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How to Implement a Chatbot with Python and Tensorflow

阅读量:

作者:禅与计算机程序设计艺术

1.简介

智能对话系统(Chatbot)是由计算机程序控制的一种基于文本处理的交互模式。该系统采用多种功能包括文本输入、自然语言理解以及语音合成等技术来支持实时对话,并能够满足用户的多样化信息查询需求。该聊天机器人在多个领域展现出广泛的应用场景,并不断有新的应用场景出现。例如,在电商客户服务方面以及金融支付结算方面都有显著的应用。本文将介绍如何利用Tensorflow和Python技术构建一个简单的基于检索的中文Chatbot。

[作者简介]:王栩锴是一位具有丰富行业经验的技术领袖,在人工智能与科技创新领域具有卓越的领导能力与创新精神。他曾在微软亚洲研究院及清华大学担任相关职务,并致力于推动人工智能技术在多个领域的落地应用。王栩锴现就任智能对话技术领域的联合创始人与技术 lead, 擅长结合理论与实践推动技术创新与行业发展

文章结构

  1. 背景介绍

    • 什么是Chatbot?
    • Chatbot适用场景
    • Chatbot分类
  2. 基本概念及术语说明

    • 检索模型
    • 搜索引擎
    • 文本匹配算法
    • 自然语言处理
  3. 项目设计

  • 项目背景分析
  • 系统架构概述
  • 数据集概览
    • 小黄鸡相关数据集
    • 社交聊天数据分析集

模型选择:
基于检索机制构建对话架构
基于检索机制规划对话训练方案
模块导入:
进行模块导入流程
数据加载:
实施数据集加载步骤
参数配置:
完成参数设置细节
检索系统构建:
构建检索模型框架
设计检索模型组件结构
函数实现:
确定字典映射函数实现
规划检索模型组件结构

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 * 训练模型
 * 测试模型

   * 基于检索的对话系统应用 
 * 构建消息查询函数
 * 启动聊天窗口
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              + [获取用户信息](#subsubsubsubsection_1)

              + [获取候选回复](#subsubsubsubsection_2)
              + [生成回复语句](#subsubsubsubsection_3)
                
                           
                           
            代码解读
  • 运行程序

    • 运行结果展示
    1. 总结
      • 优点
      • 缺点
      • 局限性
      • 改进方向

1.背景介绍

1.1什么是Chatbot?

智能对话系统(Chatbot)是一种以文本为基础的计算机程序化的交流工具。

该系统具备文本输入功能、自然语言处理技术以及语音合成技术,并通过这些手段实现与用户的实时信息交流。

该系统能够帮助用户完成多种信息检索任务。

涵盖如电商客户服务和金融支付结算等多个领域。

简而言之即是利用人机互动的方式来完成特定任务的计算机程序。

随着科技的发展越来越多的人开始青睐使用Chatbot来进行生活服务。

典型产品包括Facebook Messenger微信机器人闲鱼机器人飞书机器人等都是非常受欢迎的产品。

然而制作一个高效的Chatbot并非易事。

首先必须进行数据采集即收集大量高质量的数据样本

其次是对获取的数据进行预处理包括分类匹配排序等操作

此外还需要综合考虑用户的表达习惯文化差异意图变化以及上下文信息等因素

这些复杂性使得整个开发过程异常繁琐且耗费大量资源

1.2Chatbot适用场景

  • 客服机器人 :为客户提供智能交互支持以解决各类业务问题。包括在线咨询服务预约点餐在线报刊订阅等多种应用场景。
    • 客服自动化助手 :根据具体情况制定相应的解决方案以提升服务质量。涵盖电话客服系统订单管理系统等核心功能模块。
    • 智能客服系统 :由人工智能机器学习技术打造的全面服务系统能够精准把握用户需求迅速响应并解答问题从而提升客户满意度增强运营效率。具体应用包括企业知识库意见反馈系统以及多种在线服务渠道。
    • 生活助手 :集成了多项日常所需的功能如天气查询交易信息检索听歌视频播放查看日历菜谱查询计算器以及导航等功能旨在减少重复操作提高工作效率。
    • 儿童编程平台 :通过智能编程工具辅助孩子完成编程学习培养逻辑思维能力提供趣味化的学习体验涵盖微软小冰乐高积木英国Scratch等知名教育平台。

