Построение нейронных сетей в php используя FANN, пример реализации

 Передо мной предстала задача анализа большого количества информации и выявления закономерностей. И первое, что пришло в голову - построить математическую модель с помощью нейронной сети. 

Поскольку данные для анализа формируются в php и мне этот язык сейчас ближе всего, то искалась библиотека с интерфейсом для php. В связи с этим мне порекомендовали FANN (Fast Artificial Neural Network) - открытое программное обеспечение для построения сетей. У этого решения есть апи для 15 языков, так что почти каждый сможет выбрать что-то для себя. 

Пример. Распознавание языка текста на странице

Для примера возьмем задачу легкую, но недалекую от нашей реальности и от серьезных задач. Допустим есть 1000 документов, на 3-х разных языках. Пусть это будут французский, английский и польский. Наша задача научить нейронную сеть распознавать язык документа. Для этого мы используем самый простой частотный механизм. Но тем не менее его результаты неплохи. Его суть в том, что у каждого языка с разной частотой в тексте встречаются одни и те же символы. Мы подготавливаем 3 больших куска текста для каждого из языков (английский, французкий, польский), посчитаем для каждого символа частоты. Эти данные мы передадим в нейронную сеть, с указанием какой набор частот принадлежит каждому из языков. Дальше нейронная сеть все сделает сама.

Начнем с установки FANN

Пример, установки привожу для Ubuntu.

1) Нужно установить пакеты libfann1 и libfann1-dev
 

apt-get install libfann* 

2) Добавить поддержку fann в php 
У меня стоит Apache и установлен модуль php5-dev, поэтому я делаю так
 

# wget http://pecl.php.net/get/fann
# tar xvfz  fann
# cd fann-0.1.1
# phpize
# ./configure
# make

Если при компиляции появиться ошибки и среди них будет вот такая 

fann.c:393: error: "zif_fannOO___set" undeclared (first use in this function)

то следует отредактировать файл php_fann.h и за комментировать строчку 28 #define PHP_FANN_OO 1
После этого заново скомпилировать.

В итоге у нас генерируются модули которые нужно подключить к php
 

sudo cp -R ./modules/* /usr/lib/php5/20090626+lfs/

И в php.ini дописать
 

extension=fann.so

Перегрузили апач и проверили что все ок
 

php -m / grep fann

Решение задачи

Для этого нужно выполнить 2 шага:
1) Обучить сеть (первый листинг)
2) И использовать готовую модель для классификации (второй листинг)

Приведу пример для первого этапа и сразу укажу ссылку на документацию

Код я максимально снабдил комментариями, что бы было понятно что к чему и не разбирать его отдельно.

Файл train.php
 

<?php

/*
 * Задаем параметры сети. 256 - это количество входов, оно должно равняться количеству ваших параметров,
 * По хорошему в этом примере должно быть намного меньне, равно количесству букв в алфавитах.
 * 128 - это количество нейронов в промежуточном слое. Здесь нуужно экспериментальным путем подбирать это число.
 * 3 это количество выходящих сигналов. По скольку у нас 3 языка, то для каждого будет возвращена вероятность
 * 1.0 - connection_rate - его лучше не менять
 * 0.7 - learning_rate - описано здесь хорошо http://www.basegroup.ru/glossary/definitions/learning_rate/
 * */
$ann = fann_create(array(256, 128, 3), 1.0, 0.7);

/*
 * Первый параметр - указатель на нашу сеть, второй - обучающие данные.
 * Мы загружаем 3 порции данных.Каждая порция состоит их входящих показателей и эталонных результирующих.
 * В нем мы сообщаем, что при таких показателях, как мы сейчас передаем, нужно весь вес
 * отдавать на первы нейрон (array(1, 0, 0) // Outputs). при загрузке других типов данный мы смещаем вес на другой нейрон
 * generate_frequencies - просто расчитывает частоты.
 *
 * Последние 3 параметра это
 * - максимальное кол-во итераций
 * - максимальное кол-во ошибок
 * - промежуток между выводами информации 
 * 
 * В файлах en.txt, fr.txt, pl.txt хранится текс размером где-то в 10000 символов для конкретного языка
 * */
fann_train($ann,
    array(
        array(
            generate_frequencies(file_get_contents("en.txt")), // Inputs
            array(1, 0, 0) // Outputs
        ),
        array(
            generate_frequencies(file_get_contents("fr.txt")), // Inputs
            array(0, 1, 0) // Outputs
        ),
        array(
            generate_frequencies(file_get_contents("pl.txt")), // Inputs
            array(0, 0, 1) // Outputs
        ),
    ),
    100000,
    0.00001,
    1000
);

