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【python】使用Python和BERT进行文本摘要：从数据预处理到模型训练与生成

web 2025/5/8 9:03:33

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随着信息爆炸时代的到来，海量文本数据的高效处理与理解成为亟待解决的问题。文本摘要作为自然语言处理（NLP）中的关键任务，旨在自动生成简明扼要的文本摘要，帮助用户快速获取关键信息。近年来，基于深度学习的预训练语言模型，尤其是BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers），在文本理解和生成任务中取得了显著进展。本文深入探讨了如何利用Python和BERT模型进行文本摘要，包括数据预处理、模型构建与训练、摘要生成及结果评估等环节。首先，介绍了文本摘要的基本概念及其在实际应用中的重要性。随后，详细阐述了BERT模型的架构及其在文本摘要任务中的应用原理。接着，通过实际案例，展示了如何使用Python进行数据清洗与预处理，并利用Hugging Face的Transformers库构建和训练基于BERT的文本摘要模型。文章还涵盖了生成摘要的具体方法，包括抽取式和生成式摘要技术，并结合代码示例进行详细说明。最后，探讨了模型评估指标及优化策略，旨在为研究人员和开发者提供一套完整的基于BERT的文本摘要解决方案，助力其在信息提取与内容生成领域的创新与实践。

引言

在当今信息爆炸的时代，海量的文本数据如新闻报道、学术论文、社交媒体内容等以惊人的速度涌现。如何高效地从这些海量数据中提取关键信息，成为了自然语言处理（NLP）领域的重要研究方向之一。文本摘要作为NLP中的核心任务，旨在自动生成简明扼要的文本摘要，帮助用户快速获取所需信息，提升信息处理的效率和效果。

传统的文本摘要方法主要分为抽取式摘要和生成式摘要两类。抽取式摘要通过从原文中直接提取关键句子或片段来构建摘要，而生成式摘要则尝试理解原文内容，生成新的句子来表达核心信息。随着深度学习技术的迅猛发展，基于神经网络的文本摘要方法逐渐成为研究热点，尤其是预训练语言模型的应用，为文本摘要任务带来了革命性的突破。

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）作为一种基于Transformer架构的双向编码器表示模型，自推出以来在多个NLP任务中表现出色。其强大的语义理解能力使其在文本摘要任务中具备巨大的潜力。然而，如何有效地利用BERT进行文本摘要，包括数据预处理、模型构建与训练、摘要生成及结果评估，仍然是一个值得深入探讨的问题。

本文旨在系统地介绍如何使用Python和BERT模型进行文本摘要任务。通过详细的理论解析与丰富的代码示例，展示从数据预处理到模型训练，再到摘要生成的完整流程。同时，探讨模型评估与优化策略，帮助读者全面掌握基于BERT的文本摘要技术，推动其在实际应用中的落地与创新。

BERT模型概述

Transformer架构

Transformer架构由Vaswani等人于2017年提出，是一种完全基于注意力机制（Attention Mechanism）的神经网络模型，广泛应用于各种NLP任务。与传统的循环神经网络（RNN）相比，Transformer具有更高的并行化能力和更好的长距离依赖建模能力。Transformer主要由编码器（Encoder）和解码器（Decoder）两部分组成，每部分由多个相同的层（Layer）堆叠而成。

每个编码器层包含两个子层：多头自注意力机制（Multi-Head Self-Attention）和前馈全连接网络（Feed-Forward Neural Network）。每个解码器层则在此基础上增加了一个编码器-解码器注意力机制（Encoder-Decoder Attention）。这种设计使得Transformer在处理序列到序列（Sequence-to-Sequence）任务时表现尤为出色。

BERT模型

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）是Google于2018年提出的预训练语言模型，基于Transformer的编码器部分。BERT的核心创新在于其双向性，即在进行词表示学习时同时考虑左右上下文信息，这一特性显著提升了模型的语义理解能力。

BERT通过两个主要任务进行预训练：掩蔽语言模型（Masked Language Model, MLM）和下一句预测（Next Sentence Prediction, NSP）。MLM任务随机掩蔽输入句子中的一些词汇，模型需根据上下文预测被掩蔽的词；NSP任务则要求模型判断两句话是否在原文中相邻。这两种任务共同训练出具有深厚语义理解能力的语言表示。