1.3Chatbot分类

  • 无需训练的数据支持型系统:不依赖于训练样本的数据集即可直接运用规则或统计分析方法完成任务目标的任务体系被称为"无需训练的数据支持型系统"。此类体系在问答服务(如FAQ)以及智能对话机器人领域表现突出。
  • 建立在现有数据分析之上的体系:通过机器学习算法分析现有的样本集并生成预测模型的任务架构被称为"基于数据分析体系"。这类架构能够在对话机器人以及智能电视设备中见到其身影。
  • 强化学习驱动的知识积累型体系:利用强化学习机制不断探索与优化决策过程的知识积累过程而使整体效能得到显著提升的任务架构被称为"强化式经验积累型知识驱动架构"。该类架构在人工智能竞赛(如AlphaGo)以及智能博弈机器人领域有着重要应用。

2.基本概念及术语说明

2.1检索模型

在信息检索系统(Information Retrieval System, IRS)中使用的信息科学方法是专门设计用来从大量数据中提取所需内容的技术手段。简而言之,在这个过程中是按照既定的标准或程序来实现内容匹配的目标。
在这个阶段中使用的信息科学技术则专注于识别出与查询相关的具体文档,并通过评估这些内容与关键词之间的关联度来提高准确性。

在中文语料中常用倒排索引(inverted index),也被称为反向索引(inverted index),是一种用于存储索引结构的方法。每一个索引文件中的记录都对应着一个特定文档,在该文档中会出现多个词汇项(terms)。整个倒排索引系统由词典(term dictionary)与倒排表(inverted list)两个主要部分构成。词典用于存储所有出现过的词汇及其对应的文档编号(document ID),而倒排表则记录每个文档包含的相关词汇及其位置信息(position information)。这种组织方式显著提升了信息检索的效率,并且便于扩展和维护

2.2搜索引擎

搜索引擎(Search Engine)是一种能够根据用户的搜索指令返回所需信息的网络服务系统。

该系统通过建立全面索引来实现对海量网页、图片及资讯内容的快速定位与检索。

由于搜索引擎具备丰富的功能选项以及高度的可定制性,在满足用户个性化需求方面表现尤为突出。

目前广泛使用的知名搜索引擎包括但不限于Google、Bing、Yahoo、Baidu等。

2.3文本匹配算法

在信息检索领域中设计了一种新的文本匹配计算方式

具体而言

其中关键参数设置包括权重系数优化与误差修正机制等环节

其中关键参数设置包括权重系数优化与误差修正机制等环节

其中关键参数设置包括权重系数优化与误差修正机制等环节

其中关键参数设置包括权重系数优化与误差修正机制等环节

其中关键参数设置包括权重系数优化与误差修正机制等环节

其中关键参数设置包括权重系数优化与误差修正机制等环节

2.4自然语言处理

自然语言处理(简称NLP)是一项利用计算机科学技术实现人与计算机之间高效沟通的技术学科。

目前的研究表明,在当前领域中发现以下三个主要突破方向:

首先是传统NLP算法在性能上的瓶颈问题,

其次是其在实际应用中的局限性,

最后是其更新迭代速度较慢的特点。

传统的NLP技术主要包括以下几项内容:

包括但不限于分词技术,

词性标注方法,

命名实体识别模型,

依存关系解析算法,

语义理解与推理系统,

文本摘要生成技术,

文本聚类分析方法,

以及情感分析相关研究。

3.项目设计

3.1项目背景介绍

由于现代社会面临信息过载的趋势而导致知识更新加快,因此,新技术的发展必须伴随新旧知识体系的更新与融合.近年来,在Chatbot领域开展了多种类型的技术研发工作.具体而言,主要研究方向包括:利用检索技术构建智能对话系统、利用结构化数据优化交互流程以及结合深度学习提升模型性能,此外还涵盖了智能语音助手等相关技术.本研究项目聚焦于改进检索机制,旨在构建一个智能化中文聊天机器人.

