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        基于知識圖譜的智能答疑系統(tǒng)研究

        2018-04-18 11:07:46陳志云錢冬明
        計算機(jī)應(yīng)用與軟件 2018年2期
        關(guān)鍵詞:分類智能系統(tǒng)

        陳志云 商 月 錢冬明

        (華東師范大學(xué) 上海 200062)

        0 引 言

        隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,自然語言處理領(lǐng)域的深入,語義Web技術(shù)的不斷完善,答疑系統(tǒng)已經(jīng)成為MOOC系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用的答疑系統(tǒng)一般通過Email、BBS或借助聊天工具等方式在線答疑,促進(jìn)了師生之間的互動,學(xué)生的疑問得到反饋,教師的工作壓力得以減輕。但缺乏對以往問題答案的自動歸納總結(jié)和課程知識的智能表示,在自動答疑等智能化方面還有所欠缺。

        智能答疑系統(tǒng)支持用戶以自然語言進(jìn)行提問,語義分析后在知識數(shù)據(jù)庫中檢索出相關(guān)準(zhǔn)確答案,因此,智能答疑系統(tǒng)可以不受時間、空間限制,直接為學(xué)生服務(wù)。

        (1) 智能答疑系統(tǒng)研究發(fā)展現(xiàn)狀目前國際上研究比較成熟的答疑系統(tǒng)有美國著名搜索引擎AskJeeves,智能答疑系統(tǒng)AnswerBus,麻省理工學(xué)院開發(fā)的Start問答系統(tǒng),美國芝加哥大學(xué)AI實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的FAQFinder系統(tǒng)[1],Google開發(fā)的智能語音助手服務(wù)Google Now等[2]。這些系統(tǒng)有強(qiáng)大的搜索引擎技術(shù)支持,資源檢索庫豐富,智能化程度較高。但是由于中文的語法語義、句子結(jié)構(gòu)等語言特點(diǎn)和英文大不相同,因此國外的研究成果往往難以運(yùn)用到中文的答疑系統(tǒng)中。

        近年來,國內(nèi)也陸續(xù)出現(xiàn)一些中文智能答疑系統(tǒng),它們結(jié)合了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、詞向量技術(shù)[3]、文本分類算法[4]等,利用Flex[5]、Lucene[3]等開源工具,使得知識庫中的知識量不斷擴(kuò)大,答疑效率和準(zhǔn)確度得到提高。比如哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的HIT相關(guān)自然語言處理工具[6]實(shí)現(xiàn)了分詞、語義標(biāo)注、句法依賴、實(shí)體識別等功能。臺灣“國防大學(xué)”研發(fā)的中文問答系統(tǒng)CQAS從命名實(shí)體及其關(guān)系的處理入手,來搜尋和返回答案[2]。這些相對成熟的技術(shù)為中文問答系統(tǒng)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另外比較熱門的聊天機(jī)器人,如百度研發(fā)的小度機(jī)器人,實(shí)際上也是一個“Q&A”數(shù)據(jù)庫,其作用相當(dāng)于答疑檢索,基于定義好的規(guī)則庫和知識庫針對輸入搜索回答,或者加上學(xué)習(xí)功能,在個人生活、公司客服、政府服務(wù)方面都有很好的應(yīng)用。但是與國外的答疑系統(tǒng)相比,國內(nèi)答疑系統(tǒng)的答疑呈現(xiàn)方式單一,智能性依然不夠。

