[Python知识图谱] 四.Python和Gephi实现中国知网合作关系知识图谱

该系列文章主要讲解知识图谱或关系图谱的构建方法，前文介绍了Neo4j图数据库和Jieba、PyLTP的基本用法。本篇文章主要采用Python和Gephi构建中国知网某个领域的作者合作关系和主题词共现的知识图谱，重点阐述了一种可操作的关系图谱构建方法，可用于论文发表、课程或企业可视化展示等。其基本步骤如下：

1.在中国知网搜索“清水江”关键词，并导出论文Excel格式。
2.使用Python处理文本，获取作者合作的共现矩阵及三元组。
3.Gephi导入CSV节点及边文件，并构建关系图谱。
4.Gephi调整参数，优化关系图谱。

这是一篇非常基础的文章，而且不需要撰写网络爬虫，最终生成的效果还不错，可广泛应用于知识图谱、引文分析、企业合作等领域。希望大家喜欢，尤其是研究自然语言处理和知识图谱的同学。同时，从今天起，博客的代码尽量上传到Github和CSDN下载，脚踏实地，与君同在。

下载地址：https://download.csdn.net/download/eastmount/11650953

前文参考
Neo4j图数据库系列：
[知识图谱构建] 一.Neo4j图数据库安装初识及药材供应图谱实例
[知识图谱构建] 二.《Neo4j基础入门》基础学习之创建图数据库节点及关系
[知识图谱构建] 三.Neo4j创建高校教师关系图谱及查询语句入门详解

Python知识图谱构建系列：
[Python知识图谱] 一.哈工大pyltp安装及中文分句、中文分词、导入词典基本用法
[Python知识图谱] 二.哈工大pyltp词性标注、命名实体识别、依存句法分析和语义角色标注
[Python知识图谱] 三.Jieba工具中文分词、添加自定义词典及词性标注详解

关系图谱系列：
[关系图谱] 一.Gephi通过共现矩阵构建知网作者关系图谱
[关系图谱] 二.Gephi导入共线矩阵构建作者关系图谱

知识图谱实例系列：
[知识图谱实战篇] 一.数据抓取之Python3抓取JSON格式的电影实体
[知识图谱实战篇] 二.Json+Seaborn可视化展示电影实体
[知识图谱实战篇] 三.Python提取JSON数据、HTML+D3构建基本可视化布局
[知识图谱实战篇] 四.HTML+D3+CSS绘制关系图谱
[知识图谱实战篇] 五.HTML+D3添加鼠标响应事件显示相关节点及边
[知识图谱实战篇] 六.HTML+D3实现点击节点显示相关属性及属性值
[知识图谱实战篇] 七.HTML+D3实现关系图谱搜索功能
[知识图谱实战篇] 八.HTML+D3绘制时间轴线及显示实体

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一.最终效果图

作者合作知识图谱

下面是另一个主题“网络安全”以某作者为中心的区域，分别是武大和北邮。

关键词共现知识图谱

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二.中国知网导出数据

第一步：在中国知网CNKI中搜索“清水江”关键词，返回期刊论文1007篇，作为目标分析数据。

注意，中国知网最多能导出5000篇文献，如果文章过多建议增加按年份统计，最后再汇总。同时，由于博士论文、会议论文、报纸作者关系较为单一，所以这里仅分析期刊论文。

第二步：点击左上角勾选文献。每次最多选择50篇论文，接着点击下一页，导出500篇文献。

选择下一页：

选中500篇论文之后，接着点击“导出/参考文献”选项。

第三步：在弹出的 界面中，选择“Reforks”格式，点击XLS导出。

到处的表格如下图所示，包括各种论文信息，可惜没有下载量和被引用量（网络爬虫实现），但我们的知识图谱分析也够了。

第四步：再下载剩余的所有文献，每次500篇的下载，并整理在一个Excel表格中，过滤掉英文和无作者的论文，剩下958篇，即为分析的数据集。

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三.什么是共现关系

引文分析常见的包括两类，一种是共现关系，另一种是引用和被引用关系。本文主要讲解共现关系，假设现在存在四篇文章，如下所示：

文章标题                                        作者
大数据发展现状分析                              A，B，C，D
Python网络爬虫                                 A，B，C
贵州省大数据战略                                 B，A，D
大数据分析重要                                    D，A

