基于SolrCloud的網(wǎng)絡百科檢索服務的實現(xiàn)

郝強++高占春

摘要：網(wǎng)絡百科是一部在線百科全書，為用戶提供了資源豐富、內(nèi)容詳實的網(wǎng)絡查詢工具。網(wǎng)絡百科檢索服務是基于SolrCloud搭建的檢索平臺，服務部署在集群上，具有集中式的信息配置、自動容錯、近實時搜索和查詢時自動負載均衡的特點。本文介紹了SolrCloud平臺的搭建方案，結(jié)合數(shù)據(jù)特點設計了索引結(jié)構(gòu)，增加了中文分詞器和中文詞表，提高了在創(chuàng)建索引和檢索索引過程中的中文分詞效果。在SolrCloud平臺基礎上，本文根據(jù)搜索引擎原理提出了搜索引擎優(yōu)化方案，進一步提升了搜索效果。通過在創(chuàng)建索引時對關(guān)鍵字段設置多顆粒度分詞模式，在檢索索引時對不同顆粒度分詞設置不同的權(quán)重，提高檢索效果；通過挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在的引用關(guān)系為文檔質(zhì)量評分，提高優(yōu)質(zhì)文檔在搜索結(jié)果中的排名。實驗數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化方法對網(wǎng)絡百科檢索服務效果有很大的提升。

關(guān)鍵詞：計算機軟件；搜索引擎優(yōu)化；SolrCloud；中文分詞

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.12.024

本文著錄格式：郝強，高占春.基于SolrCloud的網(wǎng)絡百科檢索服務的實現(xiàn)[J].軟件，2015，36（12）：103-107

0 引言

1.網(wǎng)絡百科是一個包羅萬象的在線百科全書，涉及經(jīng)濟、政治、文化等各個方面。網(wǎng)絡百科的主體為詞條，分為中文和英文，由千萬量級的詞條構(gòu)成了龐大的知識庫，具有很強的知識性和科普價值，同時又鼓勵用戶參與創(chuàng)建和修改詞條，使網(wǎng)絡百科在豐富權(quán)威的同時，也具有趣味性和快更新的特點。

2.在海量的數(shù)據(jù)中，按照用戶的需求高效、準確地檢索出詞條和同條內(nèi)容是一項極具挑戰(zhàn)的任務。搜索引擎技術(shù)可以通過對數(shù)據(jù)文檔創(chuàng)建索引，實現(xiàn)對相關(guān)查詢的高效快速檢索，為用戶返回相當數(shù)量的排序搜索結(jié)果。并且可以根據(jù)實際的數(shù)據(jù)特點，通過多種手段對搜索引擎的進行優(yōu)化，提高搜索結(jié)果的準確率。

3.在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時，不但需要考慮檢索的效果，也需要考慮計算機的運算能力和故障風險。分布式搜索技術(shù)在集群上搭建服務，通過負載均衡降低了機器的運算負擔，通過并行計算提高了集群的運算能力，通過分布式存儲提高了整個集群的容災能力。

4.本文使用SokCloud搭建分布式搜索引擎，為海量數(shù)據(jù)提供了高效準確的檢索服務，并提出了優(yōu)化搜索的方法，實驗數(shù)據(jù)表明優(yōu)化方法有效提高了搜索的準確率。

l SolrCloud介紹

Solr是一個基于Lucene的全文搜索服務器。Solr與Lucene相比，提供了更為豐富的查詢語言，提供了提供了基于Http的可返回json、xml等格式的接口。Solr提供了配置接口和擴展接口，并能對查詢性能進行優(yōu)化。

SolrCloud是基于Solr和Zookeeper的分布式搜索方案，SolrCloud將服務部署在集群上，通過Zookeeper進行集群管理。SolrCloud在Solr的功能基礎上，具有4個新特性，包括集中式的配置信息，自動容錯，近實時搜索和查詢時自動負載均衡。SolrCloud為大數(shù)據(jù)量檢索提供了良好的解決方案。

SolrCloud集群中collection是一個邏輯意義上的完整索引。一個collection通常被分成一個或多個shard，同一個collection的所有shard具有相同的配置。一個shard有一個或多個replica作為副本，每個shard的replica中會選舉出一個leader。

