解碼知識圖譜：從核心概念到技術實戰

techlead_krischang發表於2023-11-12

知識圖譜是近年來人工智慧和資料科學領域的焦點。本文深入探索了知識圖譜的核心概念、發展歷程、研究內容以及其在表示、儲存、獲取、構建和推理方面的技術細節。結合Python和PyTorch示例程式碼，文章旨在為讀者提供一個全面、深入且實用的知識圖譜概覽，幫助廣大技術愛好者和研究者深化對此領域的認識。

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1. 概述

知識圖譜作為一種特殊的資訊表示技術，其在近年來在各種應用領域中都有所體現，尤其在自然語言處理（NLP）中，它的重要性更是日益凸顯。知識圖譜能夠高效、有組織地儲存和管理大量的資訊，而且能夠用圖的形式表示出這些資訊之間的關係，使得資訊更具有語境，更易於理解和應用。

什麼是知識圖譜

定義：知識圖譜是一個結構化的資訊庫，其中的資訊以圖的形式組織，每個節點表示一個實體，每條邊表示兩個實體之間的關係。

例子：考慮一種場景，我們有一個音樂知識圖譜。其中的節點可能包括“披頭士樂隊”、“搖滾音樂”和“1960s”，而邊則可能表示“披頭士樂隊”是“搖滾音樂”的代表，以及“披頭士樂隊”在“1960s”非常受歡迎。

知識圖譜與自然語言處理的關係

定義：在自然語言處理中，知識圖譜被用作一種工具，幫助機器更好地理解和處理自然語言。透過知識圖譜，機器可以理解文字中的實體及其關係，從而做出更加準確的決策或生成更為準確的回覆。

例子：考慮一個問答系統。當使用者詢問“披頭士樂隊是哪一種音樂風格的代表？”時，系統可以透過查詢知識圖譜，得到“搖滾音樂”作為答案。這是因為知識圖譜中已經儲存了“披頭士樂隊”和“搖滾音樂”的關係。

總的來說，知識圖譜為自然語言處理提供了一個結構化的資訊源，能夠大大提高其效能和準確性。而隨著更多的研究和應用，我們可以期待知識圖譜在自然語言處理中的作用將會越來越重要。

2. 發展歷程

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知識圖譜這個概念並不是新鮮事物，但近些年由於技術進步和大資料的興起，它得到了前所未有的關注和發展。從早期的語義網路和本體論到現在的大規模商業應用，知識圖譜的發展腳步始終未停。

語義網路

定義：語義網路起源於20世紀60年代，是一種圖形表示知識的方法，其中的節點代表概念，邊表示概念之間的關係。

例子：考慮一個關於動物的簡單語義網路。其中的節點包括“鳥”和“企鵝”，邊表示“企鵝”是“鳥”的一種。但與此同時，可能還有另一條邊表示“企鵝”不能飛。

本體論

定義：本體論在電腦科學中是一種對特定領域知識進行形式化描述的方法，它不僅描述了實體及其之間的關係，還包括了關於這些實體和關係的規則。

例子：在醫學領域，本體論可以用來描述各種疾病、症狀和治療方法。例如，它可能會有一個規則表示：“如果一個人有症狀A、B和C，則他很可能患有疾病X。”

大資料時代的知識圖譜

定義：隨著網際網路的普及和大資料技術的進步，知識圖譜開始被用於更為複雜的場景，如搜尋引擎、智慧助手和推薦系統。

例子：谷歌的“Knowledge Graph”是一個著名的應用，它幫助搜尋引擎理解使用者的查詢，並提供相關的、結構化的資訊。例如，當你搜尋“阿爾伯特·愛因斯坦”時，你不僅會得到關於他的Wikipedia連結，還會看到他的生平、成就、相關人物等結構化資訊。

知識圖譜與深度學習的融合

定義：近年來，知識圖譜和深度學習技術的結合已成為研究的熱點，其中知識圖譜為深度學習模型提供結構化的背景知識。

例子：在藥物發現領域，知識圖譜可以描述化合物、疾病和蛋白質等實體以及它們之間的關係。結合深度學習，研究者可以預測新的、未知的藥物和疾病之間的關係，從而加速藥物研發過程。