第一步：写代码抓取该领域文章的所有作者，即：A、B、C、D。

第二步：接着获取对应的共现矩阵，比如文章“大数据发展现状分析”，则认为A、B、C、D共现，在他们之间建立一条边。共现矩阵如下所示，共13条边。

$$\left[\begin{array}{ccccc}-& A& B& C& D\\ A& 0& 2& 2& 2\\ B& 1& 0& 2& 2\\ C& 0& 0& 0& 1\\ D& 1& 0& 0& 0\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(1)}$$

第三步：由于最后的图谱是无向图，为了方便计算，我们将矩阵的下三角数据加至上三角，从而减少计算量。

$$\left[\begin{array}{ccccc}-& A& B& C& D\\ A& 0& 3& 2& 3\\ B& 0& 0& 2& 2\\ C& 0& 0& 0& 1\\ D& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(1)}$$

第四步：通过共现矩阵分别获取两两关系及权重，再写入CSV或Excel文件中，如下所示。知识图谱通常由三元组构成，包括 {实体，属性，属性值}、{实体、关系、实体}，这里的{Source、Weight、Weight}也可以称为一个三元组。

$$\left[\begin{array}{ccc}Source& Target& Weight\\ A& B& 3\\ A& C& 2\\ A& D& 3\\ B& C& 2\\ B& D& 2\\ C& D& 1\end{array}\right]\text{\hspace{1em}(2)}$$

第五步：将该CSV文件导入Gephi中，并绘制相关的图形。因为该实例节点比较少，下面是Pyhton调用Networkx绘制的代码及图形。

# -*- coding: utf-8 -*-
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
 
#定义有向图
DG = nx.Graph() 
#添加五个节点(列表)
DG.add_nodes_from(['A', 'B', 'C', 'D'])
print DG.nodes()
#添加边(列表)
DG.add_edge('A', 'B', weight=3)
DG.add_edge('A', 'C', weight=2)
DG.add_edge('A', 'D', weight=3)
DG.add_edge('B', 'C', weight=2)
DG.add_edge('B', 'D', weight=2)
DG.add_edge('C', 'D', weight=1)
#DG.add_edges_from([('A', 'B'), ('A', 'C'), ('A', 'D'), ('B','C'),('B','D'),('C','D')])
print DG.edges()
#绘制图形 设置节点名显示\节点大小\节点颜色
colors = ['red', 'green', 'blue', 'yellow']
nx.draw(DG,with_labels=True, node_size=900, node_color = colors)
plt.show()

绘制图形如下所示：

接下来我们将告诉大家如何撰写Python代码获取作者共现矩阵及三元组。

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四.Python构建共现矩阵和三元组

第一步 ：将Excel中作者列单独提取至word.txt文件中，如下图所示。

第二步：运行Python代码获取共现矩阵和{Source， Weight，Target}三元组。

• 按行读取TXT数据，并调用split(’;’)分割作者，将所有作者信息存储至word列表中（不含重复项）
• 建立 word_vector[作者数][作者数] 共现矩阵，依次获取每行的两个作者下标位置，记录在变量w1、w2、n1、n2中
• 词频矩阵赋值，这里通过判断计算上三角矩阵 word_vector[n1][n2] += 1 或 word_vector[n2][n1] += 1
• 两层循环获取共现矩阵 word_vector[i][j] 中不为0的数值，word[i]、word[j] 和权重 word_vector[i][j] 即为三元组
• 将最终结果输出至TXT和CSV文件

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@author: eastmount CSDN 杨秀璋 2019-09-02
"""
import pandas as pd
import numpy as np
import codecs
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
import csv
 
#---------------------------第一步:读取数据-------------------------------
word = [] #记录关键词
f = open("word.txt")            
line = f.readline()           
while line:
    #print line
    line = line.replace("\n", "") #过滤换行
    line = line.strip('\n') 
    for n in line.split(';'):
        #print n
        if n not in word:
            word.append(n)
    line = f.readline()
f.close()
print len(word) #作者总数


#--------------------------第二步 计算共现矩阵----------------------------
a = np.zeros([2,3])
print a

#共现矩阵
#word_vector = np.zeros([len(word),len(word)], dtype='float16') 

