漫话中文分词算法

标签: 算法 Brain Storm 语言学 文字游戏 历史 | 发表时间:2011-03-10 03:04 | 作者:Matrix67 dumin
出处:http://www.matrix67.com/blog

    记得第一次了解中文分词算法是在 Google 黑板报 上看到的,当初看到那个算法时我彻底被震撼住了,想不到一个看似不可能完成的任务竟然有如此神奇巧妙的算法。最近在詹卫东老师的《中文信息处理导论》课上再次学到中文分词算法,才知道这并不是中文分词算法研究的全部,前前后后还有很多故事可讲。在没有建立统计语言模型时,人们还在语言学的角度对自动分词进行研究,期间诞生了很多有意思的理论。

    中文分词的主要困难在于分词歧义。“结婚的和尚未结婚的”,应该分成“结婚/的/和/尚未/结婚/的”,还是“结婚/的/和尚/未/结婚/的”?人来判断很容易,要交给计算机来处理就麻烦了。问题的关键就是,“和尚未”里的“和尚”也是一个词,“尚未”也是一个词,从计算机的角度看上去,两者似乎都有可能。对于计算机来说,这样的分词困境就叫做“交集型歧义”。

    有时候,交集型歧义的“歧义链”有可能会更长。“中外科学名著”里,“中外”、“外科”、“科学”、“学名”、“名著”全是词,光从词库的角度来看,随便切几刀下去,得出的切分都是合理的。类似的例子数不胜数,“提高产品质量”、“鞭炮声响彻夜空”、“努力学习语法规则”等句子都有这样的现象。在这些极端例子下,分词算法谁优谁劣可谓是一试便知。


    最简单的,也是最容易想到的自动分词算法,便是“最大匹配法”了。也就是说,从句子左端开始,不断匹配最长的词(组不了词的单字则单独划开),直到把句子划分完。算法的理由很简单:人在阅读时也是从左往右逐字读入的,最大匹配法是与人的习惯相符的。而在大多数情况下,这种算法也的确能侥幸成功。不过,这种算法并不可靠,构造反例可以不费吹灰之力。例如,“北京大学生前来应聘”本应是“北京/大学生/前来/应聘”,却会被误分成“北京大学/生前/来/应聘”。

    维护一个特殊规则表,可以修正一些很机械的问题,效果相当不错。例如,“不可能”要划分成“不/可能”,“会诊”后面接“断”、“疗”、“脉”、“治”时要把“会”单独切出,“的确切”后面是抽象名词时要把“的确切”分成“的/确切”,等等。

    还有一个适用范围相当广的特殊规则,这个强大的规则能修正很多交集型歧义的划分错误。首先我们要维护一个一般不单独成词的字表,比如“民”、“尘”、“伟”、“习”等等;这些字通常不会单独划出来,都要跟旁边的字一块儿组成一个词。在分词过程中时,一旦发现这些字被孤立出来,都重新考虑它与前面的字组词的可能。例如,在用最大匹配法切分“为人民服务”时,算法会先划出“为人”一词,而后发现“民”字只能单独成词了。查表却发现,“民”并不能单独划出,于是考虑进行修正——把“为人”的“人”字分配给“民”字。巧在这下“为”和“人民”正好都能成词,据此便可得出正确的划分“为/人民/服务”。

 
    不过,上述算法归根结底,都是在像人一样从左到右地扫描文字。为了把问题变得更加形式化,充分利用计算机的优势,我们还有一种与人的阅读习惯完全不同的算法思路:把句子作为一个整体来考虑,从全局的角度评价一个句子划分方案的好坏。设计自动分词算法的问题,也就变成了如何评估分词方案优劣的问题。最初所用的办法就是,寻找词数最少的划分。注意,每次都匹配最长的词,得出的划分不见得是词数最少的,错误的贪心很可能会不慎错过一些更优的路。因而,在有的情况下,最少词数法比最大匹配法效果更好。若用最大匹配法来划分,“独立自主和平等互利的原则”将被分成“独立自主/和平/等/互利/的/原则”,一共有 6 个词;但词数更少的方案则是“独立自主/和/平等互利/的/原则”,一共只有 5 个词。