總的來說，知識圖譜的發展歷程反映了技術和應用的不斷進步，從早期的理論研究到現在的商業應用，它始終處於知識表示和管理的前沿。

3. 研究內容

隨著知識圖譜領域的快速發展，其研究內容也變得日益豐富和多樣。以下列出了一些核心的研究方向和相關的概念定義。

知識圖譜的建模與表示

定義：知識圖譜的建模與表示關注如何有效地組織、定義和表達知識中的實體和關係，以便於計算機處理和理解。

例子：Resource Description Framework (RDF) 是一種知識圖譜的表示標準，它使用三元組（主體，謂詞，賓體）來表達實體之間的關係，如：(巴黎, 是, 法國的首都)。

知識抽取

定義：知識抽取是從非結構化或半結構化資料來源（如文字、影像或音訊）中自動提取有價值的知識資訊，並加入到知識圖譜中。

例子：從新聞文章中自動識別並抽取出主要人物、事件和地點，然後將這些資訊加入到現有的知識圖譜中。

知識圖譜的融合與對齊

定義：當面臨多個來源或領域的知識圖譜時，知識圖譜的融合與對齊關注如何整合這些知識，確保其一致性和完整性。

例子：兩個關於醫學的知識圖譜可能有部分重疊的內容，但在疾病的命名或分類上存在差異。透過對齊這兩個圖譜，可以生成一個更加完整和準確的醫學知識庫。

知識圖譜的推理

定義：利用知識圖譜中已有的知識進行邏輯推理，從而得到新的、隱含的知識資訊。

例子：如果知識圖譜中表示“A是B的父親”和“B是C的父親”，透過推理，我們可以得出“A是C的祖父”。

知識圖譜的評估與驗證

定義：為了確保知識圖譜的質量和準確性，需要對其進行評估和驗證，檢查其內容是否準確、完整和一致。

例子：在加入新的知識到圖譜中後，系統可能會自動比對已有的知識庫，檢測是否存在衝突或矛盾的資訊。

總的來說，知識圖譜研究的內容涵蓋了從知識表示到知識應用的各個方面，其深度和廣度都在不斷擴充套件，為未來的技術進步和應用奠定了堅實的基礎。

4. 知識圖譜表示與儲存

知識圖譜的表示和儲存是確保其高效使用的關鍵，因為這決定了如何查詢、更新和擴充套件知識。下面我們深入探討知識圖譜的表示和儲存技術。

RDF：一種知識圖譜的表示方法

定義：Resource Description Framework (RDF) 是一種標準的知識圖譜表示方法，採用三元組的形式來描述知識中的實體和關係。

例子：
一個RDF三元組可以表示為：

(巴黎, 是, 法國的首都)

Python程式碼：

# 一個簡單的RDF三元組表示
triplet = ('巴黎', '是', '法國的首都')
print(triplet)

儲存：使用圖資料庫

定義：圖資料庫是專為儲存和查詢圖形結構的資料而設計的資料庫。知識圖譜由於其天然的圖結構特性，與圖資料庫的儲存和查詢方式非常匹配。

例子：Neo4j 是一個流行的圖資料庫，可以用於儲存和查詢知識圖譜。

Python程式碼：（這裡我們使用py2neo庫，這是Neo4j的一個Python客戶端）

from py2neo import Graph, Node, Relationship

# 連線到Neo4j資料庫
graph = Graph("http://localhost:7474", username="neo4j", password="password")

# 建立節點
paris = Node("City", name="巴黎")
france = Node("Country", name="法國")

# 建立關係
capital_relation = Relationship(paris, "是", france, description="法國的首都")

# 將節點和關係新增到圖資料庫中
graph.create(capital_relation)

嵌入：使用深度學習進行知識表示

定義：嵌入是將知識圖譜中的實體和關係表示為低維向量，這種表示方法利用深度學習模型，如TransE，對知識進行編碼。

例子：將"巴黎"和"是"這兩個實體嵌入到一個維度為10的向量空間中。

PyTorch程式碼：

import torch
import torch.nn as nn

class EmbeddingModel(nn.Module):
    def __init__(self, vocab_size, embedding_dim):
        super(EmbeddingModel, self).__init__()
        self.embeddings = nn.Embedding(vocab_size, embedding_dim)

    def forward(self, input_ids):
        return self.embeddings(input_ids)

