Создание простого разговорного чатбота в python

Как выдумаете, сложно ли написать на Python собственного чатбота, способного поддержать беседу? Оказалось, очень легко, если найти хороший набор данных. Причём это можно сделать даже без нейросетей, хотя немного математической магии всё-таки понадобится.

Идти будем маленькими шагами: сначала вспомним, как загружать данные в Python, затем научимся считать слова, постепенно подключим линейную алгебру и теорвер, и под конец сделаем из получившегося болтательного алгоритма бота для Телеграм.

Этот туториал подойдёт тем, кто уже немножко трогал пальцем Python, но не особо знаком с машинным обучением. Я намеренно не пользовался никакими nlp-шными библиотеками, чтобы показать, что нечто работающее можно собрать и на голом sklearn.

Поиск ответа в диалоговом датасете

Год назад меня попросили показать ребятам, которые прежде не занимались анализом данных, какое-нибудь вдохновляющее приложение машинного обучения, которое можно собрать самостоятельно. Я попробовал собрать вместе с ними бота-болталку, и у нас это действительно получилось за один вечер. Процесс и результат нам понравились, и написал об этом в своем блоге. А теперь подумал, что и Хабру будет интересно. Итак, начинаем. Наша задача — сделать алгоритм, который на любую фразу будет давать уместный ответ. Например, на «как дела?» отвечать «отлично, а у тебя?». Самый простой способ добиться этого — найти готовую базу вопросов и ответов. Например, взять субтитры из большого количества кинофильмов.
Я, впрочем, поступлю ещё более по-читерски, и возьму данные из соревнования Яндекс.Алгоритм 2018 — это те же диалоги из фильмов, для которых работники Толоки разметили хорошие и неплохие продолжения. Яндекс собирал эти данные, чтобы обучать Алису (статьи о её кишках 1, 2, 3). Собственно, Алисой я и был вдохновлен, когда придумывал этого бота. В таблице от Яндекса даны три последних фразы и ответ на них (reply), но мы будем пользоваться только самой последней из них (context_0). Имея такую базу диалогов, можно просто искать в ней каждую реплику пользователя, и выдавать готовый ответ на ней (если таких реплик много, выбирать случайно). С «как дела ?» такое отлично получилось, о чём свидетельствует приложенный скриншот. Это, если что, jupyter notebook на Python 3. Если вы хотите повторить такое сами, проще всего установить Анаконду — она включает Python и кучу полезных пакетов для него. Или можно ничего не устанавливать, а запустить блокнот в гугловском облаке.

Проблема дословного поиска в том, что у него низкое покрытие. На фразу «как твои дела ?» в базе из 40 тысяч ответов точного совпадения не нашлось, хотя смысл у неё тот же самый. Поэтому в следующем разделе мы будем дополнять наш код, применяя разную математику, чтобы реализовать приближённый поиск. А перед этим вы можете почитать про библиотеку pandas и разобраться, что же делает каждая из 6 строк вышеприведённого кода.

Векторизация текстов

Теперь говорим о том, как превратить тексты в числовые векторы, чтобы осуществлять по ним приближённый поиск.

Мы уже познакомились с библиотекой pandas в Python — она позволяет загружать таблицы, осуществлять поиск в них, и т.п. Теперь затронем библиотеку scikit-learn (sklearn), которая позволяет более хитрые манипуляции с данными — то, что называется машинным обучением. Это значит, что любому алгоритму сперва нужно показать данные (fit), чтобы он узнал о них что-то важное. В результате алгоритм «научится» делать с этими данными что-то полезное — преобразовывать их (transform), или даже предсказывать неизвестные величины (predict). В данном случае мы хотим преобразовать тексты («вопросы») в числовые векторы. Это нужно, чтобы можно было находить «близкие» друг к другу тексты, пользуясь математическим понятием расстояние. Расстояние между двумя точками можно рассчитать по теореме Пифагора — как корень из суммы квадратов разностей их координат. В математике это называется Евклидовой метрикой. Если мы сможем превращать тексты в объекты, у которых есть координаты, то мы сможем вычислять Евклидову метрику и, например, находить в базе вопрос, наиболее всего похожий на «о чём ты думаешь?».
Самый простой способ задать координаты текста — это пронумеровать все слова в языке, и сказать, что i-тая координата текста равна числу вхождений в него i-того слова. Например, для текста «я не могу не плакать» координата слова «не» равна 2, координаты слов «я», «могу» и «плакать» равны 1, а координаты всех остальных слов (коих десятки тысяч) равны 0. Такое представление теряет информацию о порядке слов, но всё равно работает неплохо.

Проблема в том, что у слов, которые встречаются часто (например, частиц «и» и «а») координаты будут несоразмерно большие, хотя информации они несут мало. Чтобы смягчить эту проблему, координату каждого слова можно поделить на логарифм числа текстов, где такое слово встречается — это называется tf-idf и тоже работает неплохо.

Проблема только одна: в нашей базе 60 тысяч текстовых «вопросов», в которых содержится 14 тысяч различных слов. Если превратить все вопросы в векторы, получится матрица 60к*14к. Работать с такой не очень классно, поэтому дальше мы поговорим о сокращении размерности.

