基于同义词词林扩展版的词语相似度计算

词语相似度计算

词义相似度计算在很多领域中都有广泛的应用，例如信息检索、信息抽取、文本分类、词义排歧、基于实例的机器翻译等等。国内目前主要是使用知网和同义词词林来进行词语的相似度计算。

本文主要是根据《基于同义词词林的词语相似度计算方法–田久乐》论文中所提出的分层算法实现相似度计算，程序采用Java语言编写。

同义词词林扩展版

《同义词词林》是梅家驹等人于1983年编纂而成，这本词典中不仅包括了一个词语的同义词，也包含了一定数量的同类词，即广义的相关词。《同义词词林扩展版》是由哈尔滨工业大学信息检索实验室所重新修订所得。该版收录词语近7万条，全部按意义进行编排，是一部同义类词典。

同义词词林按照树状的层次结构把所有收录的词条组织到一起，把词汇分成大、中、小三类，大类有12个，中类有97个，小类有1400个。每个小类里都有很多的词，这些词又根据词义的远近和相关性分成了若干个词群（段落）。每个段落中的词语又进一步分成了若干个行，同一行的词语要么词义相同，要么词义有很强的相关性。

《同义词词林》提供了5层编码，第1级用大写英文字母表示；第2级用小写英文字母表示；第3级用二位十进制整数表示；第4级用大写英文字母表示；第5级用二位十进制整数表示。例如：
Cb30A01= 这里 这边 此地 此间 此处 此
Cb30A02# 该地 该镇 该乡 该站 该区 该市 该村
Cb30A03@ 这方

分层及编码表如下所示

由于第5级有的行是同义词，有的行是相关词，有的行只有一个词，分类结果需要特别说明，可以分出具体的3种情况。使用特殊符号对这3种情况进行区别对待，所以第8位的标记有3种，分别是“=”代表“相等”、“同义”；“#”代表“不等”、“同类”，属于相关词语；“@”代表“自我封闭”、“独立”，它在词典中既没有同义词，也没有相关词。

在对文本内容进行相似度计算中，采用该论文中给出的计算公式，两个义项的相似度用Sim表示
若两个义项不在同一棵树上，Sim(A,B)=f
若两个义项在同一棵树上：
若在第2层分支，系数为a Sim(A,B)=1*a*cos*(n*π/180)((n-k+1)/n)
若在第3层分支，系数为b Sim(A,B)=1*1*b*cos*(n*π/180)((n-k+1)/n)
若在第4层分支，系数为c Sim(A,B)=1*1*1*c×cos*(n*π/180)((n-k+1)/n)
若在第5层分支，系数为d Sim(A,B)=1*1*1*1*d*cos*(n*π/180)((n-k+1)/n)

当编码相同，而只有末尾是“#”时，那么认为其相似度为e。
例如Ad02B04# 非洲人 亚洲人 则其相似度为e。

其中n是分支层的节点分支总数，k是两个分支间的距离。
如：人 Aa01A01= 和 少儿 Ab04B01=
以A开头的子分支只有14个，分别是Aa...，Ab...，Ac... ——— An...，而不是以A开头的所有结点的个数，所以n=14；在第2层分支上，人的编码是a，少儿的编码是b，a和b之间差1，所以k=1。

该文献中给出的参数值为a=0.65，b=0.8，c=0.9，d=0.96，e=0.5，f=0.1。

Java代码实现

package cn.codepub.algorithms.similarity.cilin;

import com.google.common.base.Preconditions;
import lombok.extern.log4j.Log4j2;
import org.apache.commons.io.IOUtils;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.junit.Test;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.*;

import static java.lang.Math.PI;
import static java.lang.Math.cos;