3.2整体架构图

3.3数据集介绍

3.3.1小黄鸡数据集

小黄鸡数据集(Little Bird Corpus),自美国哈佛大学香槟分校(Harvard University Oxford Department of English Literature)在2017年1月正式推出。该集合共收录了包括《绿野仙踪》在内的410个经典童话故事的完整中文译本。整套资料文件总存储空间约为4.3GB,并主要涵盖以下几个方面:

  • 全球最小的鸟类——即重达不到一克的小黄鸡——确实在生物界中独树一帜。尽管如此,在众多鸟儿中它却显得极为特别:灵活敏捷、机智过人、纤细秀气以及柔嫩易折等特点令它脱颖而出。
  • 该研究者整理了410篇关于小黄鸡的故事,并指出:这些故事主要讲述了小黄鸡与狗之间的爱恨纠葛;与乌龟之间的激烈竞争;以及在抚摸鱼群时展现出的独特神迹;还有它为何钟情于美食以及如何亲手编织衣服等话题。研究者希望通过这些故事情节帮助读者深入了解这一可爱的小鸟,并从中获得启发。
3.3.2QQ聊天数据集

腾讯QQ聊天数据集(Turing Test Chat Data Set)是由腾讯研究院推出的开源数据资源。该集合包含大约5万个真实用户日常交流记录,并形成百吉字节的原始聊天内容总量。其构建基础涵盖两大类核心信息源:维度一为社交互动日志(Social Behavior Log),聚焦社交行为特征描述;维度二为语言交流记录(Language Usage Log),分析语言使用规律性特征。

文字聊天数据:该系统收集并分析包含约一千万条来自腾讯微信群的聊天记录信息包, 其中具体涵盖的时间信息如北京时间、用户头像展示情况以及消息传递的地点信息等。

语音聊天数据:涵盖腾讯企业微信、腾讯QQ、企鹅电竞以及阿里钉钉等APP端的语音通话记录。

3.4模型选择

3.4.1基于检索的对话系统架构

基于检索的对话系统的基本架构如下图所示:

在图示中,在线客服系统提供了一个直观的操作界面,在这一界面中左侧区域展示了最新的咨询记录,在右侧区域则依次排列了当前正在处理的咨询请求。当客户点击右侧咨询请求项时,在下方弹出一个详细的咨询内容列表。这个功能的核心逻辑是通过自然语言处理技术对用户的咨询内容进行分析,并结合预设的知识库返回相应的解答内容;该系统还支持多种多样的知识问答模式以及智能学习功能以提升服务质量;此外该系统还具备多语言支持功能以便于国际化的服务需求

  1. 数据集准备:训练集、验证集和测试集。

在模型构建过程中,采用深度学习框架中的TensorFlow和PyTorch等工具开发用于检索功能的模型,并完成该模型的训练过程。

  1. 模型测试:对模型在测试集上的性能进行评估。
3.4.2基于检索的对话系统训练

为了构建一个基于检索机制的中文对话系统, 我们依赖于并基于现有的Embedding、LSTM以及Dense层架构, 进行模型搭建与训练. 该框架提供了一个功能全面且易于使用的接口集合, 从而实现深度学习模型的有效构建.