        (2) 智能答疑系統(tǒng)目前存在的問題一些在線答疑系統(tǒng),如愛課程網(wǎng)的“中國大學(xué)MOOC”“學(xué)堂在線”、軍隊的“夢課平臺”等,這些平臺對于學(xué)生提出的問題,多采用BBS或者Email的答疑方式;另外如香港中文大學(xué)參考AskJeeves開發(fā)的中文提問式搜索引擎Weniwen、上海理工大學(xué)的遠(yuǎn)程智能答疑系統(tǒng)、華南理工大學(xué)開發(fā)的智能答疑系統(tǒng)則采用關(guān)鍵字匹配技術(shù),基本實(shí)現(xiàn)了智能答疑[7]。一般的智能答疑系統(tǒng)首先應(yīng)該具備對用戶提問的語義理解能力,其次需要智能表示課程知識,在答疑方式上實(shí)現(xiàn)多樣化[8]。這些答疑系統(tǒng)具備高校師生問題交流的語義理解能力,但依然缺乏對以往問題答案的自動歸納總結(jié)和課程知識的智能表示。本文以華東師范大學(xué)的公共計算機(jī)課教學(xué)答疑系統(tǒng)作為研究實(shí)例,進(jìn)行智能答疑系統(tǒng)的探索。

        1 智能答疑系統(tǒng)的研究目的

        華東師范大學(xué)公共計算機(jī)課的教學(xué)答疑系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行有幾年了,每年都有幾千學(xué)生在使用,是集成了學(xué)校每學(xué)期課程答疑工作的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的基本功能如下:學(xué)生對已有問題進(jìn)行更新或提出新問題,教師和其他學(xué)生均可以選擇某課程查看所有問題,也可以根據(jù)關(guān)鍵字檢索某個問題,并進(jìn)行回答討論,討論后根據(jù)回答情況,教師進(jìn)行結(jié)題。同時系統(tǒng)為促使學(xué)生互動以及學(xué)生解答的積極性,還設(shè)置有提問扣除積分,解答賺取積分的任務(wù)制,積分由提問人自主設(shè)置,教師可根據(jù)積分考量學(xué)生的平時成績。

        通過分析,可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的答疑系統(tǒng)在智能化實(shí)現(xiàn)上存在兩個主要方面的問題:

        智能答疑方面:目前師生一般檢索課程后,只能根據(jù)問題時間或檢索關(guān)鍵字查看問題。按時間順序?yàn)g覽問題會出現(xiàn)雜亂或者冗余的信息,檢索問題關(guān)鍵字容易出現(xiàn)描述不準(zhǔn)確而檢索不到的情況,不能系統(tǒng)查看某課程某個知識點(diǎn)的所有相關(guān)問題。

        知識點(diǎn)抓取方面:當(dāng)學(xué)生查看某個問題的詳細(xì)解答時,需要翻看查找書本資料、隨堂筆記或相關(guān)教學(xué)課件,耗費(fèi)時間和精力。學(xué)生在提問問題時,對問題關(guān)鍵字描述不準(zhǔn)確容易導(dǎo)致無法檢索相關(guān)問題。同時,教師也無法通過學(xué)生的提問了解學(xué)生學(xué)習(xí)的情況。

        針對以上教學(xué)答疑系統(tǒng)存在的問題,本文設(shè)計了以下解決方法:

        (1) 針對智能答疑方面,運(yùn)用知識圖譜顯示知識點(diǎn)樹,將問題關(guān)鍵字按照知識點(diǎn)樹中的知識點(diǎn)進(jìn)行歸類,一層層展現(xiàn)與該課程某個知識點(diǎn)相匹配的全部提問。

        (2) 針對知識抓取方面,本文將問題關(guān)鍵字與智能教學(xué)案例課件系統(tǒng)的課件進(jìn)行分類匹配,在問題頁面添加指向相關(guān)課件的超鏈接,學(xué)生通過點(diǎn)擊超鏈接進(jìn)入該問題相關(guān)知識點(diǎn)的演示課件頁面,便于對知識的查漏補(bǔ)缺,消化吸收。

        2 智能答疑系統(tǒng)主要要素分析

        2.1 知識圖譜

        針對智能答疑方面的問題,借助知識圖譜可以實(shí)現(xiàn)Web從網(wǎng)頁鏈接向概念鏈接轉(zhuǎn)變[9],以知識點(diǎn)樹的形式向用戶反饋結(jié)構(gòu)化的知識點(diǎn)及相關(guān)問題,方便用戶準(zhǔn)確定位和深度獲取答疑知識。

