法过程：https://zhuanlan.zhihu.com/p/28048246
5、常见的两种注意力机制：http://blog.csdn.net/amds123/article/details/65938986
6、从头实现深度学习的对话系统--新版本tf seq2seq API构建chatbot：http://blog.csdn.net/liuchonge/article/details/79021938
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