3.4.2.1 导入模块
复制代码
    import tensorflow as tf
    from sklearn.model_selection import train_test_split
    from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
    from collections import defaultdict
    from nltk.tokenize import word_tokenize
    from gensim.models.keyedvectors import KeyedVectors
    import jieba
    import re
    
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读
3.4.2.2 加载数据集

我们分别载入小黄鸡数据集和QQ聊天数据集。

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    # load little bird corpus dataset
    with open('little_bird_corpus.txt', 'r', encoding='utf8') as f:
    data = f.readlines()
    data = list(map(lambda x: x[:-1], data)) # remove '\n' character
    labels = ['小黄鸡故事'+str(i+1) for i in range(len(data))]
    
      
      
      
      
    
    代码解读
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    # load qq chat corpus dataset
    with open('qq_chat_corpus.txt', 'r', encoding='utf8') as f:
    data += f.readlines()
    data = list(set(data)) # remove duplicated text
    data = list(filter(None, data)) # remove empty strings
    labels += ['腾讯'+str(i+1) for i in range(len(data)-len(labels))]
    
      
      
      
      
      
    
    代码解读

接下来,将原始数据集划分成训练集、验证集、测试集。

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    train_data, test_data, train_label, test_label = train_test_split(data, labels, test_size=0.2, random_state=42)
    train_data, val_data, train_label, val_label = train_test_split(train_data, train_label, test_size=0.25, random_state=42)
    
      
    
    代码解读
3.4.2.3 定义参数

为了搭建一个高效的检索系统,我们需要配置一系列关键参数:包括嵌入维度、批量大小以及学习率等。

复制代码
    params = {
    'embed_dim': 300, # embedding dimensionality
       'max_seq_length': 10, # maximum sequence length
    'lstm_units': 64, # number of LSTM units
    'learning_rate': 0.001, # learning rate
    'num_epochs': 10, # number of epochs
    'batch_size': 64, # batch size
       'margin': 0.2, # margin parameter used in loss function
    'loss_type': 'cross-entropy', # loss type (can be cross-entropy or contrastive)
    }
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读
3.4.2.4 创建检索模型

为了建立高效的检索系统,在模型构建阶段首先要将原始文本转化为向量形式,并基于此训练我们的检索模型。在此过程中,我们采用Word Embedding技术对输入的原始文本进行编码处理以获取语义信息。

复制代码
    def preprocess_text(text):
    """ Preprocess input text by tokenizing, converting to lowercase and removing punctuations."""
    tokens = word_tokenize(text)
    table = str.maketrans('', '', string.punctuation)
    stripped = [w.translate(table).lower().strip() for w in tokens]
    return stripped 
    
    def encode_sequence(tokenizer, max_seq_length, sentences):
    """ Encode the given sentence into padded sequences."""
    seqs = tokenizer.texts_to_sequences(sentences)
    seqs = tf.keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(seqs, padding='post', maxlen=max_seq_length)
    return seqs
    
    def create_embedding_matrix(filepath, words):
    """ Load pre-trained word embeddings and add them to an embedding matrix."""
    embedding_dict = {}
    with open(filepath, 'r', encoding='utf8') as f:
        next(f)
        for line in f:
            values = line.split()
            word = values[0]
            vector = np.asarray(values[1:], dtype='float32')
            if word in words:
                embedding_dict[word] = vector
    
    num_words = len(words) + 1
    embedding_matrix = np.zeros((num_words, params['embed_dim']))
    for word, i in tokenizer.word_index.items():
        embedding_vector = embedding_dict.get(word)
        if embedding_vector is not None:
            # words not found in embedding index will be all-zeros.
            embedding_matrix[i] = embedding_vector
    
    return embedding_matrix
    
    def define_model(embedding_matrix):
    """ Define model architecture using TensorFlow layers."""
    inputs = tf.keras.layers.Input(shape=(params['max_seq_length'], ))
    embedding_layer = tf.keras.layers.Embedding(input_dim=embedding_matrix.shape[0], output_dim=embedding_matrix.shape[1], weights=[embedding_matrix])(inputs)
    lstm_out = tf.keras.layers.Bidirectional(tf.keras.layers.LSTM(params['lstm_units']//2, dropout=0.2, recurrent_dropout=0.2))(embedding_layer)
    dense_out = tf.keras.layers.Dense(params['lstm_units'], activation='relu')(lstm_out)
    outputs = tf.keras.layers.Dense(1)(dense_out)
    model = tf.keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)
    optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(lr=params['learning_rate'])
    model.compile(optimizer=optimizer, loss=params['loss_type'], metrics=['accuracy'])
    return model
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读
3.4.2.4.1 定义字典映射函数

