一、模型结构

2014年，Yoon Kim针对CNN的输入层做了一些变形，提出了文本分类模型textCNN。与传统图像的CNN网络相比, textCNN 在网络结构上没有任何变化，包含只有一层卷积,一层最大池化层, 最后将输出外接softmax 来进行n分类。
模型结构：

本文使用的数据集是 THUCNews 。

二、文本分词与编码

1. 分词与编码器

这里使用bert的预训练模型 bert-base-chinese 实现tokenizer过程。更多与bert分词编码相关知识可以移步到这里查看。

2. 数据加载器

数据加载器使用pytorch 的 dataset，关于DataSet更多知识可以移步到这里查看。

# 定义数据加载器
class Dataset(data.Dataset):
    def __init__(self, data_path):
        super().__init__()
        self.lines = open(data_path, encoding='utf-8').readlines()
        # 如果要指定缓存目录，可以使用 cache_dir='/kaggle/working/tokenizer'
        self.tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained(BERT_TOKENIZER_MODEL)

    def __len__(self):
        return len(self.lines)

    # 取每条数据进行编码
    def __getitem__(self, index):
        text, label = self.lines[index].split('\t')
        tokenizer = self.tokenizer(text)

        input_ids = tokenizer['input_ids']
        attention_mask = tokenizer['attention_mask']
        # input_ids 和 attention_mask补全
        if len(input_ids) < TEXT_LEN:
            pad_len = (TEXT_LEN - len(input_ids))
            input_ids += [BERT_PAD_ID] * pad_len
            attention_mask += [0] * pad_len
        target = int(label)
        return torch.tensor(input_ids[:TEXT_LEN]), torch.tensor(attention_mask[:TEXT_LEN]), torch.tensor(target)

二、模型定义

1. 卷积层

模型定义3个卷积层，卷积大小分别是2，3，4。
卷积激活函数使用relu。

2. 池化层

卷积后进行最大池化，池化是在2维上进行，池化后进行降维处理。

3. 全连接层

根据池化层的输出和分类类别数量，构建全连接层，再经过softmax，得到最终的分类结果。
这里使用torch.nn.Linear(input_num, num_class)定义全连接层，其中input_num是池化层输出的维数，即m，num_class是分类任务的类别数量。

def conv_and_pool(conv, input):
    out = conv(input)
    # 第一次out.shape=[2,256,29,1]
    out = F.relu(out)
    # 池化在2维上进行，out.shape是范围大小，最后进行降维
    return F.max_pool2d(out, (out.shape[2], out.shape[3])).squeeze()


class TextCNN(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.bert = BertModel.from_pretrained(BERT_TOKENIZER_MODEL)
        # 固定bert的参数，只训练下游参数
        for name, param in self.bert.named_parameters():
            param.requires_grad = False
        # 从1 变为 256个通道
        # 这里定义3个层，卷积核大小分别是[2,3,4]
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, NUM_FILTERS, (2, EMBEDDING_DIM))
        self.conv2 = nn.Conv2d(1, NUM_FILTERS, (3, EMBEDDING_DIM))
        self.conv3 = nn.Conv2d(1, NUM_FILTERS, (4, EMBEDDING_DIM))
        # 全连接
        self.linear = nn.Linear(NUM_FILTERS * 3, NUM_CLASSES)

    def forward(self, input, mask):
        # self.bert 第0元素 [2,30,768]
        # unsqueeze 进行升维，变成[2,1,30,768]
        out = self.bert(input, mask)[0].unsqueeze(1)
        # 第1层输出 [2,256]
        # 在1维上拼接，输出[256,3]，3个层上进行拼接
        out1 = conv_and_pool(self.conv1, out)
        out2 = conv_and_pool(self.conv2, out)
        out3 = conv_and_pool(self.conv3, out)
        out = torch.cat([out1, out2, out3], dim=1)
        # 把3个层拼接，1个层是 out1 = self.conv_and_pool(self.conv1, out)
        # 输出[2,10]
        return self.linear(out)

三、训练过程

按批次取训练数据，调用模型进行训练，主要是以下几个步骤：

1. 获取loss：输入数据和标签，计算得到预测值，计算损失函数；
2. optimizer.zero_grad() 清空梯度；
3. loss.backward() 反向传播，计算当前梯度；
4. optimizer.step() 根据梯度更新网络参数

        for batch, (input, mask, target) in enumerate(train_loader):
            input = input.to(DEVICE)
            mask = mask.to(DEVICE)
            target = target.to(DEVICE)
            # 预测，形状10*10
            pred = model(input, mask)
            loss = loss_fn(pred, target)
            optimizer.zero_grad()
            loss.backward()
            optimizer.step()

四、测试过程

测试过程对每次正确率累加，最后打印整体的测试结果：

def test():
    test_dataset = Dataset(TEST_SAMPLE_PATH)
    test_loader = data.DataLoader(test_dataset, batch_size=100, shuffle=False)

    loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()

    y_pred = []
    y_true = []

    with torch.no_grad():
        for batch, (input, mask, target) in enumerate(test_loader):
            input = input.to(DEVICE)
            mask = mask.to(DEVICE)
            target = target.to(DEVICE)
            test_pred = model(input, mask)
            loss = loss_fn(test_pred, target)
            print('>> batch:', batch, 'loss:', round(loss.item(), 5))
            test_pred_ = torch.argmax(test_pred, dim=1)
            # 计算整体正确率
            y_pred += test_pred_.data.tolist()
            y_true += target.data.tolist()
    # 打印整体的测试指标
    print(evaluate(y_pred, y_true, id2labels))

五、预测过程

1. 把输入文本进行分词编码
2. 输入模型，通过argmax计算预测值
3. 通过id转标签函数计算标签值

def predict(texts):
    # 分词
    tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained(BERT_TOKENIZER_MODEL)

    batch_input_ids = []
    batch_mask = []
    start = time.time()
    for text in texts:
        tokenizers = tokenizer(text)
        input_ids = tokenizers['input_ids']
        attention_masks = tokenizers['attention_mask']
        if len(input_ids) < TEXT_LEN:
            pad_len = (TEXT_LEN - len(input_ids))
            input_ids += [BERT_PAD_ID] * pad_len
            attention_masks += [0] * pad_len
        batch_input_ids.append(input_ids[:TEXT_LEN])
        batch_mask.append(attention_masks[:TEXT_LEN])

    batch_input_ids = torch.tensor(batch_input_ids)
    batch_mask = torch.tensor(batch_mask)
    pred = model(batch_input_ids.to(DEVICE), batch_mask.to(DEVICE))
    pred_ = torch.argmax(pred, dim=1)

    ret = ([id2labels[index] for index in pred_])
    end = time.time()
    runTime = end - start
    print("共", len(texts), '条数据，运行时间:', runTime, '秒,平均每条时间', runTime / len(texts), '秒')
    return ret