Task 1 知识图谱介绍

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。

图 1 业内布局

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。

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

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

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（信息抽取） 等技术来提取出结构化信息。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

  Neo4J安装教程可以参考JDK+NEO4J安装及配置-----记录

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

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://127.0.0.1:7474/browser/，如下图 13 所示，界面最上方就是交互的输入框。

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】：

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。

2. 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。

3. 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

图 15 创建 人物节点

4. 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。

图 16 创建地区节点
20210111132034855.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1JvY2tfeQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70)

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。

2. 关系增加属性

   在关系中，同样的使用花括号{}来增加关系的属性，也是类似Python的字典，这里给FRIENDS关系增加了since属性，属性值为2001，表示他们建立朋友关系的时间。

  MATCH (a:Person {name:'Shawn'}), 
        (b:Person {name:'Sally'}) 
  MERGE (a)-[:FRIENDS {since:2001}]->(b)

3. 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：

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。

2. 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：

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：

图 19 查询下所有在Boston出生的人物

2. 查询所有对外有关系的节点

  MATCH (a)--() RETURN a

结果如图 20：

图 20 查询所有对外有关系的节点

3. 查询所有有关系的节点

  MATCH (a)--() RETURN a

结果如图21：

图 21 查询所有有关系的节点

4. 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：

图 22 查询所有对外有关系的节点，以及关系类型

5. 查询所有有结婚关系的节点

  MATCH (n)-[:MARRIED]-() RETURN n

结果如图 23：

图 23 查询所有有结婚关系的节点

6. 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：

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

2. 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name,
  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

2. 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=mygraph*.db

delimiter=^ 指的是csv的分隔符

3. 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

4. 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．