# 假設我們的詞彙表大小為1000，嵌入維度為10
model = EmbeddingModel(1000, 10)

# 獲取"巴黎"和"是"的嵌入向量
# 這裡我們僅為示例，隨機指定"巴黎"和"是"的id為5和10
paris_embedding = model(torch.tensor([5]))
is_embedding = model(torch.tensor([10]))

print(paris_embedding)
print(is_embedding)

總結：知識圖譜的表示與儲存是其核心技術之一，確保了知識的高效查詢和更新。從傳統的RDF表示到現代的深度學習嵌入方法，這一領域始終在不斷髮展和創新。

5. 知識圖譜獲取與構建

知識圖譜的獲取與構建是知識圖譜研究的核心部分，關注如何從各種資料來源中自動或半自動提取、整合知識，並形成結構化的知識圖譜。

知識抽取

定義：知識抽取是從非結構化或半結構化資料中自動識別和提取實體、關係和事件的過程。

例子：從一篇介紹史蒂夫·賈伯斯的文章中抽取“史蒂夫·賈伯斯是Apple的創始人”這一資訊。

Python程式碼：（這裡使用Spacy庫進行簡單的命名實體識別）

import spacy

# 載入模型
nlp = spacy.load("en_core_web_sm")

text = "Steve Jobs was the co-founder of Apple."
doc = nlp(text)

# 抽取實體
for ent in doc.ents:
    print(ent.text, ent.label_)

知識融合

定義：知識融合是整合來自多個知識源的知識，消除衝突和冗餘，形成統一、一致的知識圖譜。

例子：從兩個資料庫中分別獲取“史蒂夫·賈伯斯，Apple創始人”和“賈伯斯，蘋果公司聯合創始人”，並整合為“史蒂夫·賈伯斯是Apple公司的聯合創始人”。

Python程式碼：（簡化的融合示例）

knowledge1 = {"name": "史蒂夫·賈伯斯", "title": "Apple創始人"}
knowledge2 = {"name": "賈伯斯", "title": "蘋果公司聯合創始人"}

def fuse_knowledge(k1, k2):
    fused_knowledge = {}
    fused_knowledge["name"] = k1["name"]  # 選擇更全的名稱
    # 合併title，簡化為選擇k2的title
    fused_knowledge["title"] = k2["title"]
    return fused_knowledge

result = fuse_knowledge(knowledge1, knowledge2)
print(result)

知識校驗

定義：知識校驗是檢查知識圖譜中的資訊是否準確、一致和可靠，以確保其質量。

例子：驗證“史蒂夫·賈伯斯是Microsoft的創始人”是否正確。

Python程式碼：（假設我們有一個已驗證的知識庫來檢查此資訊）

validated_knowledge_base = {
    "史蒂夫·賈伯斯": "Apple的創始人",
    "比爾·蓋茨": "Microsoft的創始人"
}

def validate_knowledge(entity, claim):
    if entity in validated_knowledge_base:
        return validated_knowledge_base[entity] == claim
    return False

is_valid = validate_knowledge("史蒂夫·賈伯斯", "Microsoft的創始人")
print(is_valid)  # 輸出為False，因為此知識是錯誤的

