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The Rise of Smart Assistants on Facebook Messenger

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作者:禅与计算机程序设计艺术

1.简介

随着科技的发展日新月异推动人类社会正经历一场深刻变革。信息化时代如雨后春笋般涌现的数据信息呈现出爆发式增长态势,在线数据产生速度不断加快使得人们面临着前所未有的挑战:如何在海量信息中筛选出有价值的内容并做出及时反应成为一项重要的能力要求。而实现这一目标的核心技术正是人机交互技术(Human-Computer Interaction, HCI)。它不仅是一种技术手段更是一场深刻的 societal变革正在重塑我们的生活方式与生产模式。例如,在过去几年间Facebook Messenger这一聊天应用以其用户的数量激增速度远远超过了WhatsApp这一现象堪称信息消费领域的一次革命性突破。随着社交媒体平台和智能聊天机器人的快速发展越来越多的企业开始将注意力转向开发能够智能化服务的智能助手产品以期在竞争激烈的市场中占据有利地位。然而就目前而言许多企业在实际操作中仍存在诸多问题:智能助手与传统聊天机器人究竟有何不同?如何确保这些工具真正能够提升人类的工作效率与生活质量?这些问题值得我们深入探讨。

2.基本概念和术语

2.1 HCI相关术语

2.1.1 用户中心设计

User-centered design (UCD) is a method that prioritizes user needs, expectations, and goals as its foundation. It focuses on understanding these elements through research, analysis, and practical application. The UCD framework consists of five stages: Understanding (Understand), Experience (Experience), Development (Develop), Validation (Validate), and Improvement (Improve). Each stage is designed to address users' real-world needs and behaviors systematically. The primary goal of the UCD approach is to create products that meet user expectations while effectively solving real-world issues. By adhering to these principles, UCD ensures that the resulting products are not only functional but also aligned with user-centric values. This methodology has proven effective in enhancing user satisfaction across various industries.

2.1.2 概念模型

概念模型是一个核心工具,用于阐述用户场景任务信息和系统等各方面的交互过程及关联. 概念模型包括实体属性关系行为和事件的构成. 实体体现事物的静态特征并涉及对象人组织空间时间和位置等方面. 属性体现事物的静态特征如颜色形状大小材料等. 关系用来描述事物间的动态联系涵盖主客体从属关系时间关联性 etc. 行为用来表现系统或人在执行过程中所进行的活动. 事件则表征了变化的发生以及触发条件.

2.1.3 引导性语言

引导性语言代表了一种新颖的沟通方式,在无需先前训练的情况下就可以快速掌握说话技巧。它不仅有助于人们有效传达信息,在日常对话中也因其亲切和易于理解而广受欢迎。由于口头交流往往让人感到冷落,在这种情况下许多人会选择书面表达来传达自己的观点。引导性语言也会产生隐喻和象征意义,在培养情绪投射方面具有独特作用。它让用户感觉自己处于一种被支配的地位,在这种状态下他们可能会感到鼓舞或者受到压制。

2.2 聊天机器人的定义

一个Chatbot是智能助手程序的一个角色扮演角色,在线客服系统能够自动地与人类交流。基于用户的输入数据进行信息检索、回应问题以及个性化推荐,并持续地与其进行交流对话。基于其对语言的理解能力下,在线客服系统能够执行多种任务如天气查询, 电影搜索, 计算工具等运算操作并提供相关信息服务。目前全球范围内已开发出数百种不同类型的聊天机器人系统,在各个领域都能找到其应用身影包括但不限于打车服务人员, 保险咨询师, 银行客户服务中心代表等。

2.3 聊天机器人的分类

该分类主要包括三种不同的机器类型:基于检索机制的设计模式(Retrieval-based chatbot)、以指令为导向的操作型聊天机器人(Directive-based chatbot),以及模仿人类自然语言交流的对话机器人(Simulated Human Natural Language Robot)。

检索式机器人 是一种 基于 语义理解 和 文本匹配 的 技术 ,用于 回应 用户 问题 。其 主要 工作 流程 包括 : 第一步 接收 用户 输入 , 第二步 搜索 知识 库 中 的 相关 信息 , 第三步 通 过 语义 分析 确定 问 题 的 目 的 , 第四步 结 合 规则 和 逻辑 判断 得 出 用户 回答 。 根据 不同 的 上下文 和 需求 ,该 类型 的 机器人 能够 输出 相应 的 回答 。

基于自然语言处理技术开发的一种聊天机器人工具。它不仅能够解析用户的语言信息,并且具备自主决策能力。其基本运作流程包括以下几个步骤:首先接收用户的指令输入,在接收到指令后执行相应的操作程序,并将运算结果反馈给用户查看。这种设计能够通过分析用户的语言意图来规划后续的操作步骤。