#MemoryError：矩阵过大汇报内存错误
#https://jingyan.baidu.com/article/a65957f434970a24e67f9be6.html
#采用coo_matrix函数解决该问题

from scipy.sparse import coo_matrix
print len(word)
#类型
word_vector = coo_matrix((len(word),len(word)), dtype=np.int8).toarray() 
print word_vector.shape

f = open("word.txt")
line = f.readline()           
while line:
    line = line.replace("\n", "") #过滤换行
    line = line.strip('\n') #过滤换行
    nums = line.split(';')

    #循环遍历关键词所在位置 设置word_vector计数
    i = 0
    j = 0
    while i<len(nums):       #ABCD共现 AB AC AD BC BD CD加1
        j = i + 1
        w1 = nums[i]           #第一个单词
        while j<len(nums):
            w2 = nums[j]       #第二个单词
            #从word数组中找到单词对应的下标
            k = 0
            n1 = 0
            while k<len(word):
                if w1==word[k]:
                    n1 = k
                    break
                k = k +1
            #寻找第二个关键字位置
            k = 0
            n2 = 0
            while k<len(word):
                if w2==word[k]:
                    n2 = k
                    break
                k = k +1
            #重点: 词频矩阵赋值 只计算上三角
            if n1<=n2:
                word_vector[n1][n2] = word_vector[n1][n2] + 1
            else:
                word_vector[n2][n1] = word_vector[n2][n1] + 1
            #print n1, n2, w1, w2
            j = j + 1
        i = i + 1
    #读取新内容
    line = f.readline()
f.close()


#--------------------------第三步  TXT文件写入--------------------------
res = open("word_word_weight.txt", "a+")
i = 0
while i<len(word):
    w1 = word[i]
    j = 0
    while j<len(word):
        w2 = word[j]
        #判断两个词是否共现 共现&词频不为0的写入文件
        if word_vector[i][j]>0:
            #print w1 +" " + w2 + " "+ str(int(word_vector[i][j]))
            res.write(w1 +" " + w2 + " "+ str(int(word_vector[i][j]))  +  "\r\n")
        j = j + 1
    i = i + 1
res.close()

#共现矩阵写入文件 如果作者数量较多, 建议删除下面部分代码
res = open("word_jz.txt", "a+")
i = 0
while i<len(word):
    j = 0
    jz = ""
    while j<len(word):
        jz = jz + str(int(word_vector[i][j])) + " "
        j = j + 1
    res.write(jz + "\r\n")
    i = i + 1
res.close()


#--------------------------第四步  CSV文件写入--------------------------
c = open("word-word-weight.csv","wb")    #创建文件
#c.write(codecs.BOM_UTF8)                   #防止乱码
writer = csv.writer(c)                                #写入对象
writer.writerow(['Word1', 'Word2', 'Weight'])

i = 0
while i<len(word):
    w1 = word[i]
    j = 0 
    while j<len(word):
        w2 = word[j]
        #判断两个词是否共现 共现词频不为0的写入文件
        if word_vector[i][j]>0:
            #写入文件
            templist = []
            templist.append(w1)
            templist.append(w2)
            templist.append(str(int(word_vector[i][j])))
            #print templist
            writer.writerow(templist)
        j = j + 1
    i = i + 1
c.close()

如果输入数据为：

A;B;C;D
A;B;C
B;A;D
D;A

则输出结果如下图所示：

第三步：最终的“清水江”文献输出结果如下所示，主要是 word-word-weight.csv 文件。

由于split函数分割过程中，可能存在多余空格的现象，如下图所示，我们将含有空白的栏目删除。

完整的三元组共1255组，即构成了1255条边。

注意，如果作者数较多时，代码中尽量不要使用print输出中间结果，并且只做 word-word-weight.csv 文件写入操作即可。同时，建议先尝试运行小的数据集，如前面的ABCD，代码能正确运行之后再加载大的数据集。

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五.Gephi构建知识图谱

众所周知，知识图谱都是有节点和边组成的，每一个作者或每一个关键词可以作为一个节点，而共现关系可以构造边。如果共现的次数越多，表示合作越紧密，则边越粗，反之越细。当使用度来表示节点大小时，如果某个节点越大，则表示该节点共现合作的数量越多。下面开始分享Gephi软件绘制关系图谱的流程。

