知识图谱（三）——知识体系构建和知识融合

知识图谱不仅包含具体的实例知识数据，还包括对知识数据的描述和定义。该部分对数据进行描述和定义的“元”数据被称为知识体系（Schema）或本体（Ontology）。

知识融合主要方法：框架匹配和实例对齐。

一、知识体系构建

1、概述

知识体系包含三方面的核心内容：

• 概念的分类
• 概念属性的描述
• 概念之间相互关系

知识体系的基本形态包含五个层次（难度升序）：词汇（Terms）、概念（Concepts）、分类关系（Taxonomic Relations）、非分类关系（Non-Taxonomic Relations）和公理（Axioms）。

示例：

2、人工构建方法

人工构建知识体系的过程可分为以下六个主要阶段（注意：非严格的线性关系）：

确定领域及任务 ==》体系复用 ==》罗列要素 ==》确定分类体系 ==》定义属性及关系 ==》定义约束

（1）确定领域及任务

与具体的应用任务有关，与具体的领域密切相关，也不能抛开领域建立一个高大全的、无法被广泛使用的产品。

想要构建更为合适的体系，需要回答：

• 我们为什么要使用这个知识体系？
• 这种知识体系呢个构帮助回答哪些类型的问题？
• 谁会使用并维护这个知识体系？

（2）体系复用

在真正进行构建之前，应广泛调研现有的第三方知识体系（eg：Schenma.org）或与之相关的资源，尽可能的参考前人已有的成果。

常用资源如下：

• 领域词典：专家编撰的领域内的词典，对构建限定领域的知识体系具有重要的参考意义。
• 语言学资源
• 开源知识图谱：DBpedia、YAGO、Freebase、OpenCyc等
• 网络百科

（3）罗列要素

根据领域，尽可能罗列期望在知识图谱中出现的要素列表，主要包括概念、属性以及关系。

（4）确定分类体系

确定了相关要素后，需要将其中表示概念的要素组织成层级结构的分类体系。必须保证上层类别所表示的概念完全包含下层类别所表示的概念（所有下层类别的实例必须是上层类别的实例）。

两个构建方法：

• 自顶向下：从最抽象的概念开始，逐层添加更为具体的概念
• 自底向上：从具体的概念开始，逐层开始抽象

（5）定义属性及关系

为每个类别定义属性及关系。

• 属性：描述概念的内在特征，
• 关系：刻画不同概念之间的关系。

属性的定义需要受分类体系的约束，下层类别必须继承所有上层类别的属性。

步骤（4）和步骤（5）常交叉进行。

（6）定义约束

• 不同的属性和关系具有不同的定义域和值域。
• 数据报障数据的一致性，避免异常值的出现。

2、自动构建方法

根据数据源结构化程度的不同，知识体系的学习技术可分为：

• 基于非结构化数据的知识体系学习（重点）
• 基于结构化数据的知识体系学习（采用与人工构建相结合的方式工作）
• 基于半结构化数据的知识体系学习（采用与人工构建相结合的方式工作）

（1）基于非结构化数据的知识体系学习

基本思想：对于非结构化数据（通常指文本数据），首先利用自然语言处理工具对文本进行分词、句法分析、命名实体识别等预处理操作，然后利用模板匹配、统计学习等手段从文本中抽取重要信息，主要包括领域概念、实例以及概念之间的关系。

主要步骤：领域概念抽取、分类体系构建、概念属性及关系抽取

a、领域概念抽取

目标：从文本数据中抽取出构建知识体系所需的关键元素（该领域的术语），包括实体类型名、属性名、关系名等

步骤如下

• 抽取候选术语：首先利用自然语言处理工具对文本进行分词、句法分析，然后利用语言学规则或模板在文本中抽取特定的字符串，并将这些字符串当做领域术语的候选。目标：尽量多覆盖真正的术语。
• 术语过滤：领域术语在领域内出现的频率会显著高于领域外出现的频率，过滤低质量的术语。
  • 常用方法：互信息（MI）、词频逆文档频率（TF-IDF）、术语相关频率（RTF）等
• 术语合并：知识体系是对概念及其关系的描述，因此术语需转换为概念。
  • 做法：将候选术语中表达相同概念的术语聚合到一起，即识别同义词。
  • 代表方法：
    • 基于词典的方法：利用现有词典资源获取词汇的同义情况，eg：WordNet、HowNet、同义词词林等。
    • 基于统计的方法：进行词汇表示学习，并基于词汇的表示对词汇进行聚类。

b、分类体系构建

目标：获取不同概念之间的上下位关系（继承关系）。 下位词是上位词概念的具体化，eg：“犬科动物”是“哺乳动物”的下位词。

代表方法

• 基于词典的方法：利用现有词典资源获取不同词汇的上下位关系，eg：WordNet等。
• 基于统计的方法：通过词的上下文对当前词进行表示，并基于该表示对得到的领域术语进行层次聚类。

c、概念属性及关系抽取

与概念抽取的过程类似，首先利用自然语言处理工具对文本进行分词、句法分析等预处理，然后利用语言学规则或模板的方法为给定的概念获取候选属性集合。然后利用统计方法定量评估每个候选属性的置信度，过滤掉低质量的属性，也涉及同义词的情况。