  1. 人工客服 人工客服是指由计算机通过自然语言处理技术实现与人对话的人工智能系统。该系统的主要功能是通过自然语言处理技术实现与人对话,并能够持续输出信息。其语调和风格往往更具趣味性,并在交流效果上表现出色。相比于传统的人工客服人员, 该系统不仅能够24小时不间断工作, 而且可以通过不断学习优化服务质量, 是企业提升客户体验的重要手段之一

3.核心算法原理和具体操作步骤

3.1 对话管理与自适应响应

3.1.1 对话管理

对话管理是指如何追踪多个用户之间的多轮互动,并基于对话的历史记录和当前状况智能回应用户的请求。通过对历史对话数据资源的比较与整合,在分析用户意图、态度以及目的等方面的信息时展现出多维度解析能力。这种技术有助于构建机器人具备更精确且有序的沟通体验。

3.1.2 自适应响应

自适应响应是指机器人基于用户的最新消息内容及当前对话状态动态生成回应。该技术既能提供标准化且常规的回答内容,也能通过深入分析特定领域知识库与丰富语料资源来产出创新且独特的回答。其效果主要取决于对用户意图识别、信息来源渠道评估以及情感倾向感知等多方面因素的综合考量。

3.2 聊天行为建模

3.2.1 意图识别

意图识别旨在判定用户所表达的内容,并明确对话目的;这类系统通常包含两个主要环节:一是将用户的输入文本转化为计算机可处理的形式;二是随后解析该输入内容的目的标签。具体而言,在第一步中会将用户的输入转化为计算机可处理的形式;而在第二步中则会解析该输入内容的目的标签;例如用于搜索信息、确认订单状态或取消预定交易等场景中。

3.2.2 话题理解

话题理解旨在从对话中提取关键概念及其关联关系,并明确对话参与者的关注点和讨论重点。该过程主要依靠语义角色标注、词性分析以及命名实体识别等技术手段来实现。

3.2.3 会话状态维护

会话状态主要负责处理用户的交流历史数据以及相关的系统运行情况,在该模块下旨在动态更新和管理整个会话的状态信息。在对会话进行动态更新的过程中,系统会持续跟踪收集包括但不限于:用户的最新消息内容及相关的日志记录数据在内的所有交流信息,并且系统还会持续关注用户的当前状态下具体的目标设定及优先关注的重点领域。

3.2.4 情感理解

情感理解指通过深入研究用户的交流记录来准确判断用户的内心活动和情感状态。这种技术使得聊天机器人能够基于用户的情感需求设计更加贴合人性化的回应策略。

3.2.5 多领域管理

多领域管理涉及对话管理模块具备识别多个不同领域的用户并响应其需求。在用户的对话涉及多个领域的情况下首先系统会自动识别出用户关注的重点并根据这些重点进行分类和分配从而确保服务质量。

3.3 生成式聊天机器人原理及操作步骤

3.3.1 模型训练

获取大量数据用于训练模型是训练机器人所必须遵循的第一步。在这一过程中, 模型的训练过程涉及多种核心技术手段, 包括文本理解、序列学习以及模式识别等环节。其中, 文本理解模块通过分析用户的输入信息完成对文本内容的理解与分类, 并提取出关键信息结构。随后, 序列学习模块通过分析用户的输入信息建立相应的知识库, 并形成对话所需的模式。最后, 模式识别模块通过研究用户的对话行为识别其活动规律, 并提取其特征表现形式。

3.3.2 对话策略

生成式聊天机器人的对话策略由若干个功能独立的子系统构成。其中第一部分为自然语言理解功能,主要承担文本理解和意图识别的任务。第二部分为内容生成系统,其职责是完成回复内容的生成工作。第三部分为智能选择系统,该系统能够根据特定需求从候选回复中筛选出最佳回应方案。最后一个是后处理系统,它会对生成内容进行后续优化和精炼处理。

3.3.3 评估与迭代

对生成式对话机器人系统的评估与优化研究主要包括两个方面:一是数据量的扩展以及模型参数的优化调整。其中数据量的扩展指的是通过收集和引入更多样化的用户输入信息来增强系统处理能力;而模型参数的优化则涉及通过算法改进和训练过程优化来提高系统在特定任务上的表现能力。只有将这两种策略相结合运用,才能够显著提高系统的整体效能。

4.具体代码实例和解释说明

4.1 TensorFlow聊天机器人项目

4.1.1 安装TensorFlow和下载数据集

复制代码
    !pip install tensorflow==2.3.1

    
    
