Класифікація документів на основі векторних представлень словників при обробці природної мови у малоресурсному середовищі

Ескіз

Файли

Shaptala_dys.pdf (3.96 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Кисельов, Геннадій Дмитрович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Шаптала Р.В. Класифікація документів на основі векторних представлень словників при обробці природної мови у малоресурсному середовищі. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 «Комп’ютерні науки». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», 2023. Метою дисертаційного дослідження є розробка та вдосконалення методів класифікації документів, написаних природною мовою, у малоресурсному середовищі за допомогою побудови векторних графових представлень словників природної мови. Проблема обробки природної мови у малоресурсному середовищі є складною через брак даних, які можна використовувати для тренування сучасних алгоритмів машинного навчання. Малоресурсне середовище може бути викликано відсутністю чи дорожнечою ручної розмітки на початкових етапах побудови інформаційних систем, а також низькими популярністю та розвитком природної мови у інформаційному просторі. Типові методи обробки природної мови вимагають наявність розмітки текстів відповідно до задачі, яка розв’язується. Така розмітка часто виконується експертами у прикладній галузі або людьми з високим рівнем лінгвістичної грамотності. Анотатори, які здатні виконувати розмітку, можуть не бути доступними для великого набору проєктів через відсутність фінансування (зазвичай це тимчасова робота, яка може не виправдати операційні кошти) чи мотивації (анотування – рутинна та одноманітна робота). Зважаючи на те, що 63% контенту Інтернету написано англійською мовою, і більшість мов представлена менш ніж 1% веб-сторінок, величезна кількість мов є малоресурсними та, відповідно, менш дослідженими з точки зору підходів до обробки природних мов. Це призводить до того, що інформаційні системи, які вимушені працювати на основі малопредставлених мов, часто потерпають від низької якості, порівняно з їх англомовними аналогами. Тому, покращення вже існуючих та розробка нових методів обробки природної мови у малоресурсному середовищі є актуальною задачею. У першому розділі дисертаційної роботи проведено аналітичний огляд методів та досліджень за темою дисертації. На основі огляду було сформовано класифікацію методів обробки природної мови у малоресурсному середовищі та виділено їх основні припущення, переваги і недоліки. У ході аналізу було з'ясовано, що існуючі методи для обробки природної мови у малоресурсному середовищі вимагають додаткових даних з суміжним до прикладної області змістом, що часто є не виправданим припущенням. Тому дослідження було спрямовано на розробку нових методів з використанням мінімальної кількості сторонніх даних, а саме – лінгвістичних словників, які існують у великій кількості мов як додатковий ресурс. Використання словникової інформації не є чимось новим – їх не рідко використовують системи побудовані на правилах. Проблема таких підходів – вони явно роблять запити до словників чи онтологій (побудованих на їх основі) щодо зв'язків між сутностями у прикладних текстах. Таким чином, поєднання сучасних методів обробки природної мови та словникової інформації ускладнюється, адже перші оперують з векторними представленнями лінгвістичних сутностей, а другі – є дискретними елементами у графових структурах. Тому методи перетворення інформації, що міститься у словниках, у вектори, з якими можуть працювати новітні підходи машинного навчання у контексті обробки природної мови можуть дозволити більш ефективно розширити уявлення прикладних систем про мову, аніж явні правила пошуку у словниках. Через це було сформовано наступне наукове завдання: «Розробка методів обробки природної мови на основі векторних представлень словників у малоресурсному середовищі». У другому розділі представлено загальну методику побудови векторних представлень словників та їх поєднання з методами обробки природної мови. Проведено теоретичні дослідження щодо можливості отримання таких представлень, їх бажаних властивостей та шляхів застосування. Отримано класифікацію методів побудови векторних представлень графів, виділено їх ознаки та обмеження. До таких методів відносяться методи на основі факторизації, такі як HOPE, факторизація графу, Лапласівські проекції, GraRep, LLE; методи на основі випадкових блукань, такі як Node2Vec, DeepWalk та Walklets; методи на основі глибокого навчання, такі як SDNE, DNGR та GCN; та інші. Описано яким чином дані методи можна застосувати для моделювання словників та варіанти модифікацій алгоритмів для роботи зі словниковими даними. Також було проаналізовано та упорядковано методи злиття кількох векторних представлень для отримання фінальних векторів, які можна використовувати для різноманітних задач обробки природної мови, наприклад класифікації документів. При цьому було виділено ті, що практично застосовувати у малоресурсному середовищі з обмеженим розміром розмічених даних, а саме метод конкатенації та зваженої суми векторних представлень. Для використання даних методів у контексті злиття векторних представлень документів на основі слів та словників була запропонована модифікація даних методів через додавання етапу пошуку відповідності слів. У третьому розділі описано результати експериментальних досліджень. Для перевірки впливу різних методів побудови векторних представлень словників, а також злиття векторних представлень словників та