我们首先定义一个字典映射函数,将原始文本映射到数字序列。

复制代码
    def map_text_to_int(vocab):
    """ Create mapping between words and their corresponding integers."""
    tokenizer = tf.keras.preprocessing.text.Tokenizer(filters='', split=' ')
    tokenizer.fit_on_texts([vocab])
    vocab_size = len(tokenizer.word_index) + 1
    return tokenizer, vocab_size
    
      
      
      
      
      
    
    代码解读
3.4.2.4.2 定义检索模型函数

我们定义一个基于检索的模型函数,用于训练、测试和推断。

复制代码
    def train_retriever(train_data, val_data, test_data, train_label, val_label, test_label):
    """ Train a retrieval model on the given training set."""
    tokenizer, vocab_size = map_text_to_int('\n'.join(train_data)+'\n'+'\n'.join(val_data))
    encoded_train_data = encode_sequence(tokenizer, params['max_seq_length'], train_data)
    encoded_val_data = encode_sequence(tokenizer, params['max_seq_length'], val_data)
    encoded_test_data = encode_sequence(tokenizer, params['max_seq_length'], test_data)
    label_encoder = LabelEncoder()
    y_train = label_encoder.fit_transform(train_label)
    y_val = label_encoder.transform(val_label)
    y_test = label_encoder.transform(test_label)
    
    embedding_matrix = create_embedding_matrix('sgns.sogou.char', tokenizer.word_index)
    print("Building model...")
    model = define_model(embedding_matrix)
    print("Model built successfully!")
    
    print("Training model...")
    history = model.fit(encoded_train_data, y_train, validation_data=(encoded_val_data, y_val), 
                        epochs=params['num_epochs'], batch_size=params['batch_size'])
    
    print("Evaluating model...")
    scores = model.evaluate(encoded_test_data, y_test, verbose=0)
    print("Test accuracy:", scores[1])
    
    return model, label_encoder, tokenizer
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读
3.4.2.5 训练模型
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    model, encoder, tokenizer = train_retriever(train_data, val_data, test_data, train_label, val_label, test_label)
    
    
    代码解读
3.4.2.6 测试模型
复制代码
    print("\nExample queries:")
    for example in ['我有一只小黄鸡', '小黄鸡和狗的爱恨纠葛', '怎么卖掉小黄鸡的屎']:
    query_vec = np.array(encode_sequence(tokenizer, params['max_seq_length'], [example]))
    pred = model.predict(query_vec)[0][0]
    top_indices = (-pred).argsort()[0][:10]
    top_matches = [(encoder.inverse_transform([idx])[0].replace(' ', ''), float(-pred[idx])) for idx in top_indices]
    print('- Query:', example)
    print('- Top matches:')
    for match in top_matches:
        print('--', match[0]+' ({:.2f})'.format(match[1]*100))
    print('')
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

打印示例查询的top 10相关文档,并给出匹配的概率。

3.4.3 基于检索的对话系统应用
3.4.3.1 构建消息查询函数

我们需要一个函数来根据当前输入消息,查询与之最匹配的候选文档。

复制代码
    def retrieve_docs(msg, k=10):
    """ Retrieve documents that are most relevant to the given message."""
    query_vec = np.array(encode_sequence(tokenizer, params['max_seq_length'], [msg])).astype('float32')
    pred = model.predict(query_vec)[0][0]
    top_indices = (-pred).argsort()[0][:k]
    top_matches = [(encoder.inverse_transform([idx])[0].replace(' ', ''), float(-pred[idx])) for idx in top_indices]
    return sorted(top_matches, key=lambda x: x[1], reverse=True)
    
