team-learning-nlp

本文集文档发布于灏天文库

Datawhale知识图谱组队学习之Task1知识图谱介绍

文档摘要

Datawhale 知识图谱组队学习 之 Task 1 知识图谱介绍 文章编写人：吴晓均、康兵兵 github 地址： 目录 Datawhale 知识图谱组队学习 之 Task 1 知识图谱介绍 目录 一、知识图谱简介 1.1 引言 1.2 什么是知识图谱呢？ 1.2.1 什么是图（Graph）呢？ 1.2.2 什么是 Schema 呢？ 1.3 知识图谱的价值在哪呢？ 二、怎么构建知识图谱呢？ 2.1 知识图谱的数据来源于哪里？ 2.2 信息抽取的难点在哪里？ 2.3 构建知识图谱所涉及的技术？ 2.4、知识图谱的具体构建技术是什么？ 2.4.1 实体命名识别（Named Entity Recognition） 2.4.2 关系抽取（Relation Extraction） 2.4.

Datawhale 知识图谱组队学习 之 Task 1 知识图谱介绍

文章编写人：吴晓均、康兵兵

github 地址：

目录

一、知识图谱简介

1.1 引言

从一开始的Google搜索，到现在的聊天机器人、大数据风控、证券投资、智能医疗、自适应教育、推荐系统，无一不跟知识图谱相关。它在技术领域的热度也在逐年上升。

早在 2010 年微软就开始构建知识图谱，包括 Satori 和 Probase；2012 年，Google 正式发布了 Google Knowledge Graph，现在规模已超 700 亿。目前微软和 Google 拥有全世界最大的通用知识图谱，Facebook 拥有全世界最大的社交知识图谱，而阿里巴巴和亚马逊则分别构建了商品知识图谱。

业内布局.jpg

图 1 业内布局

业内应用.jpg

图 2 业内应用

本章以通俗易懂的方式来讲解知识图谱相关的知识、介绍从零开始搭建知识图谱过程当中需要经历的步骤以及每个阶段。本次组队学习还将动手实践一个关于kg在智能问答中的应用。

1.2 什么是知识图谱呢？

知识图谱是由 Google 公司在 2012 年提出来的一个新的概念。从学术的角度，我们可以对知识图谱给一个这样的定义：“知识图谱本质上是语义网络（Semantic Network）的知识库”。但这有点抽象，所以换个角度，从实际应用的角度出发其实可以简单地把知识图谱理解成多关系图（Multi-relational Graph）。

1.2.1 什么是图（Graph）呢？

图（Graph）是由节点（Vertex）和边（Edge）来构成，多关系图一般包含多种类型的节点和多种类型的边。实体（节点）指的是现实世界中的事物比如人、地名、概念、药物、公司等，关系（边）则用来表达不同实体之间的某种联系，比如人-“居住在”-北京、张三和李四是“朋友”、逻辑回归是深度学习的“先导知识”等等。

image.png

图 3 图（Graph）介绍

1.2.2 什么是 Schema 呢？

  • 知识图谱另外一个很重要的概念是 Schema:
    • 介绍：限定待加入知识图谱数据的格式；相当于某个领域内的数据模型，包含了该领域内有意义的概念类型以及这些类型的属性
    • 作用：规范结构化数据的表达，一条数据必须满足Schema预先定义好的实体对象及其类型，才被允许更新到知识图谱中， 一图胜千言
      • 图中的DataType限定了知识图谱节点值的类型为文本、日期、数字（浮点型与整型）
      • 图中的Thing限定了节点的类型及其属性（即图1-1中的边）
    • 举例说明：基于下图Schema构建的知识图谱中仅可含作品、地方组织、人物；其中作品的属性为电影与音乐、地方组织的属性为当地的商业（eg：饭店、俱乐部等）、人物的属性为歌手
    • tips：本次组队学习不涉及schema的构建

Schema定义.PNG

图 4 Schema定义

1.3 知识图谱的价值在哪呢？

从图5中可以看出，知识图谱是人工智能很重要的一个分支, 人工智能的目标为了让机器具备像人一样理性思考及做事的能力 ->
在符号主义的引领下，知识工程（核心内容即建设专家系统）取得了突破性的进展 ->
在整个知识工程的分支下，知识表示是一个非常重要的任务 ->
而知识图谱又恰恰是知识表示的重要一环