BERT在文本摘要中的应用

在文本摘要任务中，BERT可以作为编码器，用于理解输入文本的语义信息。结合解码器部分，BERT可以被扩展为生成式摘要模型。此外，基于BERT的预训练模型，如BERTSUM，通过调整模型结构和训练目标，专门用于摘要生成，取得了良好的效果。

然而，直接使用BERT进行文本摘要存在一些挑战，包括生成的摘要质量、模型的训练效率以及对大规模数据的适应能力。本文将探讨如何通过数据预处理、模型构建与训练、摘要生成等步骤，充分发挥BERT在文本摘要任务中的潜力。

数据预处理

数据集选择

文本摘要任务需要大量的带有摘要的文本对作为训练数据。常用的数据集包括：

CNN/Daily Mail：包含新闻文章及其摘要，广泛用于文本摘要任务。
DUC：由美国国家标准与技术研究院（NIST）组织的文档理解评估会议提供的数据集。
Gigaword：包含大量的新闻摘要数据，适用于训练大规模摘要模型。

本文以CNN/Daily Mail数据集为例，展示数据预处理的具体步骤。

数据清洗与格式化

数据预处理的主要目的是将原始数据转化为模型可以接受的格式，包括去除噪声、统一文本格式、分割训练与测试集等。以下是具体的代码实现：

import os
import re
import json
import pandas as pd
from tqdm import tqdm# 定义数据集路径
DATA_DIR = 'cnn_dm_dataset'
TRAIN_FILE = os.path.join(DATA_DIR, 'train.json')
VALID_FILE = os.path.join(DATA_DIR, 'valid.json')
TEST_FILE = os.path.join(DATA_DIR, 'test.json')# 检查数据文件是否存在
for file in [TRAIN_FILE, VALID_FILE, TEST_FILE]:if not os.path.exists(file):raise FileNotFoundError(f'文件 {file} 不存在，请检查数据集路径。')# 加载数据
def load_data(file_path):"""加载JSON格式的数据参数:file_path -- 数据文件路径返回:texts -- 原文列表summaries -- 摘要列表"""texts = []summaries = []with open(file_path, 'r', encoding='utf-8') as f:for line in tqdm(f, desc=f'加载 {file_path}'):data = json.loads(line)text = data['article']summary = data['highlights']texts.append(text)summaries.append(summary)return texts, summaries# 加载训练、验证和测试集
train_texts, train_summaries = load_data(TRAIN_FILE)
valid_texts, valid_summaries = load_data(VALID_FILE)
test_texts, test_summaries = load_data(TEST_FILE)# 数据示例
print(f'训练集样本数: {len(train_texts)}')
print(f'验证集样本数: {len(valid_texts)}')
print(f'测试集样本数: {len(test_texts)}')# 数据清洗函数
def clean_text(text):"""清洗文本数据，去除特殊字符和多余空格参数:text -- 输入文本返回:清洗后的文本"""# 去除特殊字符text = re.sub(r'[^A-Za-z0-9\s,.!?\'\"-]', '', text)# 替换多个空格为一个空格text = re.sub(r'\s+', ' ', text)return text.strip()# 清洗所有数据
train_texts = [clean_text(text) for text in tqdm(train_texts, desc='清洗训练集')]
valid_texts = [clean_text(text) for text in tqdm(valid_texts, desc='清洗验证集')]
test_texts = [clean_text(text) for text in tqdm(test_texts, desc='清洗测试集')]train_summaries = [clean_text(summary) for summary in tqdm(train_summaries, desc='清洗训练集摘要')]
valid_summaries = [clean_text(summary) for summary in tqdm(valid_summaries, desc='清洗验证集摘要')]
test_summaries = [clean_text(summary) for summary in tqdm(test_summaries, desc='清洗测试集摘要')]# 将清洗后的数据保存为CSV文件，便于后续处理
def save_to_csv(texts, summaries, file_name):"""将文本和摘要保存为CSV文件参数:texts -- 原文列表summaries -- 摘要列表file_name -- 输出文件名"""df = pd.DataFrame({'text': texts, 'summary': summaries})df.to_csv(file_name, index=False, encoding='utf-8')print(f'已保存到 {file_name}')# 保存数据
save_to_csv(train_texts, train_summaries, 'train_clean.csv')
save_to_csv(valid_texts, valid_summaries, 'valid_clean.csv')
save_to_csv(test_texts, test_summaries, 'test_clean.csv')