（2）基于结构化数据的知识体系学习

主要任务：分析关系模型中蕴含的语义信息，并将其映射到知识体系的相应部分。

构建过程：通过分析数据表的字段内容、主键、外键等信息识别实体和实体间关系。

在信息抽取时，可从描述实体的表中抽取实体的概念（即本体类型）及实体属性，从描述关系的表中抽取概念间关系，建立初步的知识体系，并进行评估和修正，生成最终的知识体系。

（3）基于半结构化数据的知识体系学习

典型数据：XML格式数据、HTML格式网页数据以及它们遵循的文档类型定义（XML Schema 或 DTD）等。以上两类方法均可使用。

3、典型知识体系（本体）

• SUMO（Suggested Upper Merged Ontology）——最大的公共本体，主要用于学术领域，可作为其他知识体系的基础本体。
• Schema.org
• Freebase——特点：使用组合数据类型（CVT）的方式表示事件等N-Triple事实。
  • Protege常被用于构建、编辑和管理知识框架。常被应用于基于框架的知识表示模型，一般是先定义类，在定义类中的属性，最后定义类和属性的约束。

二、知识融合

知识图谱融合（根据KG类型划分）：

• 竖直方向的融合：融合高层通用本体与底层领域本体或实例数据。eg：YAGO
• 水平方向的融合：融合相同层次的知识图谱。eg：BabelNet

知识融合通过对多个相关知识图谱的对齐、关联和合并，使其成为一个整体。按融合对象的不同分为：框架匹配和实体对齐。

• 框架匹配：对概念、属性、关系等知识描述体系进行匹配和融合。
• 实体对齐：对齐合并相同的实体完成知识融合

但是实例知识有时有冲突，需要对其检测和消解。

1、框架匹配（本体对齐）

解决知识体系之间的异构性，知识框架主要包括概念（类型）、属性、关系和它们之间的约束。

目前常用的框架匹配方法还停留在匹配不同知识库中的元素，按照使用的技术不同可以分为：元素级匹配和结构级匹配。

（1）元素级匹配

独立考虑元素是不是匹配，不考虑其他元素的匹配

• 字符串匹配：
  • 常用匹配方法：前缀距离，后缀距离，编辑距离和 n n n 元语法距离
  • 这种方法忽略了语言符号的多义性，一词多义和一义多词
• 词向量：将词表示为低维语义向量空间的一个点，语义相似度用点之间的距离来衡量。与字符串相比，有更强的捕获词背后的真正语义的能力，且通过训练产生的词向量的覆盖度要大得多。
• 混合方法：常将词向量与其他编辑距离等结合，混合方法获得了很好的性能。

（2）结构级匹配

不同元素的匹配之间也会有影响，例如属性的定义域和值域匹配度高，属性匹配度也高。基本思想：相似的概念具有相似的概念结构。

• 基于图的技术：对于两个本体中的节点，若它们的邻居节点是相似的，则它们也是相似的。将本体匹配问题转化为发现最大公共子图的问题。
• 基于分类体系的技术：只关注与匹配一些特殊关系。“实例-类型”（is-a）或“子类-父类”（SubClassOf）关系。
• 基于统计分析的技术：挖掘蕴含的规律，并对概念、属性、实例、关系等对象进行分组，进而计算它们之间的距离。
  • 典型技术：形式概念分析、基于距离的分类、相关性分析以及频度分布。

2、实体对齐（实体匹配）

实体对齐：判断相同或不同知识库中的两个实体是否表示同一物理对象的过程。其在数据集成和知识融合中发挥着重要的作用。

方法：

• 成对实体对齐：表示独立地判断两实体是否对应同一物理对象，通过匹配实体属性等特征判断它们的对齐程度。
• 协同实体对齐：不同实体间的对齐是相互影响的，通过协调不同对象间的匹配情况得以达到一个全局最优的对齐结果。

典型方法：基于知识库向量联合学习的对齐方法

• 基本思想：通过知识库联合表示学习（种子对齐方法：两个实体的向量要在训练过程中尽可能相似），将多个知识库表示在同一个语义向量空间中，把知识库实体对齐的过程转化为两个知识库中实体相似度计算问题。
• 知识库联合表示学习 步骤如下：
  • 首先，利用简单的对齐方法（eg：字符串匹配），来产生初始的种子对齐，这些种子对齐要准确率非常高。
  • 然后，采用TransE的方式，学习两个知识库的对齐。
• 优点：不需要依赖人工设定的规则和特征，也不需要了解知识库的命名习惯。适应性强、易于移植

3、冲突检测与消解

冲突检测与消解是知识融合的重要步骤，是多个知识图谱形成一个一致结果的最后步骤。

冲突识别（最简单的方法）：发现对于同样的属性和关系有不同的实例，但是对于某些属性，这种策略不一定有效。eg：某个人的两段不同的婚姻，都正确，不存在冲突，则需要针对性设计不同检测策略。

冲突处理

• 冲突忽略：不处理，将检测出的冲突交给用户解决（舍弃或修改）
• 冲突避免：不解决，而使用规则或约束对数据来源进行过滤。eg：约束人的年龄范围，设计不同知识来源的可信优先度。
• 冲突消解：利用知识图谱本身（框架和实例）的特征来消解冲突
  • 基于投票的方法：eg：多数投票
  • 基于质量估计的方法：考虑不同知识来源的可信度，最终选择较高质量的结果。eg：HITS或PangRank算法计算不同知识来源的可信度。