王坤，謝振平，陳梅婕

（1. 江南大學(xué) 數(shù)字媒體學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2. 江蘇省媒體設(shè)計(jì)與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122）

知識圖譜的概念由谷歌于2012年提出[1]，是一種具有圖結(jié)構(gòu)的知識庫，其中的圖節(jié)點(diǎn)代表知識實(shí)體，邊代表實(shí)體間的各種語義關(guān)系。知識圖譜能夠很方便地用來表達(dá)和存儲(chǔ)自然語言信息，它在機(jī)器翻譯[2]、問答系統(tǒng)[3]和自然語言理解[4]等領(lǐng)域已有了廣泛的應(yīng)用。

大規(guī)模知識圖譜在具體應(yīng)用時(shí)，由于原始知識圖譜規(guī)?？赡茌^大，且其中存在大量冗余或未驗(yàn)證的信息[5]，這將嚴(yán)重影響知識查詢的效率和準(zhǔn)確性。因而在構(gòu)建大規(guī)模知識圖譜時(shí)，往往需要對原始知識庫進(jìn)行約簡、去噪，以提高模型表示效率，這一過程也與人腦對知識的聯(lián)想記憶過程有相似性。

對于大規(guī)模知識圖譜的建模，無論是基于人工規(guī)則的方法[6]，還是目前比較流行的與機(jī)器學(xué)習(xí)[7]或深度學(xué)習(xí)[8]相結(jié)合的方法，都主要是從如何構(gòu)建組成知識圖譜的基本單元(通常為三元組的形式)，然后利用基本單元之間的聯(lián)系，構(gòu)建成完整的知識圖譜這個(gè)角度來考慮。由于知識圖譜是一個(gè)圖結(jié)構(gòu)，如果把它看作一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[9]的話，就可以從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)方法來進(jìn)行知識圖譜的建模。

通常而言，知識圖譜的構(gòu)建過程包括以下幾個(gè)模塊：信息抽取、知識表示、知識融合、知識推理[10-15]。其中最主要的部分就是信息抽取部分，也是知識建模的關(guān)鍵步驟；對于知識表示，通常采用“實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體”三元組的形式，具體地，本文主要考慮對知識間的聯(lián)想關(guān)系進(jìn)行抽取構(gòu)建。

關(guān)系抽取的主要任務(wù)是從相關(guān)語料中抽取出實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過這種關(guān)系將實(shí)體聯(lián)系起來，最終形成網(wǎng)狀的知識結(jié)構(gòu)。早期的關(guān)系抽取方法主要是通過人工構(gòu)建語義規(guī)則和模板來識別實(shí)體之間的關(guān)系。這種方法較多地依賴于人工構(gòu)建規(guī)則，規(guī)則構(gòu)建工作量較大，且需要對不同領(lǐng)域單獨(dú)進(jìn)行。進(jìn)而發(fā)展出了利用統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，通過對實(shí)體間的關(guān)系模式進(jìn)行建模，以替代預(yù)先定義的語義規(guī)則。進(jìn)一步，研究提出基于特征向量或者核函數(shù)的監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法，這使得關(guān)系抽取的準(zhǔn)確率得以進(jìn)一步提高。劉克彬等[16]通過知網(wǎng)(How Net)提供的本體信息構(gòu)造語義核函數(shù)，在開放數(shù)據(jù)集上對ACE定義的六類實(shí)體關(guān)系進(jìn)行抽取，其準(zhǔn)確率達(dá)到了88%。然而，有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法為了確保算法的有效性，需要事先人工標(biāo)注大量的語料作為訓(xùn)練集。因此，半監(jiān)督和無監(jiān)督的學(xué)習(xí)方式開始成為新的研究重點(diǎn)。Carlson等[17]提出了一種基于Bootstrap算法的半監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，能夠自動(dòng)進(jìn)行識別實(shí)體關(guān)系模式并對實(shí)體關(guān)系進(jìn)行建模。Zhang等[18]采用基于實(shí)例的無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，在公開語料庫上獲得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠?qū)?shí)體間的多種關(guān)系進(jìn)行精準(zhǔn)識別。