         
    代码解读

import os import urllib.request

os.mkdir("data", exist_ok=True) urllib.parse.urlretrieve( "http://www.thespermwhale.com/jaseweston/babi/tasks_1-20_v1-2.tar.gz", "data/tasks_1-20_v1-2.tar.gz" )

!tar -zxvf data/tasks_1-20_v1-2.tar.gz --directory data

复制代码
    ### 4.1.2 数据预处理
    ```python
    def load_dataset():
    """Load dataset and preprocess data."""
    task = "qa17_"
    
    train_path = f"{task}task{1}_train.txt"
    test_path = f"{task}task{1}_test.txt"
    
    X_train = []
    y_train = []
    X_test = []
    y_test = []
    
    with open(f"data/{train_path}") as file:
        for line in file:
            items = line.strip().split()
            if len(items) < 2:
                continue
    
            story = [int(i) for i in items[1:-1]]
            query = int(items[-1])
    
            X_train.append((story[:-1], query))
            y_train.append(story[-1])
    
    with open(f"data/{test_path}") as file:
        for line in file:
            items = line.strip().split()
            if len(items) < 2:
                continue
    
            story = [int(i) for i in items[1:-1]]
            query = int(items[-1])
    
            X_test.append((story[:-1], query))
            y_test.append(story[-1])
    
    return (X_train, y_train), (X_test, y_test)
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

4.1.3 模型构建

复制代码
    from tensorflow import keras
    from tensorflow.keras.models import Sequential
    from tensorflow.keras.layers import Dense, Embedding, LSTM, Dropout, Activation
    
    class Seq2SeqModel(object):
    def __init__(self, vocab_size, embed_dim, hidden_dim, dropout_rate=0.5):
        self.encoder_model = None
        self.decoder_model = None
    
        # Encoder model
        encoder_inputs = keras.Input(shape=(None,))
        x = Embedding(vocab_size, embed_dim)(encoder_inputs)
        x = LSTM(hidden_dim, return_sequences=False, name='encoder')(x)
        self.encoder_model = keras.Model(encoder_inputs, x, name='encoder')
    
        # Decoder model
        decoder_inputs = keras.Input(shape=(None,), name='decoder_inputs')
        initial_state = keras.Input(shape=(hidden_dim,), name='initial_state')
        x = Embedding(vocab_size, embed_dim)(decoder_inputs)
        x = LSTM(hidden_dim, return_sequences=True, 
                 name='decoder',
                 stateful=True,
                 initial_state=[initial_state]
                 )(x)
        outputs = TimeDistributed(Dense(vocab_size, activation='softmax'))(x)
        self.decoder_model = keras.Model([decoder_inputs, initial_state], outputs, name='decoder')
    
    def compile(self):
        optimizer = keras.optimizers.Adam(lr=0.01)
        loss ='sparse_categorical_crossentropy'
        self.decoder_model.compile(optimizer=optimizer, loss=loss)
    
    def fit(self, X_train, y_train, batch_size, epochs, validation_split):
        num_batches = len(X_train) // batch_size + 1
    
        history = {'loss': [], 'accuracy': []}
    
        for epoch in range(epochs):
            print('Epoch {}/{}'.format(epoch+1, epochs))
    
            # Train
            pbar = tqdm(range(num_batches), desc='Training')
            running_loss = 0.0
            total_acc = 0.0
            for i in pbar:
                input_batch = X_train[i*batch_size:(i+1)*batch_size][0]
                output_batch = [[y_train[k] for k in range(i*batch_size, (i+1)*batch_size)]]
    
                _, acc, loss = self._fit_batch(input_batch, output_batch)
    
                running_loss += loss * len(output_batch)
                total_acc += acc * len(output_batch)
                avg_loss = running_loss / ((i+1)*len(output_batch))
                avg_acc = total_acc / ((i+1)*len(output_batch))
    
                pbar.set_postfix({'Loss': '{:.4f}'.format(avg_loss)})
                pbar.set_postfix({'Accuracy': '{:.2%}'.format(avg_acc)})
    
            val_loss, val_acc = self.evaluate(*validation_split)
    
            print('\nValidation Loss:', val_loss)
            print('Validation Accuracy:', val_acc)
    
            # Store metrics
            history['loss'].append(avg_loss)
            history['accuracy'].append(avg_acc)
    
        return history
    
    def evaluate(self, X_test, y_test, batch_size=32):
        num_batches = len(X_test) // batch_size + 1
    
        running_loss = 0.0
        total_acc = 0.0
    
        for i in range(num_batches):
            input_batch = X_test[i*batch_size:(i+1)*batch_size][0]
            output_batch = [[y_test[k] for k in range(i*batch_size, (i+1)*batch_size)]]
    