методів обробки природної мови у малоресурсному середовищі на результати моделювання у практичному завданні, було обрано вирішення задачі класифікації документів. Експериментальні дослідження проведено у прикладній області містобудування та урбаністики, а саме класифікації петицій до Київської міської ради за напрямами, такими як транспорт, освіта, благоустрій тощо. В якості додаткової словникової інформації, на основі якої будуються векторні представлення для поєднання з типовими методами класифікації документів, було обрано словник синонімів української мови. Для розуміння методів передобробки та формулювання практичних рекомендацій при роботі з подібними даними, у цьому розділі було детально описано та проаналізовано обидва джерела інформації. Малоресурсність середовища забезпечено через два аспекти вирішуваної задачі – петиції написані українською мовою, яка входить до третього десятка найпоширеніших мов світу та має невелику кількість якісних наборів даних для покращення якості роботи моделей, а також малим розміром набору даних при високій змістовній варіативності петицій. Результати проведених досліджень показали, що векторні представлення словників на основі методів кодування вершин графів можна поєднувати з типовими векторними представленнями документів для покращення якості класифікації документів за допомогою підходів машинного навчання. Кожен крок запропонованого методу має набір параметрів та гіперпараметрів, від яких залежить результат та ефективність фінального рішення. Тому додатково наведено аналіз даних опцій, а також порівняння різних підходів до побудови представлень вершин графів у контексті словників. Для досягнення найкращих результатів пропонується використання методу на основі випадкових блукань - Node2Vec, який перетворює елементи словника у вектори за прийнятний час, не вимагає багато ресурсів та отримує вищі оцінки при подальшій класифікації документів. Для наступного кроку, а саме злиття векторних представлень документів та словникової інформації оптимальним виявився метод зваженої суми. Додатково наводяться практичні рекомендації по роботі з подібними даними, а саме особливості отримання, збереження та передобробки документів, побудови словників для кожного з методів класифікації документів, збереження та обробки словника синонімів, а також аналіз статистичної значущості результатів. Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному: 1. Вперше запропоновано метод класифікації документів на основі векторних представлень словників при обробці природної мови у малоресурсному середовищі, який відрізняється від методів доповнення даних, що базуються на словниках, тим що у ньому поєднуються векторні представлення документів з векторними представленнями елементів лінгвістичних словників, що дозволяє збільшити F1-міру якості класифікації документів у малоресурсному середовищі; 2. Запропоновано векторну модель слів зі словника синонімів, яка на відміну від інших будується на основі векторних представлень вузлів графу словника, що надає можливість її повторного використання в різних задачах обробки природної мови через трансферне навчання; 3. Модифіковано методи конкатенації та зваженої суми при злитті векторних представлень слів додаванням етапу пошуку відповідності слів з документу словам з словника синонімів, що дозволяє покрити відсутні у словнику словоформи без побудови моделей визначення частини мови та пошуку словоформ, що суттєво ускладнено у малоресурсних середовищах. Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що: 1. Розроблений метод дозволяє значно підвищити F1-міру якості систем класифікації документів у малоресурсних середовищах. Таким чином розробники даних систем можуть зменшити час та витрати на розробку, адже вища якість системи досягатиметься з меншою кількістю розмітки, розширення якої може бути не доступним, або вимагати додаткових часових чи фінансових інвестицій; 2. Розроблено векторні представлення слів у словнику синонімів української мови, які можна перевикористовувати за допомогою трансферного навчання при створенні програмних систем у інших прикладних областях; 3. Представлено набір даних для класифікації тем петицій, націлений на тестування методів обробки природної мови у малоресурсному середовищі. Документи написані українською мовою та мають вузьку урбаністичну спеціалізацію, що робить набір даних відмінним від корпусів загального призначення; 4. Запропоновано застосування розробленого методу до класифікації петицій до Київської міської ради за темами, яка дозволяє автоматично пропонувати тему петиції при ручній розмітці, що може суттєво скоротити час на їх аналіз.

Опис

Ключові слова

математичне моделювання, інтелектуальний аналіз даних, машинне навчання, обробка природної мови, малоресурсне середовище, класифікація документів, нейронні мережі, векторні представлення документів, векторні представлення графів, злиття векторних представлень, Node2Vec, mathematical modelling, data mining, machine learning, natural language processing, low-resource environment, document classification, neural networks, document embeddings, graph embeddings, embeddings fusion, Node2Vec

Бібліографічний опис

Шаптала, Р. В. Класифікація документів на основі векторних представлень словників при обробці природної мови у малоресурсному середовищі : дис. … д-ра філософії : 122 – Комп’ютерні науки / Шаптала Роман Віталійович. – Київ, 2023. – 151 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/59711

DOI

Зібрання

Дисертації (СП)
Дисертації (вільний доступ)