基于規(guī)則、監(jiān)督學(xué)習(xí)以及半監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法的共同特點(diǎn)是需要預(yù)先定義實(shí)體關(guān)系類型，如整體部分關(guān)系以及位置關(guān)系等。Banko等[19]提出了面向開放域的抽取框架(open information extraction, OIE)，并發(fā)布了基于自監(jiān)督(self-supervised)學(xué)習(xí)方式的開放信息抽取原型系統(tǒng)(text runner)，該系統(tǒng)使用少量的人工標(biāo)記數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，得到一個(gè)實(shí)體關(guān)系分類模型，然后根據(jù)該模型再對開放數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，依據(jù)分類結(jié)果訓(xùn)練樸素貝葉斯模型來識別“實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體”三元組。該系統(tǒng)經(jīng)過了大規(guī)模的真實(shí)數(shù)據(jù)測試，與同時(shí)期的其他方法相比效果更佳。謝振平等[20]基于表示學(xué)習(xí)技術(shù)[21]提出了利用詞向量的方法來構(gòu)建本體關(guān)系，主要通過Google開源的word2vec詞向量工具，將文本語料訓(xùn)練成向量的形式，通過判斷不同實(shí)體向量間的距離，來確定兩個(gè)實(shí)體之間能否構(gòu)成一個(gè)關(guān)系對，在個(gè)性化知識推薦問題上取得了非常有價(jià)值的性能結(jié)果。

本文從知識的聯(lián)想記憶視角來進(jìn)行知識網(wǎng)絡(luò)(知識圖譜)建模，并考慮從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度對知識網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行約簡，提出知識聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的圖約簡建模思路。該思路一方面能夠提高知識建模的效率，另一方面將人腦的聯(lián)想記憶過程用于知識建模，為知識建模的方法提供了一種可參考的新途徑。

1 模型方法

主要考慮從知識間的聯(lián)想記憶這個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合圖約簡方法，提出一種新的知識網(wǎng)絡(luò)建模表示方法即聯(lián)想關(guān)系模型。通過定義給定語料中的知識聯(lián)想強(qiáng)度來確定知識間的關(guān)系，以探索發(fā)展模擬人腦聯(lián)想記憶過程的知識圖譜構(gòu)建新策略。

聯(lián)想記憶[22]是人腦計(jì)算的一個(gè)核心功能，而從基礎(chǔ)層次上來看，人腦學(xué)習(xí)是一個(gè)關(guān)于形成、刪除和改變信息間關(guān)聯(lián)的過程即聯(lián)想記憶的過程[23]。對于一個(gè)文檔集合，如果把每個(gè)文檔中的每個(gè)句子看作是一條聯(lián)想關(guān)系，句子中的每個(gè)實(shí)體看作一個(gè)神經(jīng)元的話，就可以把構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)的過程看作是人腦經(jīng)過學(xué)習(xí)建立知識系統(tǒng)的過程。而對知識網(wǎng)絡(luò)約簡的過程，則可以看作是大腦重整知識聯(lián)想記憶的過程。

1.1 建模流程

其中主要考慮兩個(gè)問題：1)如何從已有的文檔語料集中抽象出一個(gè)初步的知識網(wǎng)絡(luò)；2)對于已構(gòu)建好的知識網(wǎng)絡(luò)，如何模擬人腦學(xué)習(xí)過程，去除其中冗余的、關(guān)聯(lián)性比較低的關(guān)系對，即如何對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行約簡。本文利用文檔中不同實(shí)體在同一個(gè)句子的共現(xiàn)關(guān)系構(gòu)建初始的知識網(wǎng)絡(luò)；采用不同的圖約簡算法模擬人腦聯(lián)想重整過程。