        2.1.1知識圖譜的概念

        知識圖譜本質(zhì)上是語義網(wǎng)絡(luò),即一種基于圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最早谷歌用于增強(qiáng)其搜索引擎功能,隨業(yè)界發(fā)展,目前可以將其理解為顯示知識結(jié)構(gòu)關(guān)系的可視化技術(shù)。

        2.1.2知識圖譜的研究現(xiàn)狀

        知識圖譜對語義識別技術(shù)要求較高,需要依賴大量用戶的行為數(shù)據(jù)庫,對社會化開源內(nèi)容有很強(qiáng)的支撐需求,因此目前知識圖譜在搜索引擎中的應(yīng)用更為普遍,像谷歌的Knowledge Graph、百度知心和搜狗知立方等。

        現(xiàn)階段國外構(gòu)建知識圖譜的方法較為成熟,國內(nèi)對知識圖譜的研究手段和方法相對滯后。如尋徑網(wǎng)絡(luò)、自組織特征映射、力矢量布局算法、潛在語義算法、最小生成樹算法、三角測量等較為先進(jìn)的映射技術(shù)在國外已有實(shí)驗(yàn)報道,但在國內(nèi)除尋徑網(wǎng)絡(luò)的方法外僅有簡單評介[10]。知識圖譜的應(yīng)用工具也多為國外開發(fā),數(shù)據(jù)格式與國內(nèi)主要數(shù)據(jù)庫有所差別,因此很難應(yīng)用在國內(nèi)的中文知識圖譜研究上。目前國內(nèi)的代表性研究成果主要有:清華大學(xué)的跨語言知識圖譜Xlore是國內(nèi)第一個大規(guī)模雙語知識圖譜,上海交通大學(xué)構(gòu)建了中文知識圖譜研究平臺zhishi.me[9],復(fù)旦大學(xué)GDM實(shí)驗(yàn)室推出的中文知識圖譜展示平臺項(xiàng)目[11],中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所基于OpenKN(開放知識網(wǎng)絡(luò))建立了“人立方、事立方、知立方系統(tǒng)”,中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院陸汝鈐院士提出知件(Knowware)的概念[12]等。

        2.2 文本分類算法

        文本分類算法主要用來進(jìn)行知識點(diǎn)與學(xué)生提問問題關(guān)鍵字的匹配,以及課件案例中抓取的關(guān)鍵字與問題關(guān)鍵字之間的匹配。

        文本分類可以被稱之為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一種學(xué)習(xí)方法,也可以被稱之為數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的一種算法。目前常用的文本分類算法有樸素貝葉斯算法、支持向量機(jī)(SVM)、K最鄰近分類算法、決策樹算法等。其中支持向量機(jī)是建立在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的一種小樣本機(jī)器學(xué)習(xí)方法,用于解決二分類問題[13],但在解決實(shí)際問題中遇到的多分類問題時并不適用。K最鄰近分類算法K值的確定目前沒有很好的方法,決策樹算法處理缺失數(shù)據(jù)比較困難[14],而樸素貝葉斯算法對缺失數(shù)據(jù)不太敏感,更適用于智能教學(xué)答疑系統(tǒng)學(xué)生漏填問題知識點(diǎn)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失情況,同時方法簡單、準(zhǔn)確率高[15-16],在處理不確定性信息的智能化系統(tǒng)中被廣泛使用,本文選用樸素貝葉斯算法。

        3 智能答疑系統(tǒng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)

        3.1 知識圖譜在智能教學(xué)答疑系統(tǒng)的應(yīng)用

        在瀏覽學(xué)生問題時使用知識圖譜,可以從語義層面理解學(xué)生或教師的查找意圖,改進(jìn)瀏覽問題質(zhì)量,從而真正實(shí)現(xiàn)語義檢索。目前知識圖譜作為知識表示的最新方法,在智能答疑中的開發(fā)和應(yīng)用還處在前沿發(fā)展階段。本文將知識圖譜技術(shù)應(yīng)用到智能教學(xué)答疑平臺中,對知識點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建本體和推理,將其整合為計算機(jī)可以處理的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。知識圖譜知識點(diǎn)的可視化呈現(xiàn),能夠清晰地展示知識點(diǎn)的覆蓋廣度和知識點(diǎn)相關(guān)問題之間的關(guān)系[17]。