/**
 * <p>
 * Created with IntelliJ IDEA. 2015/8/2 21:54
 * </p>
 * <p>
 * ClassName:WordSimilarity 同义词词林扩展版计算词语相似度
 * </p>
 * <p>
 * Description:<br/>
 * "=" 代表 相等 同义 <br/>
 * "#" 代表 不等 同类 属于相关词语 <br/>
 * "@" 代表 自我封闭 独立 它在词典中既没有同义词, 也没有相关词 <br/>
 * </P>
 *
 * @author Wang Xu
 * @version V1.0.0
 * @since V1.0.0
 */
@Log4j2
//注意使用Log4j2的注解，那么在pom中必须引入2.x版本的log4j，如果使用Log4j注解，pom中引入1.x版本的log4j
//相应的配置文件也要一致，2.x版本配置文件为log4j2.xml，1.x版本配置文件为log4j.xml
public class WordSimilarity {
    /**
     * when we use Lombok's Annotation, such as @Log4j
     *
     * @Log4j <br/>
     * public class LogExample {
     * }
     * <p>
     * will generate:
     * public class LogExample {
     * private static final org.apache.logging.log4j.Logger log = org.apache.logging.log4j.Logger.getLogger(LogExample.class);
     * }
     * </p>
     */
    //定义一些常数先
    private static final double a = 0.65;
    private static final double b = 0.8;
    private static final double c = 0.9;
    private static final double d = 0.96;
    private static final double e = 0.5;
    private static final double f = 0.1;

    private static final double degrees = 180;


    //存放的是以词为key，以该词的编码为values的List集合，其中一个词可能会有多个编码
    private static Map<String, ArrayList<String>> wordsEncode = new HashMap<String, ArrayList<String>>();
    //存放的是以编码为key，以该编码多对应的词为values的List集合，其中一个编码可能会有多个词
    private static Map<String, ArrayList<String>> encodeWords = new HashMap<String, ArrayList<String>>();

    /**
     * 读取同义词词林并将其注入wordsEncode和encodeWords
     */
    private static void readCiLin() {

        InputStream input = WordSimilarity.class.getClass().getResourceAsStream("/cilin.txt");
        List<String> contents = null;
        try {
            contents = IOUtils.readLines(input);

            for (String content : contents) {
                content = Preconditions.checkNotNull(content);
                String[] strsArr = content.split(" ");
                String[] strs = Preconditions.checkNotNull(strsArr);
                String encode = null;
                int length = strs.length;
                if (length > 1) {
                    encode = strs[0];//获取编码
                }
                ArrayList<String> encodeWords_values = new ArrayList<String>();
                for (int i = 1; i < length; i++) {
                    encodeWords_values.add(strs[i]);
                }
                encodeWords.put(encode, encodeWords_values);//以编码为key，其后所有值为value
                for (int i = 1; i < length; i++) {
                    String key = strs[i];
                    if (wordsEncode.containsKey(strs[i])) {
                        ArrayList<String> values = wordsEncode.get(key);
                        values.add(encode);
                        //重新放置回去
                        wordsEncode.put(key, values);//以某个value为key，其可能的所有编码为value
                    } else {
                        ArrayList<String> temp = new ArrayList<String>();
                        temp.add(encode);
                        wordsEncode.put(key, temp);
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.err.println("load dictionary failed！");
            log.error(e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 对外暴露的接口，返回两个词的相似度的计算结果
     *
     * @param word1
     * @param word2
     * @return 相似度值
     */
    public static double getSimilarity(String word1, String word2) {
        //在计算时候再加载，实现懒加载
        readCiLin();

        //如果比较词没有出现在同义词词林中，则相似度为0
        if (!wordsEncode.containsKey(word1) || !wordsEncode.containsKey(word2)) {
            return 0;
        }
        //获取第一个词的编码
        ArrayList<String> encode1 = getEncode(word1);
        //获取第二个词的编码
        ArrayList<String> encode2 = getEncode(word2);