(一).数据准备

edges.csv
包含边的文件就是前面的 word-word-weight.csv，但需要修改表头并增加一列类型Type，其值为Undirected（无向图）。

Source,Target,Type,Weight
赵艳,吴娟,Undirected,1
赵艳,杨兴,Undirected,1
赵艳,张诗莹,Undirected,1
傅慧平,张金成,Undirected,2
傅慧平,杨正宏,Undirected,1
周相卿,刘嘉宝,Undirected,1
曹端波,付前进,Undirected,1
李红香,马国君,Undirected,4
胡世然,杨兴,Undirected,3
胡世然,周承辉,Undirected,4
胡世然,李建光,Undirected,7
胡世然,朱玲,Undirected,3

nodes.csv
接下来我们还要创建一个包含节点的信息。只需要将Source和Target两列数据复制到nodes.csv中，然后去除重复的即可。当然，如果数量很大，Python写个循环代码也能处理。

接着将第一列复制到第二列，需要注意id表示编号（名称）、label表示节点类标，这里中文显示。nodes.csv最终输出结果如下图所示：

id,label
赵艳,赵艳
傅慧平,傅慧平
周相卿,周相卿
曹端波,曹端波
李红香,李红香
王华,王华
韦建丽,韦建丽
徐杰舜,徐杰舜

(二).数据导入

数据准备充分之后，开始我们的知识图谱构建之旅吧！

第一步：安装并打开Gephi软件。软件我已经上传到下载包中供大家使用了。

第二步：新建工程，并选择“数据资料”，输入电子表格。

第三步：导入节点文件nodes.csv，注意CSV文件中表头切记定位为 id、label，导入一定选择“节点表格”和“GB2312”编码，点击“完成”即可。

第四步：导入边文件edges.csv，注意CSV文件中表头切记为Source（起始点）、Target（目标点）、Weight（权重）、Tpye（无向边 Undirected）。

导入成功后如下图所示：

导入成功后点击“概览”显示如下所示，接着就是调整参数。

(三).知识图谱参数设置

设置外观如下图所示，主要包括颜色、大小、标签颜色、标签尺寸。

1.设置节点大小和颜色。
选中颜色，点击“数值设定”，选择渲染方式为“度”。

显示结果如下所示：

接着设置节点大小，数值设定为“度”，最小尺寸为20，最大尺寸为80。

2.设置边大小和颜色。
设置边颜色的数值设定为“边的权重”，如下图所示。

设置边的大小数值设定为“边的权重”。

3.在布局中选择“Fruchterman Reingold”。

显示结果如下所示：

4.设置模块化。在右边统计中点击“运行”，设置模块性。

5.设置平均路径长度。在右边统计中点击“运行”，设置边概述。

6.重新设置节点属性。
节点大小数值设定为“度”，最小值还是20，最大值还是80。
节点颜色数值设定为“Modularity Class”，表示模块化。

此时图形显示如下所示，非常好看，有关系的人物颜色也设置为了类似的颜色。

(四).可视化显示

显示标签如下图所示：

最终显示如下图所示。

讲到这里，整篇文章就结束了，同理可以生成关键词的共现图谱。

同时，如果读者对如何实现以某一个作者为中心的区域领域，后面作者可以再分享一篇文章。

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六.总结

最后简单总结下，Neo4图数据库的j缺点是无法设置节点的权重大小，所有节点大小一致，并且运行时间较长。Gephi缺点是不支持语句查询，希望未来自己能搞一个开源的、灵活的关系图谱绘制框架。同时，真正的知识图谱是涉及语义、命名实体识别、关系抽取、实体对齐及消歧等，后面作者在有时间的情况下将继续为读者分享相关知识，前行路上与你同在。

珞珞如石，温而若珈；潇洒坦荡，一生澄澈。新学期，新生活，新里程。
一个多月的闭关，深深体会到数学和英语的重要性，短板抓紧补起来，长板却没有。开学八门课，《信息论》《现代密码学》《网络安全协议》《信息安全前沿》《信息安全与可信计算》《自然语言处理》等，就NLP熟悉点，得加油了，更要静下心来去“做”、“学”、“问”。Stay hungry，Stay foolish~

(By:Eastmount 2019-09-02 下午5点 http://blog.csdn.net/eastmount/ )

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