知識圖譜的獲取與構建是一個複雜而持續的過程，涉及多個步驟和技術。上述程式碼僅為簡化示例，真實的知識獲取與構建會更為複雜，但基本思路是相似的。

6. 知識圖譜推理

知識圖譜推理是知識圖譜的核心研究領域之一，涉及利用現有知識圖譜中的實體和關係，推導和預測新的關係或屬性。

邏輯推理

定義：邏輯推理使用形式化邏輯來推導知識圖譜中的新關係或屬性，通常基於預定義的規則或模式。

例子：給定以下知識：

  1. 所有人都是生物。
  2. Tom是一個人。

我們可以推斷出：Tom是一個生物。

Python程式碼：

knowledge_base = {
    "所有人": "生物",
    "Tom": "人"
}

def logic_inference(entity):
    if entity in knowledge_base:
        if knowledge_base[entity] == "人":
            return "生物"
        return knowledge_base[entity]
    return None

result = logic_inference("Tom")
print(result)  # 輸出：生物

知識嵌入推理

定義：知識嵌入推理使用深度學習模型，如TransE或TransH，將知識圖譜中的實體和關係對映到低維向量空間，並透過向量運算進行推理。

例子：給定知識"北京" - "是" -> "中國的首都"，我們可以推斷出其他類似的關係，如"東京" - "是" -> "日本的首都"。

PyTorch程式碼：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

# 使用TransE模型的簡化版本
class TransE(nn.Module):
    def __init__(self, entity_size, relation_size, embedding_dim):
        super(TransE, self).__init__()
        self.entity_embeddings = nn.Embedding(entity_size, embedding_dim)
        self.relation_embeddings = nn.Embedding(relation_size, embedding_dim)

    def forward(self, head, relation):
        head_embedding = self.entity_embeddings(head)
        relation_embedding = self.relation_embeddings(relation)
        return head_embedding + relation_embedding

# 假設我們有3個實體和1個關係
model = TransE(3, 1, 10)

# 訓練模型... (這裡略過訓練過程)

# 推理
beijing_id, is_id, tokyo_id = 0, 0, 2
predicted_tail = model(beijing_id, is_id)
actual_tail = model.entity_embeddings(torch.tensor(tokyo_id))
# 計算相似性
similarity = torch.nn.functional.cosine_similarity(predicted_tail, actual_tail)
print(similarity)

路徑推理

定義：路徑推理是基於知識圖譜中實體間的多跳關係來推導新的關係。

例子：如果知道"A是B的朋友"和"B是C的朋友"，我們可以推斷"A可能認識C"。

Python程式碼：

relations = {
    "A": ["B"],
    "B": ["C"]
}

def path_inference(entity):
    friends = relations.get(entity, [])
    friends_of_friends = []
    for friend in friends:
        friends_of_friends.extend(relations.get(friend, []))
    return friends_of_friends

result = path_inference("A")
print(result)  # 輸出：['C']

知識圖譜推理是一個富有挑戰性的領域，因為它需要處理大量的知識，並從中推匯出新的、有用的資訊。上述方法和程式碼提供了一個入門級的概覽，實際的應用和研究會更加複雜。

總結

知識圖譜在過去的幾年裡已經從一個學術的概念逐漸轉化為廣泛應用於實際業務場景的強大工具。從最基本的概念、發展歷程、研究內容，到更加複雜的知識圖譜的表示、儲存、獲取、構建和推理，我們逐步深入瞭解了這一領域的技術內涵。

但是，縱觀整個知識圖譜的發展歷程，其中最為突出的一個特點是：知識圖譜是一個持續演進的領域。隨著資料的增長、技術的進步以及應用場景的擴充套件，知識圖譜所需處理的問題也在持續變化和擴充套件。

另外，我認為有兩個核心洞見值得進一步思考：

  1. 知識圖譜與人類思維：知識圖譜不僅僅是一種儲存和管理知識的工具，更重要的是，它在某種程度上模擬了人類的思維模式。我們如何組織、連結和使用知識，都在知識圖譜中得到了很好的體現。因此，對知識圖譜的研究實際上也加深了我們對人類認知的理解。

  2. 技術與應用的平衡：知識圖譜的發展不應僅僅停留在技術層面。更為關鍵的是，如何將這些技術應用於實際問題，實現知識的最大化利用。這需要我們不斷地進行技術和應用之間的平衡，確保知識圖譜的技術進步能夠真正地服務於實際的業務需求。

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TeahLead KrisChang，10+年的網際網路和人工智慧從業經驗，10年+技術和業務團隊管理經驗，同濟軟體工程本科，復旦工程管理碩士，阿里雲認證雲服務資深架構師，上億營收AI產品業務負責人。

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