数据分词与编码

在使用BERT进行文本摘要任务之前，需要对文本进行分词和编码。BERT使用WordPiece分词器，将词汇拆分为更小的子词单元，以处理未登录词和多样化的词汇形式。以下是具体的实现代码：

from transformers import BertTokenizer# 加载预训练的BERT分词器
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-uncased')# 定义最大序列长度
MAX_INPUT_LENGTH = 512
MAX_SUMMARY_LENGTH = 128# 分词和编码函数
def tokenize_and_encode(texts, summaries, tokenizer, max_input_len=MAX_INPUT_LENGTH, max_summary_len=MAX_SUMMARY_LENGTH):"""对文本和摘要进行分词和编码参数:texts -- 原文列表summaries -- 摘要列表tokenizer -- BERT分词器max_input_len -- 原文最大长度max_summary_len -- 摘要最大长度返回:input_ids -- 原文的编码attention_masks -- 原文的注意力掩码summary_ids -- 摘要的编码summary_attention_masks -- 摘要的注意力掩码"""input_ids = []attention_masks = []summary_ids = []summary_attention_masks = []for text, summary in tqdm(zip(texts, summaries), total=len(texts), desc='分词和编码'):# 编码原文encoded_dict = tokenizer.encode_plus(text,add_special_tokens=True,max_length=max_input_len,padding='max_length',truncation=True,return_attention_mask=True,return_tensors='pt')input_ids.append(encoded_dict['input_ids'])attention_masks.append(encoded_dict['attention_mask'])# 编码摘要summary_encoded = tokenizer.encode_plus(summary,add_special_tokens=True,max_length=max_summary_len,padding='max_length',truncation=True,return_attention_mask=True,return_tensors='pt')summary_ids.append(summary_encoded['input_ids'])summary_attention_masks.append(summary_encoded['attention_mask'])# 将列表转换为张量input_ids = torch.cat(input_ids, dim=0)attention_masks = torch.cat(attention_masks, dim=0)summary_ids = torch.cat(summary_ids, dim=0)summary_attention_masks = torch.cat(summary_attention_masks, dim=0)return input_ids, attention_masks, summary_ids, summary_attention_masksimport torch# 进行分词和编码
train_inputs, train_masks, train_summaries_ids, train_summaries_masks = tokenize_and_encode(train_texts, train_summaries, tokenizer
)
valid_inputs, valid_masks, valid_summaries_ids, valid_summaries_masks = tokenize_and_encode(valid_texts, valid_summaries, tokenizer
)
test_inputs, test_masks, test_summaries_ids, test_summaries_masks = tokenize_and_encode(test_texts, test_summaries, tokenizer
)# 查看编码结果
print('原文编码示例:', train_inputs[0])
print('摘要编码示例:', train_summaries_ids[0])

构建数据加载器

为了高效地将数据输入模型进行训练，需要构建适当的数据加载器。以下代码展示了如何使用PyTorch的Dataset和DataLoader类进行数据封装：

from torch.utils.data import Dataset, DataLoaderclass SummarizationDataset(Dataset):"""自定义数据集类，用于文本摘要任务"""def __init__(self, input_ids, attention_masks, summary_ids, summary_attention_masks):self.input_ids = input_idsself.attention_masks = attention_masksself.summary_ids = summary_idsself.summary_attention_masks = summary_attention_masksdef __len__(self):return len(self.input_ids)def __getitem__(self, idx):return {'input_ids': self.input_ids[idx],'attention_mask': self.attention_masks[idx],'summary_ids': self.summary_ids[idx],'summary_attention_mask': self.summary_attention_masks[idx]}# 创建数据集对象
train_dataset = SummarizationDataset(train_inputs, train_masks, train_summaries_ids, train_summaries