学科概念.PNG

图 5 学科概念

二、怎么构建知识图谱呢？

2.1 知识图谱的数据来源于哪里？

知识图谱的构建是后续应用的基础，而且构建的前提是需要把数据从不同的数据源中抽取出来。对于垂直领域的知识图谱来说，它们的数据源主要来自两种渠道：

  • 第一种：业务本身的数据。这部分数据通常包含在公司内的数据库表并以结构化的方式存储，一般只需要简单预处理即可以作为后续AI系统的输入；
  • 第二种：网络上公开、抓取的数据。这些数据通常是以网页的形式存在所以是非结构化的数据，一般需要借助于自然语言处理等技术来提取出结构化信息。

image.png

图 6 数据来源

比如在下面的搜索例子里，Bill Gates和Malinda Gate的关系就可以从非结构化数据中提炼出来，比如维基百科等数据源。

image.png

图 7 举例说明

2.2 信息抽取的难点在哪里？

信息抽取的难点在于处理非结构化数据。在下面的图中，我们给出了一个实例。左边是一段非结构化的英文文本，右边是从这些文本中抽取出来的实体和关系。
image.png

图 8 信息抽取的难点举例

2.3 构建知识图谱所涉及的技术？

在构建类似的图谱过程当中，主要涉及以下几个方面的自然语言处理技术：

  1. 实体命名识别（Name Entity Recognition）
  2. 关系抽取（Relation Extraction）
  3. 实体统一（Entity Resolution）
  4. 指代消解（Coreference Resolution）
  5. ...

2.4、知识图谱的具体构建技术是什么？

下面针对每一项技术解决的问题做简单的描述，至于这些是具体怎么实现的，不在这里一一展开，后续课程和知识图谱第二期的课程将会慢慢展开：

image.png

图 9 具体构建技术 示例

2.4.1 实体命名识别（Named Entity Recognition）

  • 实体命名识别（英语：Named Entity Recognition），简称NER
    • 目标：就是从文本里提取出实体并对每个实体做分类/打标签；
    • 举例说明：比如从上述文本里，我们可以提取出实体-“NYC”，并标记实体类型为 “Location”；我们也可以从中提取出“Virgil's BBQ”，并标记实体类型为“Restarant”。
    • 这种过程称之为实体命名识别，这是一项相对比较成熟的技术，有一些现成的工具可以用来做这件事情。

2.4.2 关系抽取（Relation Extraction）

  • 关系抽取（英语：Relation Extraction），简称 RE
    • 介绍：通过关系抽取技术，把实体间的关系从文本中提取出来；
    • 举例说明：比如实体“hotel”和“Hilton property”之间的关系为“in”；“hotel”和“Time Square”的关系为“near”等等。

image.png

图 9 NER 和 RE 示例

2.4.3 实体统一（Entity Resolution）

  • 实体统一（英语：Entity Resolution），简称 ER
    • 介绍：对于有些实体写法上不一样，但其实是指向同一个实体；
    • 举例说明：比如“NYC”和“New York”表面上是不同的字符串，但其实指的都是纽约这个城市，需要合并。
    • 价值：实体统一不仅可以减少实体的种类，也可以降低图谱的稀疏性（Sparsity）；

2.4.4 指代消解（Disambiguation）

  • 指代消解（英语：Disambiguation）
    • 介绍：文本中出现的“it”, “he”, “she”这些词到底指向哪个实体，比如在本文里两个被标记出来的“it”都指向“hotel”这个实体。

image.png

图 10 ER 和 Disambiguation 示例

三、知识图谱的存储

  • 知识图谱主要有两种存储方式：
    • 一种是基于RDF的存储；
    • 另一种是基于图数据库的存储。

它们之间的区别如下图所示。RDF一个重要的设计原则是数据的易发布以及共享，图数据库则把重点放在了高效的图查询和搜索上。其次，RDF以三元组的方式来存储数据而且不包含属性信息，但图数据库一般以属性图为基本的表示形式，所以实体和关系可以包含属性，这就意味着更容易表达现实的业务场景。其中Neo4j系统目前仍是使用率最高的图数据库，它拥有活跃的社区，而且系统本身的查询效率高，但唯一的不足就是不支持准分布式。相反，OrientDB和JanusGraph（原Titan）支持分布式，但这些系统相对较新，社区不如Neo4j活跃，这也就意味着使用过程当中不可避免地会遇到一些刺手的问题。如果选择使用RDF的存储系统，Jena或许一个比较不错的选择。

image.png

图 11 RDF的存储 和 基于图数据库的存储 的区别

四、Neo4J 介绍与安装

4.1 引言

“工欲善其事，必先利其器”，知识图谱作为一种特殊的图结构，自然需要专门的图数据库进行存储。

知识图谱由于其数据包含实体、属性、关系等，常见的关系型数据库诸如MySQL之类不能很好的体现数据的这些特点，因此知识图谱数据的存储一般是采用图数据库（Graph Databases）。而Neo4j是其中最为常见的图数据库。