依據(jù)前述分析，設(shè)計(jì)給出如圖1所示的建?？蚣?。其主要由兩部分構(gòu)成：直接記憶模塊和聯(lián)想約簡模塊。直接記憶模塊的主要功能是對文本語料進(jìn)行一系列處理后，形成一個(gè)直接記憶的知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要包括知識術(shù)語識別和抽取、構(gòu)建共現(xiàn)知識網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算原始聯(lián)想關(guān)系強(qiáng)度這幾個(gè)步驟。聯(lián)想約簡模塊的主要功能是根據(jù)對初始的直接聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)系約簡，盡可能地去除冗余的和聯(lián)想度不高的關(guān)系對，優(yōu)化知識網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想記憶效率。

圖 1 知識聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)建?？蚣蹻ig. 1 Knowledge association relationship network modeling framework

1.2 直接記憶初始化知識網(wǎng)絡(luò)

構(gòu)建初始的知識網(wǎng)絡(luò)主要包含3個(gè)步驟：1)通過術(shù)語識別抽取技術(shù)將文本中的知識術(shù)語識別抽取出來；2)通過分析文本的句子中知識術(shù)語的共現(xiàn)關(guān)系來建立共現(xiàn)知識網(wǎng)絡(luò)；3)對于得到的知識網(wǎng)絡(luò)，通過聯(lián)想記憶的策略定義每個(gè)實(shí)體關(guān)系對的權(quán)重。

1.2.1 知識術(shù)語抽取

知識術(shù)語的識別和抽取的主要任務(wù)是從特定領(lǐng)域的文本語料中獲取完整獨(dú)立的名詞性知識術(shù)語，每一個(gè)知識術(shù)語對應(yīng)知識網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。知識術(shù)語的識別和抽取具體流程如圖2所示：首先獲取一定量的文本語料，然后通過去除亂碼、去除停用詞等操作進(jìn)行語料預(yù)處理，將預(yù)處理的字符串進(jìn)行分詞，并把分詞后的關(guān)鍵詞進(jìn)行詞性標(biāo)注，然后選取出名詞性術(shù)語。其中，在去除停用詞和分詞的過程中，可以通過自定義停用詞表和自定義用戶詞典來改善整個(gè)流程，從而獲取更加合理的知識術(shù)語。

圖 2 術(shù)語抽取流程Fig. 2 The process of term extraction

1.2.2 關(guān)系對生成

對于獲得的知識術(shù)語，通過判斷任意兩個(gè)術(shù)語是否出現(xiàn)在同一句子中，來決定它們能否構(gòu)成一個(gè)關(guān)系對，并且認(rèn)為在同一句話中，后出現(xiàn)的術(shù)語由前一術(shù)語聯(lián)想產(chǎn)生。圖3給出了一個(gè)共現(xiàn)知識網(wǎng)絡(luò)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖的局部示例。

圖 3 共現(xiàn)知識網(wǎng)絡(luò)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖局部示例Fig. 3 Partial example of co-occurrence knowledge network relationship structure diagram

圖3 中，含有標(biāo)簽的節(jié)點(diǎn)表示知識節(jié)點(diǎn)，有向邊表示直接聯(lián)想關(guān)系。上述方法構(gòu)建的知識網(wǎng)絡(luò)關(guān)系將具有以下特征：

1.2.3 關(guān)系權(quán)重計(jì)算

借鑒聯(lián)想記憶增強(qiáng)思想，考慮網(wǎng)絡(luò)中不同知識間的關(guān)系強(qiáng)度主要與它們的共現(xiàn)次數(shù)和共現(xiàn)強(qiáng)度有關(guān)。為此，引入了聯(lián)想強(qiáng)度作為知識網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系權(quán)重。

定義1初始知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，任意兩個(gè)知識節(jié)點(diǎn)間的直接記憶聯(lián)想強(qiáng)度定義為

