解讀知識圖譜的自動構建
原創知識圖譜在各個領域有廣泛的應用，在搜索領域，谷歌和百度利用知識圖譜來提高搜索結果的質量。在社交領域，LinkedIn 經濟圖譜描述了職業關系網絡。在醫學領域，IBM Watson for Oncology 協助制定癌癥治療計劃。在工業制造中，西門子采用知識圖譜支持產品設計、生產和制造過程。
知識圖譜為電腦系統提供豐富的語義信息和知識背景，有助提高他們的智力和語義理解能力。知識圖譜的構建代表了從原始數據到可操作智能的轉變之旅。通過細致的信息聚合、結構化和提煉，知識圖譜可以賦予計算機系統理解和推斷世界龐大數據庫中復雜關系的能力。
1. 知識圖譜的要點
知識圖譜是一種結構化的語義知識庫，用于快速描述物理世界中的概念及其關系。通過聚合信息、數據和來自網絡的鏈接，知識圖譜使信息資源更具可計算性、可理解性和可評估性，從而能夠對知識做出快速反應和推斷。
在知識圖譜中，節點表示現實世界中的實體，如人、地點、事件、概念等，而邊表示實體之間的關系。通過連接節點和邊，知識圖譜可以呈現豐富的語義信息和知識關聯，幫助計算機系統更好地理解和推斷知識。知識圖譜的基本單元是“實體-關系-實體”三元組，它也是知識圖譜的核心。
2. 知識圖譜中的數據與存儲
數據的類型和存儲在知識圖譜的構建過程中起著至關重要的作用。我們可以有效地處理不同類型的數據，并選擇合適的存儲方法來構建知識圖譜。
一般而言，知識圖譜中的原始數據有三種類型 :
- 結構化數據，例如關系數據庫和鏈接數據
- 半結構化數據，如 XML、 JSON、 Encyclopedia
- 非結構化數據，例如圖像、音頻和視頻
我們如何存儲上述三種類型的數據? 一般來說，有兩種選擇:
一種方式是存儲可以通過標準化的存儲格式(如 RDF)來實現，RDF 是一個有向圖，由用 XML 編寫的語句組成，使用 RDF 的常用工具如 Jena API等。Jena API是一個用于支持語義網相關應用的Java API，它提供了豐富的工具和庫，使得開發者可以方便地處理RDF、RDFS（RDF Schema）以及OWL（Web Ontology Language）等語義網標準的數據。在Java項目中使用Jena時，需要將Jena庫添加到項目中。可以通過將其添加到CLASSPATH或者使用Maven依賴管理工具進行添加。
import org.apache.jena.rdf.model.*;
import org.apache.jena.util.FileManager;
import org.apache.jena.query.*;
public class JenaExample {
public static void main(String[] args) {
// 創建一個模型
Model model = ModelFactory.createDefaultModel();
// 添加三元組
Resource subject = model.createResource("http://www.example.com/subject");
Property predicate = model.createProperty("http://www.example.com/predicate");
Literal object = model.createLiteral("test");
Statement statement = model.createStatement(subject, predicate, object);
model.add(statement);
// 從文件中讀取RDF
try (InputStream in = FileManager.get().open("data.rdf")) {
if (in == null) {
throw new IllegalArgumentException("文件未找到: data.rdf");
}
model.read(in, null);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
// 執行SPARQL查詢
String queryString = "PREFIX rdf: <http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#> " +
"SELECT ?s ?p ?o WHERE { ?s ?p ?o }";
Query query = QueryFactory.create(queryString);
try (QueryExecution qexec = QueryExecutionFactory.create(query, model)) {
ResultSet results = qexec.execSelect();
while (results.hasNext()) {
QuerySolution soln = results.nextSolution();
Resource s = soln.getResource("?s");
Property p = soln.getProperty("?p");
RDFNode o = soln.get("?o");