            _, acc, loss = self._fit_batch(input_batch, output_batch, False)
    
            running_loss += loss * len(output_batch)
            total_acc += acc * len(output_batch)
    
        avg_loss = running_loss / (len(X_test) * max(len(y_pred) for y_pred in output_batch))
        avg_acc = total_acc / (len(X_test) * max(len(y_pred) for y_pred in output_batch))
    
        return avg_loss, avg_acc
    
    def _fit_batch(self, inputs, outputs, training=True):
        states_value = self.encoder_model.predict(inputs[:, :-1])
        target_seq = np.array([[outputs[i][j] for j in range(len(outputs[i]))]
                               for i in range(len(outputs))]).transpose((1, 0, 2)).reshape((-1, ))
    
        decoder_inputs = np.concatenate(([[-1]]*states_value.shape[0]), axis=-1).astype(np.float32)
        preds, h, c = self.decoder_model.predict([decoder_inputs, states_value])[:3]
    
        acc = sum(target_seq == np.argmax(preds, axis=-1))/len(target_seq)
    
        if not training:
            return pred
    
        y_true = tf.one_hot(target_seq, depth=preds.shape[-1])
        mask = tf.math.logical_not(tf.math.equal(target_seq, 0))
        mask = tf.cast(mask, dtype=tf.float32)
        loss = tf.reduce_mean(tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits(labels=y_true, logits=preds) * mask)
    
        grads = tape.gradient(loss, self.decoder_model.trainable_weights)
        self.optimizer.apply_gradients(zip(grads, self.decoder_model.trainable_weights))
    
        return loss.numpy(), acc, 0.0
    
    if __name__ == '__main__':
    pass
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

4.1.4 模型训练与评估

复制代码
    if __name__ == '__main__':
    # Load dataset
    (X_train, y_train), (X_test, y_test) = load_dataset()
    
    # Define hyperparameters
    VOCAB_SIZE = 20000
    EMBED_DIM = 32
    HIDDEN_DIM = 128
    DROPOUT_RATE = 0.5
    BATCH_SIZE = 64
    EPOCHS = 50
    VAL_SPLIT = (.2,.8)
    
    # Create model instance
    seq2seq = Seq2SeqModel(VOCAB_SIZE, EMBED_DIM, HIDDEN_DIM, DROPOUT_RATE)
    
    # Compile the model
    seq2seq.compile()
    
    # Fit the model
    history = seq2seq.fit(X_train, y_train, BATCH_SIZE, EPOCHS, VAL_SPLIT)
    
    # Evaluate the model
    score = seq2seq.evaluate(X_test, y_test, batch_size=BATCH_SIZE)
    print('Test Loss:', score[0])
    print('Test Accuracy:', score[1])
    
    # Plot accuracy and loss curves over time
    plt.plot(history['loss'], label='Train loss')
    plt.plot(history['accuracy'], label='Train accuracy')
    plt.legend()
    plt.xlabel('# Epochs')
    plt.ylabel('%')
    plt.show()
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

5.未来发展趋势与挑战

聊天机器人长期以来一直是具有广阔应用前景的技术。然而,在某些产品的研发过程中推进其向商业化方向发展所面临的障碍则显得尤为重大。当前社会普遍认为,在开发聊天机器人时往往需要依托数据驱动的方法以及规模化的团队协作才能取得进展;因此企业在这方面的投资往往举步维艰难以取得突破性进展。同时社交媒体平台与专门开发聊天机器人的平台在用户接受度以及普及程度方面仍存在明显差距;展望未来这一技术的发展将面临哪些新的挑战仍是一个值得深入探讨的问题。

  1. 协议层面的优化 当前消息传递的核心机制仍沿用IP协议作为基础,这一架构限制了聊天机器人在实际应用中的表现空间。随着移动互联网技术的发展,微信、QQ、钉钉等多个社交平台纷纷转向支持移动端通信的产品架构,这也对聊天机器人必须具备的基础能力提出了更高要求。
  2. 更为复杂的应用场景 当下,聊天机器人主要局限于处理基本对话与应答,但其未来的发展必然面临更为复杂的应用场景挑战。例如,智能建议系统、事务性业务处理模块、安全事件预警系统等都需要得到相应的支撑能力。
  3. 更加智能化的算法体系 当前,聊天机器人主要依赖于传统语言模型与规则匹配技术支撑日常交流需求,但面对日益复杂的实际问题时,这种技术架构已显现出明显的局限性。因此,推动构建更加智能化的算法体系成为当前研究领域的重要课题之一。

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