Сокращение размерности

Мы уже поставили задачу создания болталочного чатбота, скачали и векторизовали данные для его обучения. Теперь у нас есть числовая матрица, представляющая реплики пользователей. Она состоит из 60 тысяч строк (столько было реплик в базе диалогов) и 14 тысяч столбцов (столько в них было различных слов). Сейчас наша задача — сделать её поменьше. Например, представить каждый текст не 14123-мерным, а всего лишь 300-мерным вектором.

Достичь этого можно, умножив нашу матрицу размера 60049х14123 на специально подобранную матрицу проекции размера 14123х300, в итоге получим результат 60049х300. Алгоритм PCA (метод главных компонент) подбирает матрицу проекции так, чтобы исходную матрицу можно было потом восстановить с наименьшей среднеквадратической ошибкой. В нашем случае получилось сохранить около 44% об исходной матрице, хотя размерность сократилась почти в 50 раз.

За счёт чего возможно такое эффективное сжатие? Напомним, что исходная матрица содержит счётчики упоминания отдельных слов в текстах. Но слова, как правило, употреблятся не независимо друг от друга, а в контексте. Например, чем больше раз в тексте новости встречается слово «блокировка», тем больше раз, скорее всего в этом тексте встретится также слово «телеграм». А вот корреляция слова «блокировка», например, со словом «кафтан» отрицательная — они встречаются в разных контекстах. Так вот, получается, что метод главных компонент запоминает не все 14 тысяч слов, а 300 типовых контекстов, по которым эти слова потом можно пытаться восстановить. Столбцы матрицы проекции, соответствующие синонимичным словам, обычно похожи друг на друга, потому что эти слова часто встречаются в одном контексте. А значит, можно сократить избыточные измерения, не потеряв при этом в информативности.

Во многих современных приложениях матрицу проекции слов вычисляют нейросети (например, word2vec). Но на самом деле простой линейной алгебры для практически полезного результата уже достаточно. Метод главных компонент вычислительно сводится к SVD, а оно — к расчёту собственных векторов и собственных чисел матрицы. Впрочем, программировать это можно, даже не зная деталей.

Поиск ближайших соседей

В предыдущих разделах мы закачали в python корпус диалогов, векторизовали его, и сократили размерность, а теперь хотим наконец научиться искать в нашем 300-мерном пространстве ближайших соседей и наконец-то осмысленно отвечать на вопросы.

Поскольку научились отображать вопросы в Евклидово пространство не очень высокой размерности, поиск соседей в нём можно осуществлять довольно быстро. Мы воспользуемся уже готовым алгоритмом поиска соседей BallTree. Но мы напишем свою модель-обёртку, которая выбирала бы одного из k ближайших соседей, причём чем ближе сосед, тем выше вероятность его выбора. Ибо брать всегда одного самого близкого соседа — скучно, но не завязываться на сходство совсем — опасно. Поэтому мы хотим превратить найденные расстояния от запроса до текстов-эталонов в вероятности выбора этих текстов. Для этого можно использовать функцию softmax, которая ещё часто стоит на выходе из нейросетей. Она превращает свои аргументы в набор неотрицательных чисел, сумма которых равна 1 — как раз то, что нам нужно. Дальше полученные «вероятности» мы можем использовать для случайного выбора ответа.

Фразы, которые будет вводить пользователь, надо пропускать через все три алгоритма — векторизатор, метод главных компонент, и алгоритм выбора ответа. Чтобы писать меньше кода, можно связать их в единую цепочку (pipeline), применяющую алгоритмы последовательно. В результате мы получили алгоритм, который по вопросу пользователя способен найти похожий на него вопрос и выдать ответ на него. И иногда это ответы даже звучат почти осмысленно.

Публикация бота в Telegram

Мы уже разобрались, как сделать чатбота-болталку, который бы выдавал примерно уместные ответы на запросы пользователя. Теперь показываю, как выпустить такого чатбота в Телеграм.

Проще всего использовать для этого готовую обёртку Telegram API для питона — например, pytelegrambotapi. Итак, пошаговая инструкция:

1. Регистрируете своего будущего бота в @botfather и получаете токен доступа, который вам надо будет вставить в свой код.
2. Разово запускаете команду установки — pip install pytelegrambotapi в командной строке (или через! прям в блокноте).
3. Запускаете код примерно как в скриншоте. Ячейка перейдёт в режим исполнения (*), и пока она будет в этом режиме, вы сможете общаться со своим ботом сколько захотите. Чтобы остановить бота, жмите Ctrl+C.
4. Если вы хотите, чтобы бот работал перманентно, вам надо выложить его код на какой-нибудь облачный сервис — например, AWS, Heroku, now.sh или Яндекс.Облако. О том, как запустить их, вы можете узнать в мельчайших подробностях на сайтах этих сервисов или в статьях тут же на Хабре. Вот, например, репа с небольшим примером бота, запускаемого на heroku и кладущего логи в mongodb.

Полный код к статье я намеренно не выкладываю — вы получите гораздо больше удовольствия и полезного опыта, когда напечатаете его сами, и получите работающего бота в результате собственных усилий. Ну или если вам очень лень это делать, можете поболтать с моей версией ботика.