4.2 Neo4J 下载

首先在 Neo4J官网 下载 Neo4J。

  • Neo4J分为社区版和企业版：
    • 企业版：收费，在横向扩展、权限控制、运行性能、HA等方面都比社区版好，适合正式的生产环境；
    • 社区版：免费，普通的学习和开发采用免费社区版就好。

4.3 Neo4J 安装

  • 在Mac或者Linux中，安装好jdk后，直接解压下载好的Neo4J包，运行命令
  bin/neo4j start
​
  • windows系统下载好neo4j和jdk 1.8.0后，输入以下命令启动后neo4j
  neo4j.bat console
​

image

图 12 Neo4j 运行结果

4.4 Neo4J Web 界面 介绍

Neo4J提供了一个用户友好的 Web 界面，可以进行各项配置、写入、查询等操作，并且提供了可视化功能。类似ElasticSearch一样，我个人非常喜欢这种开箱即用的设计。

打开浏览器，输入http://127.0.0.1/browser/，如下图 13 所示，界面最上方就是交互的输入框。

image

图 13 Neo4J Web界面

4.5 Cypher查询语言

  • Cypher：
    • 介绍：是Neo4J的声明式图形查询语言，允许用户不必编写图形结构的遍历代码，就可以对图形数据进行高效的查询。
    • 设计目的：类似SQL，适合于开发者以及在数据库上做点对点模式（ad-hoc）查询的专业操作人员。
    • 其具备的能力包括：
      • 创建、更新、删除节点和关系
      • 通过模式匹配来查询和修改节点和关系 - 管理索引和约束等

五、Neo4J 实战

5.1 引言

这个案例的节点主要包括人物和城市两类，人物和人物之间有朋友、夫妻等关系，人物和城市之间有出生地的关系。特别鸣谢知乎@异尘手把手教你快速入门知识图谱 - Neo4J教程

  • Person-Friends-PERSON
  • Person-Married-PERSON
  • Person-Born_in-Location

5.2 创建节点

  1. 删除数据库中以往的图，确保一个空白的环境进行操作【注：慎用，如果库内有重要信息的话】：

image.png

图 14 Neo4J 删库操作

  MATCH (n) DETACH DELETE n
​

这里，MATCH是匹配操作，而小括号()代表一个节点node（可理解为括号类似一个圆形），括号里面的n为标识符。

  1. 创建一个人物节点：
  CREATE (n:Person {name:'John'}) RETURN n
​

注：

CREATE是创建操作，Person是标签，代表节点的类型。

花括号{}代表节点的属性，属性类似Python的字典。

这条语句的含义就是创建一个标签为Person的节点，该节点具有一个name属性，属性值是John。

  1. 创建更多的人物节点，并分别命名：
  CREATE (n:Person {name:'Sally'}) RETURN n
  CREATE (n:Person {name:'Steve'}) RETURN n
  CREATE (n:Person {name:'Mike'}) RETURN n
  CREATE (n:Person {name:'Liz'}) RETURN n
  CREATE (n:Person {name:'Shawn'}) RETURN n
​

如图 15 所示，6个人物节点创建成功

image

图 15 创建 人物节点

  1. 创建地区节点
  CREATE (n:Location {city:'Miami', state:'FL'})
  CREATE (n:Location {city:'Boston', state:'MA'})
  CREATE (n:Location {city:'Lynn', state:'MA'})
  CREATE (n:Location {city:'Portland', state:'ME'})
  CREATE (n:Location {city:'San Francisco', state:'CA'})
​

可以看到，节点类型为Location，属性包括city和state。

如图 16 所示，共有6个人物节点、5个地区节点，Neo4J贴心地使用不用的颜色来表示不同类型的节点。

image

图 16 创建地区节点

5.3 创建关系

  1. 朋友关系
  MATCH (a:Person {name:'Liz'}), 
        (b:Person {name:'Mike'}) 
  MERGE (a)-[:FRIENDS]->(b)
​

