论文浅尝 | GaussianPath: 用于知识图谱推理的贝叶斯多跳推理框架

笔记整理：谭亦鸣，东南大学博士生

来源：AAAI’21

链接：https://ojs.aaai.org/index.php/AAAI/article/view/16565

多跳推理由于对下游任务例如问答和图谱补全的可解释性受到关注。多跳推理是一个典型的顺序决策过程，可表述为马尔可夫决策过程。在近年的研究中，基于强化学习的方法被证明是有效的路径推理方法之一。作者提出了一种基于贝叶斯的强化学习多跳推理框架，GaussianPath，其主要特点是考虑了推理路径的不确定性。

背景与动机

作者发现，现有方法假设实体-关系表示遵循单点分布，但事实上，不同实体与关系可能包含不同的不确定性。另一方面，作者发现这些方法里的reward具有偏见性，使得agent容易陷入高回报路径而不是宽推理路径，导致对当前信息过早和次优的利用。

贡献

作者总结论文的贡献如下：

1.提出了一个贝叶斯多条推理范式，旨在捕捉推理路径的不确定性，该方向在RL方法中较少被关注2.构建了一个可训练的贝叶斯神经网络用于逼近Q函数，该模型能够学习概念语义的不确定性，并且权衡利用和探索3.论文对现有的benchmark进行了充分的实验，结果验证了论文方法具有竞争力的性能

方法

多跳推理的不确定性建模

作者使用高斯分布来表示一个实体或关系，如公式1，其中，μe和μr表示平均向量，Σe, Σr表示协方差矩阵（这里作者使用对角协方差来提高计算效率）。因此，强化学习中的状态或者动作也遵循一个联合分布函数如下

随着与环境迭代交互，agent遵循一个未知的状态-动作分布从source entity扩展到target entity。通过训练agent，高斯分布的后验将会收敛，从而减少不确定性，因此agent会变得更加确定，因此，策略π下的推理路径τ的合理性可以描述为公式4，其中F是一个依赖于 ∀e ∈ E, r ∈ R分布的马尔可夫链上的典型的贝叶斯推断。e和r的不确定性会传递给F，然后反映为预测一条推理路径的不确定性。

由于KG中的状态-动作组合空间过大，难以直接得到Q函数，为了逼近Q函数，作者首先使用一个BayesianLSTM将当前状态s编码为一个隐向量h，如公式7

BayesianLSTM对于随机变量是可训练的，可以将概率分布作为输入，再输出概率分布。

然后作者使用了一个贝叶斯线性回归层来学习每个动作的Q-value，如公式8

实验

实验数据统计信息如表2所示

验证推理性能的任务使用的是知识图谱补全和实体链接，前者评价指标为Hit@1，10和MRR，后者评价指标则为MAP。

主要实验结果和对照组的基线模型如表所示：

首先是KG补全任务的结果

再就是链接任务的结果

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