2 SolrCloud部署

2.1 SolrCloud搭建

網(wǎng)絡百科檢索服務使用的是solr-5.2.1版本，solr-5.2.1需要運行在jdkl.7及以上版本。分析網(wǎng)絡百科數(shù)據(jù)量大小，以及自動容錯和負載均衡的需要，網(wǎng)絡百科檢索服務創(chuàng)建了名為baike的collection，baike分為5個shard，每個shard有3個replica。SolrCloud管理頁面展示的集群結(jié)構(gòu)見下圖。

搜索服務部署在5臺機器上，每臺機器分配4G內(nèi)存和16G存儲空間。分別在5臺機器上部署solr-5.2.1，在一臺機器的configsets目錄下創(chuàng)建屬于網(wǎng)絡百科檢索服務的配置目錄baike_configs，并在該機器上啟動SolrCloud創(chuàng)建baike實例，在其余4臺機器上啟動SolrCloud并加入該baike實例。這5臺機器組成了SolrCloud集群。

2.2 分詞器和詞表

網(wǎng)絡百科檢索服務是基于詞的倒排索引的查詢。詞是表達語義的最小單元，對于以英文為代表的的西方拼音語言來說，詞之間有明顯的分界符，英文以空格作為天然的分隔符。與西方拼音語言不同，中文繼承于古代漢語傳統(tǒng)，詞之間沒有明確的分隔符。古代漢語中詞通常就是單個字，而現(xiàn)代漢語中雙字或多字居多。因此，中文搜索服務在索引創(chuàng)建和索引檢索之前，需要對文本中的句子進行分詞，然后才能做相應的其他處理。

分詞器的分詞效果直接影響了創(chuàng)建索引的內(nèi)容以及檢索的準確度。中文分詞算法可分為三大類：基于字典、詞庫匹配的分詞方法；基于詞頻度統(tǒng)計的分詞方法和基于知識理解的分詞方法。目前，成熟的中文分詞器主要有IKAnalyzer、Paoding、MMSEG、ICTCLAS等。其中，IKAnalyzer和Paoding是基于字符串匹配的分詞器，加入一些啟發(fā)式規(guī)則，比如“正向/反向最大匹配”、“長詞優(yōu)先”等策略優(yōu)化。ICTCLAS分詞理論使用的模型是層疊隱馬爾可夫模型，該分詞器除了具有中文分詞和詞性標注功能外，還支持新詞識別。

通過對分詞器的分詞效果、執(zhí)行效率和是否符合SolrCloud接口的綜合考量，在網(wǎng)絡百科檢索服務選擇了MMSEG分詞器。MMSEG由Chih-Hao Tsai開發(fā)，使用了加入3段回溯式方法的基于詞表的分詞。MMSEG提供了三種模式，simple、max-word和complex。網(wǎng)絡百科檢索服務使用了細顆粒度分詞的max-word模式和加入了四個過濾規(guī)則的粗顆粒度分詞的complex模式。并收集整理了自定義詞表。關(guān)于增加中文分詞器的schema.xml配置如下。

2.3 網(wǎng)絡百科索引

網(wǎng)絡百科的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為詞條標題、詞條摘要、詞條正文、詞條語言和詞條圖片，在數(shù)據(jù)庫中存儲的對應字段為title、digest、content、1anguage、picture。結(jié)合網(wǎng)絡百科的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設計的索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見下表。

表l中，field列是索引中的字段名，fieldType列是索引中該字段的處理類型，indexed為布爾值，代表該字段數(shù)據(jù)是否被用來建立索引，stored為布爾值，代表該字段數(shù)據(jù)是否存儲。其中title對應詞條標題，language對應詞條語言，digest對應詞條摘要。

與詞條的字段結(jié)構(gòu)相比，索引字段中增加id字段，作為SolrCloud創(chuàng)建索引的唯一標識字段，同時需要在schema.xml中將該id字段配置成uniqueKey。

索引字段中添加title_complex和title_max字段，這兩個字段是對title字段數(shù)據(jù)的復制，目的是實現(xiàn)對title字段的多顆粒度的分詞，為此需要在schema.xml中增加配置如下。