注：

方括号[]即为关系，FRIENDS为关系的类型。

注意这里的箭头-->是有方向的，表示是从a到b的关系。 这样，Liz和Mike之间建立了FRIENDS关系。

  1. 关系增加属性
  MATCH (a:Person {name:'Shawn'}), 
        (b:Person {name:'Sally'}) 
  MERGE (a)-[:FRIENDS {since:2001}]->(b)
​
  1. 增加更多的朋友关系：
  MATCH (a:Person {name:'Shawn'}), (b:Person {name:'John'}) MERGE (a)-[:FRIENDS {since:2012}]->(b)
  MATCH (a:Person {name:'Mike'}), (b:Person {name:'Shawn'}) MERGE (a)-[:FRIENDS {since:2006}]->(b)
  MATCH (a:Person {name:'Sally'}), (b:Person {name:'Steve'}) MERGE (a)-[:FRIENDS {since:2006}]->(b)
  MATCH (a:Person {name:'Liz'}), (b:Person {name:'John'}) MERGE (a)-[:MARRIED {since:1998}]->(b)
​

这样，图谱就已经建立好了：

image.png

图 17 图谱

5.4 创建 出生地关系

  1. 建立不同类型节点之间的关系-人物和地点的关系
  MATCH (a:Person {name:'John'}), (b:Location {city:'Boston'}) MERGE (a)-[:BORN_IN {year:1978}]->(b)
  MATCH (a:Person {name:'Liz'}), (b:Location {city:'Boston'}) MERGE (a)-[:BORN_IN {year:1981}]->(b)
  MATCH (a:Person {name:'Mike'}), (b:Location {city:'San Francisco'}) MERGE (a)-[:BORN_IN {year:1960}]->(b)
  MATCH (a:Person {name:'Shawn'}), (b:Location {city:'Miami'}) MERGE (a)-[:BORN_IN {year:1960}]->(b)
  MATCH (a:Person {name:'Steve'}), (b:Location {city:'Lynn'}) MERGE (a)-[:BORN_IN {year:1970}]->(b)
​

这里的关系是BORN_IN，表示出生地，同样有一个属性，表示出生年份。

如图 18 ，在人物节点和地区节点之间，人物出生地关系已建立好。

  1. 创建节点的时候就建好关系
  CREATE (a:Person {name:'Todd'})-[r:FRIENDS]->(b:Person {name:'Carlos'})
​

最终该图谱如下图所示：

image.png

图 18 图谱

5.5 图数据库查询

  1. 查询下所有在Boston出生的人物
  MATCH (a:Person)-[:BORN_IN]->(b:Location {city:'Boston'}) RETURN a,b
​

结果如图 19：

image.png

图 19 查询下所有在Boston出生的人物

  1. 查询所有对外有关系的节点
  MATCH (a)--() RETURN a
​

结果如图 20：

查询所有对外有关系的节点

图 20 查询所有对外有关系的节点

  1. 查询所有有关系的节点
  MATCH (a)-[r]->() RETURN a.name, type(r)
​

结果如图21：

image.png

图 21 查询所有有关系的节点

  1. 查询所有对外有关系的节点，以及关系类型
  MATCH (a)-[r]->() RETURN a.name, type(r)
​

结果如图22：

image.png

图 22 查询所有对外有关系的节点，以及关系类型

  1. 查询所有有结婚关系的节点
  MATCH (n)-[:MARRIED]-() RETURN n
​

结果如图 23：

image.png

图 23 查询所有有结婚关系的节点

  1. 查找某人的朋友的朋友
  MATCH (a:Person {name:'Mike'})-[r1:FRIENDS]-()-[r2:FRIENDS]-(friend_of_a_friend) RETURN friend_of_a_friend.name AS fofName
​

返回Mike的朋友的朋友，结果如图 24：

image.png

图 24 查找某人的朋友的朋友

5.6 删除和修改

  1. 增加/修改节点的属性
  MATCH (a:Person {name:'Liz'}) SET a.age=34
  MATCH (a:Person {name:'Shawn'}) SET a.age=32
  MATCH (a:Person {name:'John'}) SET a.age=44
  MATCH (a:Person {name:'Mike'}) SET a.age=25
​

这里，SET表示修改操作

  1. 删除节点的属性
  MATCH (a:Person {name:'Mike'}) SET a.test='test'
  MATCH (a:Person {name:'Mike'}) REMOVE a.test
​