    当然,最少词数法也会有踩大便的时候。“为人民办公益”的最大匹配划分和最少词数划分都是“为人/民办/公益”,而正确的划分则是“为/人民/办/公益”。同时,很多句子也有不止一个词数最少的分词方案,最少词数法并不能从中选出一个最佳答案。不过,把之前提到的“不成词字表”装备到最少词数法上,我们就有了一种简明而强大的算法:

    对于一种分词方案,里面有多少词,就罚多少分;每出现一个不成词的单字,就加罚一分。最好的分词方案,也就是罚分最少的方案。

    这种算法的效果出人意料的好。“他说的确实在理”是一个很困难的测试用例,“的确”和“实在”碰巧也成词,这给自动分词带来了很大的障碍。但是“确”、“实”、“理”通常都不单独成词的,因此很多切分方案都会被扣掉不少分:

      他/说/的/确实/在理 (罚分:1+1+1+1+1 = 5 )
      他/说/的确/实/在理 (罚分:1+1+1+2+1 = 6 )
      他/说/的确/实在/理 (罚分:1+1+1+1+2 = 6 )

    正确答案胜出。

    需要指出的是,这个算法并不需要枚举所有的划分可能。整个问题可以转化为图论中的最短路径问题,利用动态规划效率则会更高。

    算法还有进一步加强的余地。大家或许已经想到了,“字不成词”有一个程度的问题。“民”是一个不成词的语素,它是绝对不会单独成词的。“鸭”一般不单独成词,但在儿歌童谣和科技语体中除外。“见”则是一个可以单独成词的语素,只是平时我们不常说罢了。换句话说,每个字成词都有一定的概率,每个词出现的频率也是不同的。

    何不用每个词出现的概率,来衡量分词的优劣?于是我们有了一个更标准、更连续、更自动的改进算法:先统计大量真实语料中各个词出现的频率,然后把每种分词方案中各词的出现概率乘起来作为这种方案的得分。利用动态规划,不难求出得分最高的方案。

    以“有意见分歧”为例,让我们看看最大概率法是如何工作的。查表可知,在大量真实语料中,“有”、“有意”、“意见”、“见”、“分歧”的出现概率分别是 0.0181 、 0.0005 、 0.0010 、 0.0002 、 0.0001 ,因此“有/意见/分歧”的得分为 1.8×10-9 ,但“有意/见/分歧”的得分只有 1.0×10-11 ,正确方案完胜。

    这里的假设是,用词造句无非是随机选词连在一块儿,是一个简单的一元过程。显然,这个假设理想得有点不合理,必然会有很多问题。考虑下面这句话:

      这/事/的确/定/不/下来

    但是概率算法却会把这个句子分成:

      这/事/的/确定/不/下来

    原因是,“的”字的出现概率太高了,它几乎总会从“的确”中挣脱出来。

    其实,以上所有的分词算法都还有一个共同的大缺陷:它们虽然已经能很好地处理交集型歧义的问题,却完全无法解决另外一种被称为“组合型歧义”的问题。所谓组合型歧义,就是指同一个字串既可合又可分。比如说,“个人恩怨”中的“个人”就是一个词,“这个人”里的“个人”就必须拆开;“这扇门的把手”中的“把手”就是一个词,“把手抬起来”的“把手”就必须拆开;“学生会宣传部”中的“学生会”就是一个词,“学生会主动完成作业”里的“学生会”就必须拆开。这样的例子非常多,“难过”、“马上”、“将来”、“才能”、“过人”、“研究所”、“原子能”都有此问题。究竟是合还是分,还得取决于它两侧的词语。到目前为止,所有算法对划分方案的评价标准都是基于每个词固有性质的,完全不考虑相邻词语之间的影响;因而一旦涉及到组合型歧义的问题,最大匹配、最少词数、概率最大等所有策略都不能实现具体情况具体分析。

    于是,我们不得不跳出一元假设。此时,便有了那个 Google 黑板报上提到的统计语言模型算法。对于任意两个词语 w1 、 w2 ,统计在语料库中词语 w1 后面恰好是 w2 的概率 P(w1, w2) 。这样便会生成一个很大的二维表。再定义一个句子的划分方案的得分为 P(∅, w1) · P(w1, w2) · … · P(wn-1, wn) ,其中 w1, w2, …, wn 依次表示分出的词。我们同样可以利用动态规划求出得分最高的分词方案。这真是一个天才的模型,这个模型一并解决了词类标注、语音识别等各类自然语言处理问题。