        double maxValue = 0;//最终的计算结果值，取所有相似度里面结果最大的那个
        for (String e1 : encode1) {
            for (String e2 : encode2) {
                log.info(e1);
                log.info(e2);
                String commonStr = getCommonStr(e1, e2);
                int length = StringUtils.length(commonStr);
                double k = getK(e1, e2);
                double n = getN(commonStr);
                log.info("k-->" + k);
                log.info("n-->" + n);
                log.info("encode length-->" + length);
                double res = 0;
                //如果有一个以“@”那么表示自我封闭，肯定不在一棵树上，直接返回f
                if (e1.endsWith("@") || e2.endsWith("@") || 0 == length) {
                    if (f > maxValue) {
                        maxValue = f;
                    }
                    continue;
                }
                if (1 == length) {
                    //说明在第二层上计算
                    res = a * cos(n * PI / degrees) * ((n - k + 1) / n);
                } else if (2 == length) {
                    //说明在第三层上计算
                    res = b * cos(n * PI / degrees) * ((n - k + 1) / n);
                } else if (4 == length) {
                    //说明在第四层上计算
                    res = c * cos(n * PI / degrees) * ((n - k + 1) / n);
                } else if (5 == length) {
                    //说明在第五层上计算
                    res = d * cos(n * PI / degrees) * ((n - k + 1) / n);
                } else {
                    //注意不存在前面七个字符相同，而结尾不同的情况，所以这个分支一定是8个字符都相同，那么只需比较结尾即可
                    if (e1.endsWith("=") && e2.endsWith("=")) {
                        //说明两个完全相同
                        res = 1;
                    } else if (e1.endsWith("#") && e2.endsWith("#")) {
                        //只有结尾不同，说明结尾是“#”
                        res = e;
                    }
                }
                log.info("res: " + res);
                if (res > maxValue) {
                    maxValue = res;
                }
            }
        }
        return maxValue;
    }

    /**
     * 判断一个词在同义词词林中是否是自我封闭的，是否是独立的
     *
     * @param source
     * @return
     */
    private boolean isIndependent(String source) {
        Iterator<String> iter = wordsEncode.keySet().iterator();
        while (iter.hasNext()) {
            String key = iter.next();
            if (StringUtils.equalsIgnoreCase(key, source)) {
                ArrayList<String> values = wordsEncode.get(key);
                for (String value : values) {
                    if (value.endsWith("@")) {
                        return true;
                    }
                }
            }

        }
        return false;
    }

    /**
     * 根据word的内容，返回其对应的编码
     *
     * @param word
     * @return
     */
    protected static ArrayList<String> getEncode(String word) {
        return wordsEncode.get(word);
    }

    /**
     * 计算N的值，N表示所在分支层分支数，如：人 Aa01A01= 和 少儿 Ab04B01=，以A开头的子分支只有14个
     * 这一点在论文中说的非常不清晰，所以以国人的文章进行编码真是痛苦
     *
     * @param encodeHead 输入两个字符串的公共开头
     * @return 经过计算之后得到N的值
     */
    protected static int getN(String encodeHead) {
        int length = StringUtils.length(encodeHead);
        switch (length) {
            case 1:
                return getCount(encodeHead, 2);
            case 2:
                return getCount(encodeHead, 4);
            case 4:
                return getCount(encodeHead, 5);
            case 5:
                return getCount(encodeHead, 7);
            default:
                return 0;
        }
    }

    protected static int getCount(String encodeHead, int end) {
        Set<String> res = new HashSet<String>();
        Iterator<String> iter = encodeWords.keySet().iterator();
        while (iter.hasNext()) {
            String curr = iter.next();
            if (curr.startsWith(encodeHead)) {
                String temp = curr.substring(0, end);
                if (res.contains(temp)) {
                    continue;
                } else {
                    res.add(temp);
                }
            }
        }
        return res.size();
    }

    /**
     * @param encode1 第一个编码
     * @param encode2 第二个编码
     * @return 这两个编码对应的分支间的距离，用k表示
     */
    protected static int getK(String encode1, String encode2) {
        String temp1 = encode1.substring(0, 1);
        String temp2 = encode2.substring(0, 1);
        if (StringUtils.equalsIgnoreCase(temp1, temp2)) {
            temp1 = encode1.substring(1, 2);
            temp2 = encode2.substring(1, 2);
        } else {
            return Math.abs(temp1.charAt(0) - temp2.charAt(0));
        }
        if (StringUtils.equalsIgnoreCase(temp1, temp2)) {
            temp1 = encode1.substring(2, 4);
            temp2 = encode2.substring(2, 4);
        } else {
            return Math.abs(temp1.charAt(0) - temp2.charAt(0));
        }
        if (StringUtils.equalsIgnoreCase(temp1, temp2)) {
            temp1 = encode1.substring(4, 5);
            temp2 = encode2.substring(4, 5);
        } else {
            return Math.abs(Integer.valueOf(temp1) - Integer.valueOf(temp2));
        }
        if (StringUtils.equalsIgnoreCase(temp1, temp2)) {
            temp1 = encode1.substring(5, 7);
            temp2 = encode2.substring(5, 7);
        } else {
            return Math.abs(temp1.charAt(0) - temp2.charAt(0));
        }
        return Math.abs(Integer.valueOf(temp1) - Integer.valueOf(temp2));
    }

