Мульти-классификация Google-запросов с использованием нейросети на Python

Прошло уже достаточно времени с момента публикации моей первой статьи на тему обработки естественного языка. Я продолжал активно исследовать данную тему, каждый день открывая для себя что-то новое.
Сегодня я бы хотел поговорить об одном из способов классификации поисковых запросов, по отдельным категориям с помощью нейронной сети на Keras. Предметной областью запросов была выбрана сфера автомобилей.
За основу был взят датасет размером ~32000 поисковых запросов, размеченных по 14ти классам: Автоистория, Автострахование, ВУ (водительское удостоверение), Жалобы, Запись в ГИБДД, Запись в МАДИ, Запись на медкомиссию, Нарушения и штрафы, Обращения в МАДИ и АМПП, ПТС, Регистрация, Статус регистрации, Такси, Эвакуация.
Сам датасет (.csv файл) выглядит вот так:

запрос;класс
авто история;Автоистория
автоистория Автоистория
бесплатно проверить арест регистрацию авто;Автоистория
пробить авто;Автоистория
пробить авто номеру;Автоистория
пробить автомобиль;Автоистория
пробить автомобиль бесплатно;Автоистория
пробить автомобиль бесплатно регистрации;Автоистория
пробить автомобиль бесплатно номеру;Автоистория


И так далее…

ПОДГОТОВКА ДАТАСЕТА

Прежде чем строить модель нейросети необходимо подготовить датасет, а именно удалить все стоп-слова, спец-символы. Так, как в запросах типа «пробить камри 2.4 по вин номеру онлайн» цифры не несут смысловой нагрузки, будем удалять и их.
Стоп-слова берем из пакета NLTK. Также, проапдейтим список стоп-слов символами.
Вот, что должно получиться в итоге:

stop = set(stopwords.words('russian'))
stop.update(['.', ',', '"', "'", '?', '!', ':', ';', '(', ')', '[', ']', '{', '}','#','№'])

def clean_csv(df):
    for index,row in df.iterrows():
        row['запрос'] = remove_stop_words(row['запрос']).rstrip().lower()

Запрос, который будет поступать на вход для классификации также нужно подготавливать. Напишем, функцию, которая будет «очищать» запрос

def remove_stop_words(query):
    str = ''
    for i in wordpunct_tokenize(query):
        if i not in stop and not i.isdigit():
            str = str + i + ' '

    return str

ФОРМАЛИЗАЦИЯ ДАННЫХ

Нельзя просто взять и запихнуть в нейросеть обычные слова, да ещё и на русском! Прежде чем начать обучение сети, мы трансформируем наши
запросы в матрицы последовательностей (sequences), а классы должны быть представлены в виде вектора размером N, где N — количество классов. Для трансформации
данных нам понадобится библиотека Tokenizer, которая сопоставляя каждому слову отдельный индекс, может преобразовывать запросы (предложения) в массивы
индексов. Но поскольку длины запросов могут быть разные, то и длины массивов окажутся разными, что неприемлемо для нейронной сети. Чтобы решить эту проблему,
необходимо трансформировать запрос в двумерный массив последовательностей равной длины, как и обговаривалось ранее. С выходными данными (вектор классов) дело обстоит чуть попроще. В векторе классов будут содержаться либо единички либо нолики, что свидетельствует принадлежности запроса соответствующему классу.
Итак, смотрим, что получилось:

#считываем из CSV
df = pd.read_csv('cleaned_dataset.csv',delimiter=';',encoding = "utf-8").astype(str)
num_classes = len(df['класс'].drop_duplicates())
X_raw = df['запрос'].values
Y_raw = df['класс'].values

#трансформируем текст запросов в матрицы
tokenizer = Tokenizer(num_words=max_words)
tokenizer.fit_on_texts(X_raw)
x_train = tokenizer.texts_to_matrix(X_raw)

#трансформируем классы
encoder = LabelEncoder()
encoder.fit(Y_raw)
encoded_Y = encoder.transform(Y_raw)
y_train = keras.utils.to_categorical(encoded_Y, num_classes)

ПОСТРОЕНИЕ И КОМПИЛЯЦИЯ МОДЕЛИ

Проинициализируем модель, добавив несколько слоёв, затем скомпилируем её, указав что функция потерь (loss) будет «categorical_crossentropy» так, как у нас более 2х классов (не бинарная). Затем, обучим и сохраним модель в файл. Смотрите код ниже:

model = Sequential()
model.add(Dense(512, input_shape=(max_words,)))
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(num_classes))
model.add(Activation('softmax'))

model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer='adam',
              metrics=['accuracy'])

model.fit(x_train, y_train,
                    batch_size=batch_size,
                    epochs=epochs,
                    verbose=1)

model.save('classifier.h5')

Кстати говоря, точность (accuracy) при обучении составила 97%, что довольно таки неплохой результат.

ТЕСТИРОВАНИЕ МОДЕЛИ

Теперь напишем небольшой скрипт для командной строки который принимает на вход аргумент — поисковый запрос, а на выходе выдает класс, к которому вероятнее всего принадлежит запрос по мнению модели, созданной нами ранее. Не буду вдаваться в подробности кода в данном разделе, все исходники смотрите на GITHUB. Перейдем к делу, а именно запустим скрипт в командной строке и начнем вбивать запросы:

Рисунок 1 — Пример использования классификатора

Результат вполне очевидный — классификатор точно распознает любые вводимые нами запросы, а значит, что вся работа была проделана не зря!

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нейронная сеть справилась с поставленной задачей на отлично и это видно не вооруженным взглядом. Примером практического применения данной модели можно считать сферу госуслуг, где граждане подают всевозможные заявления, жалобы и т.д. Автоматизировав прием всех этих «бумажек» с помощью интеллектуальной классификации можно существенно ускорить работу всех госорганов.

Ваши предложения по практическому применению, а так же мнение о статье жду в комментах!

Автор: Александр Перевалов

Источник