/*
 * Сохранить нашу модель в файл. в дальнейшем ее можно использовать для класификации
 * */
fann_save($ann,"classify.txt");


/*
 * Функция расчета частот
 * */
function generate_frequencies($text){
    // Удалим все кроме букв
    $text = preg_replace("/[^\p{L}]/iu", "", strtolower($text));

    // Найдем параметры для расчета частоты
    $total = strlen($text);
    $data = count_chars($text);

    // Ну и сам расчет
    array_walk($data, function (&$item, $key, $total){
        $item = round($item/$total, 3);
    }, $total);

    return array_values($data);
}

?>

В коде выше мы только сгенерили модель. А теперь проверим ее в деле, код ниже анализирует текст и выдает оценку принадлежности к тому или иному языку. 

Файл run.php
 

<?php

/*
 * Загружаем модель из файла. Эту модель мы создали на предыдущем шаге.
 * */
$ann = fann_create("classify.txt");


/*
 * Ниже я в нашу сеть передаю 3 текста на разных языках
 * Смотрим результат
 * */

$output = fann_run($ann, generate_frequencies("ANN are slowly adjusted so as to produce the same output as in
            the examples. The hope is that when the ANN is shown a new
            X-ray images containing healthy tissues"));

var_dump($output);

$output = fann_run($ann, generate_frequencies("Voyons, Monsieur, absolument pas, les camions d"aujourd"hui ne se traînent pas, bien au contraire. 

Il leur arrive même de pousser les voitures. Non, croyez moi, ce qu"il vous faut, c"est un camion !
     - Vous croyez ? Si vous le dites. Est-ce que je pourrais l"avoir en rouge ?
     - Bien entendu cher Monsieur,vos désirs sont des ordres, vous l"aurez dans quinze jours clé en main. 

Et la maison sera heureuse de vous offrir le porte-clé. Si vous payez comptant. Cela va sans dire, ajouta Monsieur Filou.
     - Ah, si ce "));

var_dump($output);

$output = fann_run($ann, generate_frequencies("tworząc dzieło literackie, pracuje na języku. 

To właśnie język stanowi tworzywo, dzięki któremu powstaje tekst. Język literacki 

( lub inaczej artystyczny) powstaje poprzez wybór odpowiednich środków i przy wykorzystaniu odpowiednich zabiegów technicznych.
            Kompozycja - jest to układ elementów treściowych i formalnych dzieła dokonanych według określonych zasad konstrukcyjnych.
            Kształtowanie tworzywa dzieła literackiego jest procesem skomplikowanym i przebiegającym na wielu poziomach.
            Składa się na nie:"));

var_dump($output);

?>

Результат

Наша модель сгенерировала следующие ответы по текстам. 
В первом случае модель решила что ей на вход передали английский язык (98%) и она права
 

array(3) {
  [0]=>
  float(0.98745632171631)
  [1]=>
  float(0.0094089629128575)
  [2]=>
  float(0)
}

Во втором тексте она приняла решение в пользу французского и снова оказалась права
 

array(3) {
  [0]=>
  float(0)
  [1]=>
  float(0.99334162473679)
  [2]=>
  float(0)
}

Третий текст она тоже правильно распознала, как польский
 

array(3) {
  [0]=>
  float(0.015697015449405)
  [1]=>
  float(0)
  [2]=>
  float(1)
}

Некоторые пользователи жалуются что нейронные сети выдают вероятности, а не конкретный ответ. Для тех кто в танке добавлю, что в нашем мире все основано на вероятностях. За правильный ответ нужно считать тот который верен хотя бы на 90%, если меньше то сеть нужно до обучать, что бы улучшить классификацию.

Не смотря на такую простую систему нейронная сеть дает хорошие показатели. Можно сделать n-граммы и по ним классифицировать, это будет еще надежнее, можно оба варианта комбинировать. Нейронные сети мощный инструмент, нужно лишь научиться им пользоваться
 

Ссылки по теме

• Каталог программ Microsoft: Visual Studio 2012
• Купить программу Microsoft SQL Server 2012
• Задать вопрос ONLine по покупке программ в интернет магазине ITShop
• Акция от компании Embarcadero "Получи Ultimate по цене Enterprise!"
• Акция от компании Embarcadero "Upgrade с любой предыдущей версии!"