3 SolrCloud優(yōu)化

3.1 優(yōu)化概述

檢索服務本質(zhì)上是索引創(chuàng)建和索引檢索的過程。在海量的網(wǎng)絡資源中，每一個網(wǎng)頁都是一個文檔。在創(chuàng)建索引的時候，首先將每一個文檔進行分詞得到詞，然后按詞生成倒排索引，倒排索引中存儲了文檔編號，也就是2.3節(jié)中的id字段。用戶在查詢時輸入查詢內(nèi)容。在檢索索引的時候，首先將用戶的查詢內(nèi)容進行分詞得到詞，然后按詞在倒排索引中進行檢索，最后對檢索結(jié)果處理，對檢索出的文檔進行評分，按照評分對檢索結(jié)果排名，將最終結(jié)果返回給用戶。

評分越高，說明文檔內(nèi)容與用戶查詢的相關(guān)性越高。每個文檔由詞組成，每個詞有一個權(quán)重，那么一個文檔中的所有詞可以組成一個向量，表達式如下。

將每一個詞作為N維空間中的一維，將網(wǎng)絡百科檢索服務中的文檔中詞組成的詞向量與用戶輸入查詢內(nèi)容中的詞組成的詞向量放在N維空間中，比較不同文檔的詞向量與查詢的詞向量的夾角。

文檔與查詢的相關(guān)性大小可以使用文檔的詞向量與查詢的詞向量之間的夾角大小表示。文檔的詞向量與查詢的詞向量之間夾角越小，文檔的相關(guān)性越大。向量夾角可以使用余弦定理計算出來，計算公式如下。

結(jié)合以上公式和分析，從以下幾點對SolrCloud搭建搜索服務進行優(yōu)化。

（1）對文檔和查詢語句進行準確地分詞；

（2）對關(guān)鍵字段使用多顆粒度分詞模式；

（3）對文檔內(nèi)容進行評分，提高優(yōu)質(zhì)文檔在搜索結(jié)果中的排名。

其中，（l）已經(jīng)在2.2節(jié)介紹。

3.2 多顆粒度查詢

多顆粒度是指對語句分詞時切分的詞的粒度的大小。顆粒度大，平均詞的字數(shù)較多，語句分詞后詞的數(shù)量較少；相反，顆粒度小，平均詞的字數(shù)較少，語句分詞后詞的數(shù)量較多。在漢語中，詞是表達意思最基本的單位，但是不同的人對于詞的顆粒度理解是不同的。例如，某個語句中出現(xiàn)了“聯(lián)想公司”，有些人會將“聯(lián)想公司”看作一個整體，這是粗顆粒度分詞；有些人會認為“聯(lián)想”是修飾“公司”的定語，那么分詞為“聯(lián)想”和“公司”兩個詞，這是細顆粒度分詞。

通常，粗顆粒度的詞會攜帶更多的信息，在消除不確定性上發(fā)揮更大的作用。粗顆粒度的詞在語義上更加明確。雖然粗顆粒度的詞有諸多好處，但是在檢索服務的實現(xiàn)中，并不能只使用這一種分詞方法。比如在創(chuàng)建索引時將“清華大學”看作一個整體，那么用戶在搜索“清華”時就無法找到“清華大學”的文檔。

在網(wǎng)絡百科檢索服務的設計中對關(guān)鍵字段title進行了多顆粒度的分詞，通過字段的復制方法將title復制成title_complex和title max，并分別使用了完全匹配模式分詞、MMSeg的complex模式的粗顆度分詞和MMSeg的max模式的細顆粒度分詞。同時，對于不同分詞模式的結(jié)果，在評分階段給以不同的權(quán)重。因為不同顆粒度的詞所表達的信息量不同，通常粗顆粒度的詞會攜帶更多的信息，所以完全匹配模式的分詞給以最高的權(quán)重，complex模式的分詞次之，max模式的分詞給以最小的權(quán)重。分詞的顆粒度對查詢結(jié)果排名影響的計算公式如下