        智能教學(xué)答疑系統(tǒng)中知識圖譜構(gòu)建過程如下:

        (1) 知識圖譜的數(shù)據(jù)來源:一般數(shù)據(jù)來源于合作網(wǎng)站API和網(wǎng)站抓取,包括百科知識站點(diǎn)和垂直站點(diǎn)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),以及半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和搜索日志挖掘[18]。本系統(tǒng)的知識圖譜目前針對教學(xué)課程,因此選用教學(xué)平臺中知識點(diǎn)庫的知識點(diǎn)數(shù)據(jù)。圖1為數(shù)據(jù)處理與管理學(xué)科知識圖譜。

        圖1 數(shù)據(jù)處理與管理學(xué)科知識圖譜

        (2) 知識圖譜的數(shù)據(jù)整合:即數(shù)據(jù)規(guī)范化的過程,主要指實(shí)體對齊和知識圖譜Schema的構(gòu)建。實(shí)體對齊是指對于異構(gòu)數(shù)據(jù)源知識庫中的各個實(shí)體,找出屬于現(xiàn)實(shí)世界中的同一實(shí)體。不同知識源的描述不同,一個統(tǒng)一的Schema也不容易得出[19]。由于本系統(tǒng)的知識庫相對單一,所以只需要構(gòu)建本體即可。本體的形式化表示為:本體:{抽象概念(以及對應(yīng)的實(shí)例)、關(guān)系和屬性}。三元組是比較常見的做法。對于“字處理軟件的子知識點(diǎn)是基本操作”,就可以轉(zhuǎn)化成為{字處理軟件, 子知識點(diǎn), 基本操作}這樣一個結(jié)構(gòu),其中第一項(xiàng)和第三項(xiàng)是抽象概念的實(shí)例,第二項(xiàng)是兩者之間的關(guān)系[20]。

        (3) 知識圖譜的挖掘:包括推理,實(shí)體重要性排序和相關(guān)實(shí)體挖掘。本文主要進(jìn)行推理工作,即把知識點(diǎn)的字符串描述轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)化的語義描述之后,進(jìn)行低階推理。比如A是B的父知識點(diǎn),B是C的父知識點(diǎn),自動推理出A是C的父知識點(diǎn)。常用的推理算法包括基于邏輯推理和基于分布式表示方法的推理。

        (4) 知識圖譜的更新和維護(hù):目前知識圖譜的更新和維護(hù)一般由專業(yè)團(tuán)隊操作,通過自動化算法在數(shù)據(jù)源中抽取新的類型信息,若能被長期保留則由專業(yè)人員進(jìn)行決策和命名為新的類型,若不能保留則被刪除。還可以依賴用戶反饋來改善圖譜[21]。 在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中,隨著教學(xué)大綱和課程結(jié)構(gòu)的調(diào)整,知識圖譜的更新和維護(hù)是由教師來操作的。

        3.2 樸素貝葉斯在智能教學(xué)答疑系統(tǒng)的應(yīng)用

        一般系統(tǒng)采取在頁面搜索框檢索關(guān)鍵字的方式,簡單查找包含指定關(guān)鍵字的問題。本文將樸素貝葉斯算法應(yīng)用于智能教學(xué)答疑系統(tǒng),進(jìn)行知識點(diǎn)與學(xué)生提問問題關(guān)鍵字的匹配,以及課件案例中抓取的關(guān)鍵字與問題關(guān)鍵字之間的匹配。

        樸素貝葉斯算法的基本思路是計算文本屬于類別的概率,對于給出的待分類項(xiàng),求解在此項(xiàng)出現(xiàn)的條件下各個類別出現(xiàn)的概率,將此待分類項(xiàng)歸類于概率最大者。該算法在智能教學(xué)答疑系統(tǒng)的應(yīng)用分為三個階段:

        第一階段為準(zhǔn)備階段。分類器的質(zhì)量主要由特征屬性、特征屬性的劃分以及訓(xùn)練樣本質(zhì)量決定[22],所以該階段尤為重要。首先根據(jù)一部分待分類的問題關(guān)鍵字確定其特征屬性,對每個特征屬性進(jìn)行人工劃分后,形成訓(xùn)練樣本集合。

        第二階段為訓(xùn)練階段,即生成分類器。由經(jīng)過預(yù)處理與特征提取后的特征詞集合計算每個特征詞的先驗(yàn)概率和條件概率,構(gòu)成分類器的參數(shù)。對每個特征詞的每個屬性構(gòu)造頻率表,將頻率表(以天氣對高爾夫運(yùn)動的影響為例,見表1)轉(zhuǎn)換為似然表(以天氣對高爾夫運(yùn)動的影響為例,見表2),最后用樸素貝葉斯公式計算相應(yīng)文本的后驗(yàn)概率,后驗(yàn)概率最高的類別即為該文本的類別[23]。

        表1 不同天氣下高爾夫運(yùn)動頻率表

        表2 不同天氣下高爾夫運(yùn)動似然表

        這一階段根據(jù)貝葉斯定理公式由程序自動計算完成:

        (1)

        式(1)中:Xi為待分類文本,p(Cj)為在問題數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)抽取一個問題,它的類別是Cj的概率[24]。

        第三階段為應(yīng)用階段。使用分類器對待分類項(xiàng)進(jìn)行分類,最后得到待分類項(xiàng)與類別的映射關(guān)系。這一階段也由程序完成。

        本文用樸素貝葉斯算法對提取到的問題關(guān)鍵字進(jìn)行分類匹配,匹配到問題相關(guān)知識點(diǎn)或相關(guān)的案例課件,使教學(xué)專有領(lǐng)域的問題解答和問題查看更加清晰明確。

        4 智能答疑系統(tǒng)的運(yùn)行測試

        智能教學(xué)答疑系統(tǒng)改進(jìn)前學(xué)生問題頁面只可查看問題詳情及回復(fù),改進(jìn)后可跳轉(zhuǎn)到與該條提問相關(guān)的案例課件頁面,方便學(xué)生及時復(fù)習(xí),溫故知新;改進(jìn)前查看問題頁面僅按照時間順序顯示問題,查看起來雜亂沒有條理,如圖2所示。改進(jìn)后查看問題頁面為知識點(diǎn)樹,點(diǎn)擊某知識點(diǎn)可查看全部相關(guān)問題,如圖3所示。

        圖2 系統(tǒng)改進(jìn)前查看問題頁面局部細(xì)節(jié)

        圖3 系統(tǒng)改進(jìn)后查看問題頁面局部細(xì)節(jié)

        為了驗(yàn)證系統(tǒng)的問題表示和分類效果,文中測試了智能教學(xué)答疑系統(tǒng)中“數(shù)據(jù)處理與管理”這門學(xué)科全部章節(jié)的問題表示和分類情況,測試期間四個專業(yè)學(xué)生共提出287條有效問題,具體測試結(jié)果如表3所示。

        表3 學(xué)生提問問題的分類結(jié)果

        5 結(jié) 語

        本次研究以知識圖譜的形式將學(xué)生提問問題以課程知識點(diǎn)分類,并與教學(xué)案例課件匹配,方便師生查詢?yōu)g覽問題,使教學(xué)答疑系統(tǒng)初步具備智能性。目前小規(guī)模實(shí)驗(yàn)證明,改進(jìn)后的智能答疑系統(tǒng),有效提高了答疑的效率。當(dāng)然,由于本系統(tǒng)的知識圖譜數(shù)據(jù)來源還比較單一,采用的樸素貝葉斯算法在語義模糊條件下分類效率也還不是太理想,使用的學(xué)生還不是很多,系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步實(shí)踐和完善。但是,上述實(shí)踐,已經(jīng)證明了通過知識圖譜和利用樸素貝葉斯算法來進(jìn)行分類這兩項(xiàng)技術(shù),可以促使答疑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化。

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