1.3 聯(lián)想關(guān)系約簡

為提高知識網(wǎng)絡(luò)的表示效率和強(qiáng)壯性，對其進(jìn)行關(guān)系約簡是一種可行的方法。目前對于知識網(wǎng)絡(luò)關(guān)系約簡的研究還較少，一些相關(guān)度較高的研究有，劉冰瑤等[24]提出了一種“特征降維”文本復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的話題表示模型，通過構(gòu)建多個(gè)級別的特征詞條來實(shí)現(xiàn)知識網(wǎng)絡(luò)的降維。Subbian等[25]利用社交網(wǎng)絡(luò)中信息傳播原理，并基于貪心策略尋找與信息流最為密切相關(guān)的實(shí)體，為知識網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系約簡提供了一種可參考的思路。Rosenberg[26]提出了一種最大信息熵最小覆蓋的模型，并定義了一種新的信息維度計(jì)算方法，提高了計(jì)算信息維度的效率。

文中針對知識聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的生成特點(diǎn)，提出了3種不同的約簡方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析：

1）全局聯(lián)想最大記憶保留約簡方法，即對于知識網(wǎng)絡(luò)中的所有關(guān)系對，根據(jù)聯(lián)想強(qiáng)度進(jìn)行降序排序，并且設(shè)置一個(gè)閾值α，然后約簡去除掉權(quán)重小于α的所有關(guān)系對。

2）局部聯(lián)想最大記憶保留法，即對于知識網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)知識節(jié)點(diǎn)，將它的所有直接聯(lián)想知識根據(jù)聯(lián)想強(qiáng)度進(jìn)行降序排序，并對設(shè)置一個(gè)閾值，然后從的直接聯(lián)想知識中約簡掉權(quán)重小于的所有關(guān)系對。

3）隨機(jī)約簡方法，即隨機(jī)地從知識網(wǎng)絡(luò)中選擇部分關(guān)系對進(jìn)行約簡去除。

由于人腦聯(lián)想記憶的過程是非常復(fù)雜的，所以在定義了聯(lián)想強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提出這3種約簡方法，來嘗試從相對簡單的角度來模擬人腦的知識聯(lián)想記憶重整的過程，并且根據(jù)文獻(xiàn)[23]可知，從網(wǎng)絡(luò)模型的角度來解釋神經(jīng)系統(tǒng)的話，關(guān)系強(qiáng)度高的節(jié)點(diǎn)對構(gòu)成的邊更加穩(wěn)固，即知識之間的關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，相對的相關(guān)知識更不容易被遺忘。而這3種約簡方法在不同程度上符合神經(jīng)系統(tǒng)的這種特點(diǎn)，其中全局聯(lián)想最大記憶保留約簡方法相比其他兩種方法更加符合這一特點(diǎn)，局部聯(lián)想最大記憶保留法次之，而隨機(jī)約簡方法在三者之中最不能體現(xiàn)人腦神經(jīng)系統(tǒng)的這種特點(diǎn)?；谏鲜隼碚撚^點(diǎn)和后文的實(shí)驗(yàn)分析，我們來嘗試模擬大腦的聯(lián)想記憶過程。

1.4 聯(lián)想關(guān)系強(qiáng)度重整

類比于神經(jīng)元計(jì)算功能，考慮每個(gè)知識節(jié)點(diǎn)在聯(lián)想計(jì)算過程中的對等性，可進(jìn)一步對節(jié)點(diǎn)間聯(lián)想關(guān)系強(qiáng)度進(jìn)行如下方式的歸一化重整：

1.5 聯(lián)想路徑的生成

對于約簡后的知識網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)A到其他任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)B的一條最短路徑則被稱為節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的聯(lián)想路徑，從節(jié)點(diǎn)A開始，每連接一個(gè)節(jié)點(diǎn)則增加一次跳轉(zhuǎn)數(shù)，本文中設(shè)置的聯(lián)想路徑的最大跳轉(zhuǎn)數(shù)為7，如果聯(lián)想路徑的跳轉(zhuǎn)數(shù)大于7的話，則認(rèn)為A與B之間是不可達(dá)的。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