System.out.println(s + " " + p + " " + o);
}
}
// 推理（示例為RDFS推理）
Reasoner reasoner = RDFSRuleReasonerFactory.theInstance().create(null);
InfModel infmodel = ModelFactory.createInfModel(reasoner, model);
// 可以對infmodel進行查詢或進一步操作
}
}另一種方法是使用圖數據庫進行存儲，例如著名的Neo4j。下面這個網絡管理示例使用 Neo4j 圖形數據庫將數據中心(包括服務器、路由器、防火墻、機架和其他設備)中的網絡端點建模為節點，并將它們的互連表示為關系。通過這樣做，它可以分析網絡設備之間的依賴關系并確定根本原因，從而促進更有效的網絡和 IT 管理。
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有效地處理不同類型的數據和選擇適當的存儲方法是構建高質量知識圖譜的關鍵步驟。通過將結構化、半結構化和非結構化數據化轉化為知識圖譜的形式，可以實現智能數據利用和深度知識發現，為各個領域的應用提供強大的支持和進步。
3. 知識圖譜構建的一般方法
構建知識圖譜是一個迭代更新的過程。根據知識獲取的邏輯，每次迭代包括三個階段:
知識獲取：從各種數據源中提取“實體-關系-實體”三元組，以捕獲實體、屬性以及它們之間的關系。該過程基于提取的信息形成知識的結構化表示。
知識提煉: 獲得新知識后，需要對知識進行整合，消除矛盾和模糊。例如，一些實體可能具有多種表示形式，一個特定的術語可能對應于多個不同的實體。
知識演化: 經過細化后的融合新知識，需要經過質量評估(有些需要人工參與) ，然后才能將合格的部分合并到知識庫中，以確保知識庫的質量。
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3.1 知識獲取
知識獲取，也稱為信息抽取，是構建知識圖譜的初始階段，目的是從半結構化和非結構化數據化的來源自動提取結構化信息，如實體、關系和實體屬性，以獲得候選指標。該過程涉及到實體提取、關系提取和屬性提取等關鍵技術，用于從異構數據源中自動提取信息。
實體提取，也稱為命名實體識別(NER) ，是指從數據集中自動識別命名實體，如人員、地點或組織的名稱。
從文本語料庫中提取實體后，得到一系列離散的命名實體。找到名稱(實體)很重要，但真正的力量來自于理解它們如何連接。通過揭示文本語料庫中實體之間的關系，我們可以創建一個類似網格的知識結構，捕捉文本中更深層次的含義和聯系。
屬性提取的目的是從不同的來源收集特定的實體屬性信息，如獲取公眾人物的昵稱、生日、國籍、教育背景等信息。
對于上述過程，通過對給定的數據執行實體提取、關系提取和屬性提取，可以識別數據中的關鍵元素，如人員、組織、位置及其關系和屬性。
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如圖所示，文本語料“ John 在紐約 XYZ 公司做軟件工程師”，通過實體提取，我們可以識別 John、 XYZ 公司和紐約這樣的實體; 通過關系提取，我們可以確定 John 和 XYZ 公司之間的工作關系，以及 XYZ 公司和紐約之間的位置關系; 通過屬性提取，我們可以了解 John 的位置和 XYZ 公司的位置。
這些提取的信息可以填充知識圖譜中的實體、關系和屬性，有助于構建豐富而準確的知識表示，為進一步的知識推理和應用奠定基礎。
3.2 知識提煉
通過信息抽取的過程，我們從原始的非結構化和半結構化數據中收集實體、關系和實體屬性信息。如果我們將這個過程與解決拼圖游戲相比較，那么提取出來的信息將代表拼圖塊。這些碎片是分散的，有時包括來自其他謎題的碎片，這些碎片可以作為誤導性的元素，破壞我們解謎的努力。
從本質上講，這些信息之間的關系是扁平的，缺乏層次結構和邏輯結構。知識也可能包含大量冗余和錯誤的信息。因此，在知識融合過程中，解決這一問題至關重要。
知識提煉包括兩個主要組成部分: 實體鏈接和知識融合。實體連接旨在將相關實體連接到整個數據集，而知識融合側重于整合和合并來自各種來源的信息，以提高知識圖譜的總體質量和一致性。
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如圖所示，“ John 是紐約 XYZ 公司的一名軟件工程師。他在紐約還有一家餐館”，經過知識的獲取，首先進行共指解析，確定“他”實際上指的是前面提到的“約翰”。然后，在實體消歧之后，系統將原本被認為是不同實體的兩個John 合并為一個實體，整合來自兩個不同角色的信息，避免了數據冗余和混淆，保證了知識圖譜的準確性和一致性。最后，經過知識融合階段，將外部餐廳收入與約翰的工資進行匹配，生成一個更加全面的知識圖譜。
3.2.1 實體鏈接
實體鏈接是指將提取的實體對象從文本鏈接到知識庫中正確的對應實體對象的操作。其基本思想是首先根據給定的實體從知識庫中選擇一組候選實體對象，然后通過相似度計算將提及的實體與正確的實體對象聯系起來。一般方法如下：
- 通過實體提取從文本中獲取實體提及的項。