    至此,中文自动分词算是有了一个漂亮而实用的算法。

 
 
    但是,随便拿份报纸读读,你就会发现我们之前给出的测试用例都太理想了,简直就是用来喂给计算机的。在中文分词中,还有一个比分词歧义更令人头疼的东西——未登录词。中文没有首字母大写,专名号也被取消了,这叫计算机如何辨认人名地名之类的东西?最近十年来,中文分词领域都在集中攻克这一难关。

    在汉语的未定义词中,中国人名的规律是最强的了。根据统计,汉语姓氏大约有 1000 多个,其中“王”、“陈”、“李”、“张”、“刘”五大姓氏的覆盖率高达 32% ,前 400 个姓氏覆盖率高达 99% 。人名的用字也比较集中,“英”、“华”、“玉”、“秀”、“明”、“珍”六个字的覆盖率就有 10.35% ,最常用的 400 字则有 90% 的覆盖率。虽然这些字分布在包括文言虚词在内的各种词类里,但就用字的感情色彩来看,人名多用褒义字和中性字,少有不雅用字,因此规律性还是非常强的。根据这些信息,我们足以计算一个字符串能成为名字的概率,结合预先设置的阈值便能很好地识别出可能的人名。

    可是,如何把人名从句子中切出来呢?换句话说,如果句中几个连续字都是姓名常用字,人名究竟应该从哪儿取到哪儿呢?人名以姓氏为左边界,相对容易判定一些。人名的右边界则可以从下文的提示确定出来:人名后面通常会接“先生”、“同志”、“校长”、“主任”、“医生”等身份词,以及“是”、“说”、“报道”、“参加”、“访问”、“表示”等动作词。

    但麻烦的情况也是有的。一些高频姓氏本身也是经常单独成词的常用字,例如“于”、“马”、“黄”、“常”、“高”等等。很多反映时代性的名字也是本身就成词的,例如“建国”、“建设”、“国庆”、“跃进”等等。更讨厌的就是那些整个名字本身就是常用词的人了,他们会彻底打乱之前的各种模型。如果分词程序也有智能的话,他一定会把所有叫“高峰”、“汪洋”、”庞博“的人拖出去斩了;要是听说了有人居然敢叫“令计划”,估计直接就崩溃了。

    还有那些恰好与上下文组合成词的人名,例如:

     费孝通向人大常委会提交书面报告
     邓颖超生前使用过的物品

    这就是最考验分词算法的句子了。

    相比之下,中国地名的用字就分散得多了,重庆就有一个叫做“犀牛屙屎”的地方。不过,中国地名委员会编写了《中华人民共和国地名录》,收录了从高原盆地到桥梁电站共 10 万多个地名,这让中国地名的识别便利了很多。外文人名和地名的用字非常集中,识别的正确率要高出许多。

    真正有些困难的就是识别机构名了,虽然机构名的后缀比较集中,但左边界的判断就有些难了。更难的就是品牌名了。如今各行各业大打创意战,品牌名可以说是无奇不有,而且经常本身就包含常用词,更是给自动分词添加了不少障碍。

    最难识别的未登录词就是缩略语了。“高数”、“抵京”、“女单”、“发改委”、“北医三院”都是比较好认的缩略语了,有些缩略语搞得连人也是丈二和尚摸不着头脑。你能猜到“人影办”是什么机构的简称吗?打死你都想不到,是“人工影响天气办公室”。

    汉语中构造缩略语的规律很诡异,目前也没有一个定论。初次听到这个问题,几乎每个人都会做出这样的猜想:缩略语都是选用各个成分中最核心的字,比如“安全检查”缩成“安检”,“人民警察”缩成“民警”等等。不过,反例也是有的,“邮政编码”就被缩成了“邮编”,但“码”无疑是更能概括“编码”一词的。当然,这几个缩略语已经逐渐成词,可以加进词库了;不过新近出现的或者临时构造的缩略语该怎么办,还真是个大问题。

    说到新词,网络新词的大量出现才是分词系统真正的敌人。这些新词汇的来源千奇百怪,几乎没有固定的产生机制。要想实现对网络文章的自动分词,目前来看可以说是相当困难的。革命尚未成功,分词算法还有很多进步的余地。

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