公式（4）中，coord（query，doc）表示一個文檔中包含查詢詞的數(shù)量，表示了該文檔與查詢語句的相關(guān)性。文檔中包含查詢詞的數(shù)量越多，coord（query，doc）的分數(shù)越高，導致搜索結(jié)果的評分score（query，doc）越高。term.getBoost（）表示了查詢內(nèi)容中每種顆粒度的分詞對查詢結(jié)果的影響。根據(jù)上面介紹的設置不同分詞模式的權(quán)重，不同分詞顆粒度對評分的影響大小也是不同的。顆粒度越大，term.getBoost（）的分數(shù)越高，導致搜索結(jié)果的評分score（query，doc）越高。所以完全匹配模式的評分對最終評分的影響最大，粗顆粒度分詞模式對最終評分的影響次之，細顆粒度分詞模式對最終評分的影響最小。

3.3 文檔評分

搜索結(jié)果的好壞即取決于查詢與網(wǎng)頁的相關(guān)性，也取決于網(wǎng)頁的質(zhì)量。在網(wǎng)絡百科檢索服務的設計中，通過文檔之間的相互引用關(guān)系來評價詞條內(nèi)容的質(zhì)量。網(wǎng)絡百科中的詞條都經(jīng)過專業(yè)編輯，詞條的內(nèi)容是可靠的，所以一個詞條被越多的文檔引用，那么它的內(nèi)容就越重要，所獲得的評分就會越高。該詞條的評分會影響到搜索結(jié)果的評分，最終影響詞條在搜索結(jié)果中的排名。

網(wǎng)絡百科檢索服務是通過solr4j編寫程序創(chuàng)建索引的。首先，使用分布式并行運算統(tǒng)計出詞條的被引用情況并加以處理；然后創(chuàng)建索引時，為每個詞條的SolrInputDocument對象，通過setDocument Boost（）方法將處理后的文檔質(zhì)量評分存入索引。

文檔評分會影響搜索結(jié)果中文檔的排名，搜索結(jié)果評分的計算公式如下。

公式（5）中doc.getBoost（）表示文檔評分。文檔評分越高，在搜索結(jié)果的評分也會越高。

3.4 實驗結(jié)果

在搭建了SolrCloud平臺基礎上，從三個方面對網(wǎng)絡百科檢索服務進行優(yōu)化，以提高搜索效果。增加分詞器和詞表，提高對文檔和查詢內(nèi)容的分詞效果；設置分詞的多種模式，并在檢索時對不同分詞顆粒度設置不同的權(quán)重；對文檔質(zhì)量進行打分，提高優(yōu)質(zhì)文檔在搜索結(jié)果中的排名。通過實驗，上述三種方法有效提高了網(wǎng)絡百科檢索服務的搜索效果。實驗結(jié)果見下圖。

在實驗中，通過比較不同優(yōu)化方法對搜索準確率的影響來評估對搜索效果的影響。在無優(yōu)化的搜索實驗中，搜索的準確率為56.2%。在分詞優(yōu)化的實驗中，對SolrCloud增加了中文分詞器和多種顆粒度分詞，搜索的準確率為80.6%，比無優(yōu)化的搜索準確率提高了43.4%。在分詞+評分優(yōu)化的實驗中，不但增加了中文分詞器和多種顆粒度分詞，還對文檔質(zhì)量進行評分，評分結(jié)果影響查詢搜索的排名，該種方法實驗中搜索的準確率為85.3%，比無優(yōu)化的搜索準確率提高了51.8%。實驗數(shù)據(jù)表明，對SolrCloud的優(yōu)化方法對搜索效果有較大提升，最終的搜索結(jié)果準確率更高。

4 結(jié)論

網(wǎng)絡百科檢索服務使用SolrCloud搭建檢索海量網(wǎng)絡百科數(shù)據(jù)的平臺，為用戶提供了高效優(yōu)質(zhì)的查詢功能。結(jié)合網(wǎng)絡百科的數(shù)據(jù)字段設計了索引的結(jié)構(gòu)，分析了搜索引擎原理并提出了優(yōu)化檢索服務的方法，為SolrCloud增加了中文分詞器和詞表，結(jié)合實際數(shù)據(jù)設置了多種顆粒度分詞模式，挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)在引用關(guān)系為文檔質(zhì)量評分。優(yōu)化方法有效提高了SolrCloud的搜索效果。