- 執行實體消歧和共引用解析來確定知識庫中具有相同名稱的實體是否表示不同的含義，以及知識庫中是否有其他命名實體表示相同的含義。
- 在知識庫中確定正確的對應實體對象后，將實體提及項鏈接到知識庫中的對應實體。
3.2.2 共指解析和實體消歧
共指解析是實體鏈接過程中的另一個重要步驟，解決了引用同一實體對象的多次提及的難題。通過共引用解析技術，可以識別與相同實體相關的屬性，并將其與正確的實體對象相關聯。這個過程對于保持知識圖譜的一致性和準確性十分重要。
實體消歧在確保具有相同名稱的實體與其各自含義之間的正確映射方面起著關鍵作用。通過使用聚類方法和基于上下文的分類技術，實體消歧有助于分離名稱相似但上下文不同的實體。
通過將實體消歧和共指解析集成到實體鏈接過程中，有效的組織可以提高其知識圖譜的質量和可靠性。這些技術不僅有助于解決模糊性和準確地聯系實體，而且有助于知識表示的整體一致性和邏輯性。
3.2.3 知識融合
實體鏈接是將實體鏈接到知識庫中適當的實體對象的過程。然而，必須認識到實體鏈接建立了從半結構化和非結構化數據源提取的數據之間的聯系。除了半結構化和非結構化數據化之外，結構化數據源(如外部知識庫和關系數據庫)還提供了更有組織和更易訪問的數據格式。這種結構化數據的集成是關于知識融合的焦點。
知識融合通常包括組合來自不同來源的信息，以提高知識圖譜的整體質量和完整性。這可以通過兩種主要方式實現: 合并外部知識庫以解決數據和結構中的沖突，以及使用 RDB2RDF (一種將關系數據庫的內容映射到 RDF 的技術)等手段合并關系數據庫。通過整合來自各種來源的數據，使知識圖譜更加一致且全面。
3.3 知識演化
知識演化是指知識圖形的內容隨著時間、條件或其他因素而發展和演化的過程。
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如圖所示，最初的知識圖譜包含約翰在紐約 XYZ 公司擔任軟件工程師的信息。隨后，可能發生的事情，如城市被重新命名為新城，約翰改變工作，成為 ABC 公司的軟件開發經理，導致需要概念漂移和知識更新。隨著行業標準和工作要求的變化，軟件工程師的定義也可能發生變化，需要更新知識圖譜中的相關概念。最后，將更新后的信息與另一個知識圖譜集成，通過知識融合和集成過程消除重復和沖突，提供更全面、更準確的知識表示。
3.3.1 本體演化
本體是特定領域中知識的形式化表示，包括概念、屬性和這些概念之間的關系。在知識圖譜的上下文中，定義了知識圖譜中實體的結構和語義以及它們之間的關系。隨著新知識的不斷積累和領域概念的演化，知識圖譜的本體結構也隨之發生變化和擴展。本體演化涉及更新、擴展或調整本體中的概念、屬性和關系，以適應知識圖譜內容的變化和發展。
3.3.2 時序知識建模
在知識圖譜和數據分析中，“時序”是指與時間相關或涉及時間方面的信息。時序數據通常包括時間戳、日期、持續時間或任何其他指示事件何時發生或如何隨時間變化的信息。
通過建模并分析知識圖譜中的時間信息，可以揭示知識隨時間演化的模式和趨勢。時序知識建模有助于理解知識片段之間的時態關系，預測知識發展的未來趨勢，并支持與時間相關的推理和查詢操作。
3.3.3 概念漂移檢測
在知識圖譜中，隨著領域知識的不斷更新和發展，概念之間的關聯和語義可能會發生變化。概念漂移檢測的目的是識別和監測知識圖譜中的概念漂移，及時調整知識表示和推理模型，以保持知識圖譜的準確性和有效性。
3.3.4 知識融合與集成
隨著不同數據源和知識圖譜之間的相互作用，知識融合與集成成為知識演化過程中的關鍵環節。通過融合和整合來自不同來源的知識，可以構建一個更全面和一致的知識圖譜，促進知識和跨學科應用的交叉參考。
知識演化是知識圖譜領域的一個重要課題，對于理解知識的動態變化、推動知識應用和創新具有重要意義。通過對知識演化過程的深入研究和分析，可以不斷完善知識圖譜的建模和管理方法，促進知識圖譜技術在各個領域的應用和發展。
4. 知識圖譜的自動構建
知識圖譜的自動構建是一個高度智能化和自動化的過程，旨在從大量數據中自動提取實體、關系及屬性，形成結構化的知識體系。這一過程主要包括數據預處理、實體識別、關系抽取、知識融合與圖譜構建等環節。借助自然語言處理（NLP）和機器學習（ML）技術，系統能夠智能地分析文本，準確識別出實體及其關系，進而自動構建出包含豐富語義信息的知識圖譜。這種自動構建方式不僅顯著提高了知識獲取的效率，還使得知識圖譜的內容更加豐富多樣，應用更加廣泛。
在知識圖譜的自動構建中，我們需認識到長而復雜的上下文在知識圖譜構造中的重要性，特別是在關系抽取等任務中。多模態知識圖譜的構建突出了整合不同類型信息以實現更全面的知識表示的重要意義。聯合學習作為一種新興技術，通過多方協作的方式改進了知識圖譜的構建，從而提高了知識圖譜的質量和覆蓋面。結合人機智能(人機協同)來發現未知事實，使得知識圖譜的構建更加強大。
跨語言知識圖譜的構建涉及到多語言知識的表示和整合，為不同語言和文化背景的知識共享提供了新的途徑。我們需要一個端到端的統一框架，為知識圖譜譜構建任務的集成和自動化提供新的見解，為構建高質量、全面的知識圖提供了更有效的解決方案。
5.一句話小結
面對數據的異構性、模糊性和可伸縮性，通過先進的語義和動態知識圖譜的自動構建，跨語言的表示，采用多模式數據集成，利用聯邦學習和人機協同等技術，讓我們可以釋放知識圖譜的全部潛力。