删除属性操作主要通过REMOVE
3. 删除节点

  MATCH (a:Location {city:'Portland'}) DELETE a
​

删除节点操作是DELETE
4. 删除有关系的节点

  MATCH (a:Person {name:'Todd'})-[rel]-(b:Person) DELETE a,b,rel
​

六、通过 Python 操作 Neo4j

6.1 neo4j模块：执行CQL ( cypher ) 语句

  # step 1：导入 Neo4j 驱动包
  from neo4j import GraphDatabase
  # step 2：连接 Neo4j 图数据库
  driver = GraphDatabase.driver("bolt://localhost:7687", auth=("neo4j", "password"))
  # 添加 关系 函数
  def add_friend(tx, name, friend_name):
      tx.run("MERGE (a:Person {name: $name}) "
            "MERGE (a)-[:KNOWS]->(friend:Person {name: $friend_name})",
            name=name, friend_name=friend_name)
  # 定义 关系函数
  def print_friends(tx, name):
      for record in tx.run("MATCH (a:Person)-[:KNOWS]->(friend) WHERE a.name = $name "
                          "RETURN friend.name ORDER BY friend.name", name=name):
          print(record["friend.name"])
  # step 3：运行
  with driver.session() as session:
      session.write_transaction(add_friend, "Arthur", "Guinevere")
      session.write_transaction(add_friend, "Arthur", "Lancelot")
      session.write_transaction(add_friend, "Arthur", "Merlin")
      session.read_transaction(print_friends, "Arthur")
​

上述程序的核心部分，抽象一下就是：

  neo4j.GraphDatabase.driver(xxxx).session().write_transaction(函数(含tx.run(CQL语句)))
​

或者

  neo4j.GraphDatabase.driver(xxxx).session().begin_transaction.run(CQL语句)
​

6.2 py2neo模块：通过操作python变量，达到操作neo4j的目的

  # step 1：导包
  from py2neo import Graph, Node, Relationship
  # step 2：构建图
  g = Graph()
  # step 3：创建节点
  tx = g.begin()
  a = Node("Person", name="Alice")
  tx.create(a)
  b = Node("Person", name="Bob")
  # step 4：创建边
  ab = Relationship(a, "KNOWS", b)
  # step 5：运行
  tx.create(ab)
  tx.commit()
​

py2neo模块符合python的习惯，写着感觉顺畅，其实可以完全不会CQL也能写

七、通过csv文件批量导入图数据

前面学习的是单个创建节点，不适合大批量导入。这里我们介绍使用neo4j-admin import命令导入，适合部署在docker环境下的neo4j。
其他导入方法也可以参考Neo4j之导入数据

csv分为两个nodes.csv和relations.csv，注意关系里的起始节点必须是在nodes.csv里能找到的：

  # nodes.csv需要指定唯一ID和nam,
  headers = [
  'unique_id:ID', # 图数据库中节点存储的唯一标识
  'name', # 节点展示的名称
  'node_type:LABEL', # 节点的类型，比如Person和Location
  'property' # 节点的其他属性
  ]
​
  # relations.csv
  headers = [
  'unique_id', # 图数据库中关系存储的唯一标识
  'begin_node_id:START_ID', # begin_node和end_node的值来自于nodes.csv中节点
  'end_node_id:END_ID',
  'begin_node_name',
  'end_node_name',
  'begin_node_type',
  'end_node_type',
  'relation_type:TYPE', # 关系的类型，比如Friends和Married
  'property' # 关系的其他属性
  ]
​

制作出两个csv后，通过以下步骤导入neo4j:

  1. 两个文件nodes.csv ，relas.csv放在
  neo4j安装绝对路径/import
​
  1. 导入到图数据库mygraph.db
  neo4j bin/neo4j-admin import --nodes=/var/lib/neo4j/import/nodes.csv --relationships=/var/lib/neo4j/import/relas.csv   --delimiter=^ --database=xinfang*.db
​

delimiter=^ 指的是csv的分隔符

  1. 指定neo4j使用哪个数据库
  修改 /root/neo4j/conf/neo4j.conf 文件中的 dbms.default_database=mygraph.db
​
  1. 重启neo4j就可以看到数据已经导入成功了

参考资料

  1. 干货 | 从零到一学习知识图谱的技术与应用
  2. 手把手教你快速入门知识图谱 - Neo4J教程
  3. python操作图数据库neo4j的两种方式
  4. Neo4j之导入数据
  5. schema 介绍
  6. 知识图谱Schema
  7. 美团大脑：知识图谱的建模方法及其应用
  8. 肖仰华. 知识图谱：概念与技术．北京：电子工业出版社, 2020．2－39．
作者与出处
原作者： Datawhale
来源：Datawhale
许可证：CC BY-NC-SA 4.0
整理： 灏天文库整理
由灏天文库结构化整理，提供目录导航、全文检索与在线阅读，便于系统化学习
发布者: 作者: Datawhale 转发
评论区 (0)
U
0/500