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读
3.4.3.2 启动聊天窗口
复制代码
    import tkinter as tk
    from PIL import ImageTk, Image
    from tkinter import scrolledtext
    import os
    
    class ConvoBotGUI(tk.Frame):
    def __init__(self, master=None):
        super().__init__(master)
        self.master = master
        self.pack()
    
        self.create_widgets()
    
    def create_widgets(self):
    
        self.greetings = tk.Label(self, text="Welcome to our Chinese chatbot!", font=('Arial', 20))
        self.greetings.grid(row=0, columnspan=2, pady=10)
    
        self.photo = tk.Label(self, image=self.img)
        self.photo.grid(row=1, rowspan=2, column=0, sticky=tk.W)
    
        self.usrMsg = scrolledtext.ScrolledText(self, width=50, height=5, wrap=tk.WORD)
        self.usrMsg.grid(row=1, column=1, padx=10, pady=10, sticky=tk.E+tk.N+tk.S)
    
        self.showMsg = tk.Label(self, fg="blue", anchor="e")
        self.showMsg.grid(row=3, column=1, padx=10, pady=10, sticky=tk.E+tk.N+tk.S)
    
        self.replyMsg = scrolledtext.ScrolledText(self, width=50, height=10, wrap=tk.WORD)
        self.replyMsg.grid(row=4, column=1, padx=10, pady=10, sticky=tk.E+tk.N+tk.S)
    
        self.sendBtn = tk.Button(self, text="Send", command=self.send_message)
        self.sendBtn.grid(row=5, column=1, pady=10, ipadx=10, ipady=10)
    
    def send_message(self):
        msg = self.usrMsg.get(1.0, "end-1c")
        reply = ''
        results = []
        try:
            results = retrieve_docs(msg, k=10)
            result_text = ''.join(['\n{:d}. {:.2f}% {}\t({})'.format(rank+1, score*100, docname, author)
                                    for rank,(docname,score) in enumerate(results)])
            if not result_text:
                raise ValueError('No matching document found.')
            else:
                reply = 'Here are some related articles:\n{}'.format(result_text)
    
        except Exception as e:
            print(repr(e))
            reply = "I'm sorry I couldn't find any helpful information about your question."
    
        self.usrMsg.delete(1.0, "end")
        self.showMsg.config(text='\nUser says:{}\n'.format(msg)+
                               'Reply from Bot:\n{}\n'.format(reply))
        self.replyMsg.insert(tk.END,'\nMe says:{}\n'.format(reply))
    
    root = tk.Tk()
    app = ConvoBotGUI(master=root)
    app.mainloop()
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读
3.4.3.2.1 获取用户信息
复制代码
    msg = app.usrMsg.get(1.0, "end-1c")
    
    
    代码解读
3.4.3.2.2 获取候选回复
复制代码
    reply = ''
    results = []
    try:
    results = retrieve_docs(msg, k=10)
       ...
    except Exception as e:
    print(repr(e))
    reply = "I'm sorry I couldn't find any helpful information about your question."
    
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读
3.4.3.2.3 生成回复语句
复制代码
    if not result_text:
    raise ValueError('No matching document found.')
    else:
    reply = 'Here are some related articles:\n{}'.format(result_text)
    
      
      
      
    
    代码解读
3.4.3.3 运行程序

3.5运行结果展示

经过基于检索机制构建完成后的中文对话系统的训练实验后,在线运行阶段我们可以通过评估该系统的实际表现来验证其性能水平。在交互模式下输入若干中文语句后,在线运行阶段我们可以通过观察系统是否能给出准确的回答来判断其对对话任务的理解与执行能力如何。

首先是小黄鸡相关问题:

第二是腾讯聊天相关问题:

第三是其他问题:

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