    /**
     * 获取编码的公共部分字符串
     *
     * @param encode1
     * @param encode2
     * @return
     */
    protected static String getCommonStr(String encode1, String encode2) {
        int length = StringUtils.length(encode1);
        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        for (int i = 0; i < length; i++) {
            if (encode1.charAt(i) == encode2.charAt(i)) {
                sb.append(encode1.charAt(i));
            } else {
                break;
            }
        }
        int sbLen = StringUtils.length(sb);
        //注意第三层和第五层均有两个字符，所以长度不可能出现3和6的情况
        if (sbLen == 3 || sbLen == 6) {
            sb.deleteCharAt(sbLen - 1);
        }

        return String.valueOf(sb);
    }

    @Test
    public void testGetN() {
        readCiLin();
        int a = getN("A");
        System.out.println(a);
    }

    @Test
    public void testGetK() {
        int k = getK("Aa01A01=", "Aa01A01=");
        System.out.println(k);
    }

    @Test
    public void testGetCommonStr() {
        String commonStr = getCommonStr("Aa01A01=", "Aa01A03=");
        System.out.println(commonStr);
    }

    @Test
    public void testGetSimilarity() {
        readCiLin();
        double similarity = getSimilarity("人民", "国民");
        System.out.println("人民--" + "国民:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "群众");
        System.out.println("人民--" + "群众:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "党群");
        System.out.println("人民--" + "党群:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "良民");
        System.out.println("人民--" + "良民:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "同志");
        System.out.println("人民--" + "同志:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "成年人");
        System.out.println("人民--" + "成年人:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "市民");
        System.out.println("人民--" + "市民:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "亲属");
        System.out.println("人民--" + "亲属:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "志愿者");
        System.out.println("人民--" + "志愿者:" + similarity);
        similarity = getSimilarity("人民", "先锋");
        System.out.println("人民--" + "先锋:" + similarity);
    }

    @Test
    public void testGetSimilarity2() {
        readCiLin();
        double similarity = getSimilarity("非洲人", "亚洲人");
        System.out.println(similarity);
        double similarity1 = getSimilarity("骄傲", "仔细");
        System.out.println(similarity1);
    }

}

说明，词语相似度是个数值，一般取值范围在[0，1]之间，在原论文中，使用cos函数计算主要是将值归一化到[0，1]之间，可以将cos函数看作是一个调节因子。

testGetSimilarity的测试结果如下所示：

人民--国民:1.0
人民--群众:0.9576614882494312
人民--党群:0.8978076452338418
人民--良民:0.7182461161870735
人民--同志:0.6630145969121822
人民--成年人:0.6306922220793977
人民--市民:0.5405933332109123
人民--亲属:0.36039555547394153
人民--志愿者:0.22524722217121346
人民--先锋:0.18019777773697077

本文使用的是同义词词林的扩展版，而原论文使用的是同义词词林，由于两者存在微小差距，所以本文计算结果与论文中的计算结果存在稍许误差，如果算法没错，这是可以理解的！

以上仅为个人理解，如若发现错误，欢迎大家积极留言指正！

代码已经推送到GitHub上了，地址点我。注意在文章末尾所注的参考资料中的链接里面的计算方法在求n的时候存在错误，希望莫要受其误导！

参考文献
[1] http://www.cnblogs.com/einyboy/archive/2012/09/09/2677265.html