研究中為更好地分析，選擇了兩個(gè)數(shù)據(jù)集作為實(shí)驗(yàn)對象。第1個(gè)數(shù)據(jù)集是利用爬蟲技術(shù)從“美食百科[28]”和“食品百科[29]”上抓取的“健康知識”、“膳食營養(yǎng)”、“飲食誤區(qū)”等主題的6 242篇飲食相關(guān)科普文章作為語料素材，下文中簡稱數(shù)據(jù)集Ⅰ。第2個(gè)數(shù)據(jù)集是由搜狗實(shí)驗(yàn)室[30]提供的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括1 953個(gè)關(guān)于體育類的新聞網(wǎng)頁，所有的新聞網(wǎng)頁來自于搜狐體育[31]，下文中簡稱為數(shù)據(jù)集Ⅱ。

依據(jù)1.2節(jié)所述方法，表1與表2分別給出了部分健康飲食知識術(shù)語間的聯(lián)想強(qiáng)度值和部分體育知識術(shù)語間的聯(lián)想強(qiáng)度值。

表 1 部分健康飲食知識術(shù)語間的聯(lián)想強(qiáng)度Table 1 Association strength between some healthy eating knowledge terms

表 2 部分體育知識術(shù)語間的聯(lián)想強(qiáng)度Table 2 Association strength between some sports knowledge terms

由表中分析可以發(fā)現(xiàn)，“雞蛋”與“西紅柿”“牛奶”的聯(lián)想強(qiáng)度明顯大于與“槐樹”“紙巾”的聯(lián)想強(qiáng)度，以及“足球”與“聯(lián)賽”“世界杯”的聯(lián)想強(qiáng)度明顯大于與“國旗”“火箭”的聯(lián)想強(qiáng)度，從聯(lián)想記憶的角度來看，由“雞蛋”這個(gè)知識更容易聯(lián)想到“西紅柿”和“牛奶”這兩個(gè)知識，而不容易聯(lián)想到“茴香”和“紙巾”這兩個(gè)知識；同樣的，由“足球”這個(gè)知識更容易聯(lián)想到“聯(lián)賽”和“世界杯”這兩個(gè)知識，而不容易聯(lián)想到“國旗”和“火箭”這兩個(gè)知識。這一結(jié)果符合認(rèn)知，即符合大腦的聯(lián)想記憶的結(jié)果，這表明聯(lián)想強(qiáng)度定義的方式有一定的合理性。

進(jìn)一步，擬將構(gòu)建的初始知識網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同方法的約簡，并對比分析它們的性能特征。

2.2 性能指標(biāo)

傳統(tǒng)的知識圖譜的構(gòu)建方法主要是從如何構(gòu)建組成知識圖譜的基本單元(通常為三元組的形式)這個(gè)角度來考慮的，而對于評價(jià)指標(biāo)，基于監(jiān)督學(xué)習(xí)和半監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法主要采用F值作為評價(jià)指標(biāo)，而無監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法并沒有統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)[27]。此外，現(xiàn)有的一些與圖約簡相關(guān)度較高的研究也往往是根據(jù)具體的應(yīng)用場景來采用不同的評價(jià)指標(biāo)，如NMI(歸一化互信息)[32]。因此，單純的基于知識圖譜的評價(jià)指標(biāo)和基于圖約簡的評價(jià)指標(biāo)并不能較好地評估我們的模型方法。

考慮到知識聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)場景是最優(yōu)地聯(lián)想解釋給定的語料庫，則聯(lián)想關(guān)系約簡的性能指標(biāo)可通過約簡前后的聯(lián)想分析代價(jià)值來進(jìn)行評估。聯(lián)想分析代價(jià)值表示在一段知識序列中，所有相鄰的兩個(gè)知識產(chǎn)生聯(lián)想關(guān)系需要的代價(jià)值之和，在聯(lián)想相同個(gè)數(shù)的知識的前提下，聯(lián)想分析代價(jià)值越低，聯(lián)想的效率越高，即對應(yīng)建模的效率越高。為此，首先引入定義2。

定義2設(shè)某一觀測語料中一段文本的知識詞序列為SQ =，其聯(lián)想分析代價(jià)值定義為

否則，定義

分析知識序列的聯(lián)想分析代價(jià)值的定義可知，約簡后的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)雖然節(jié)點(diǎn)間的連通度會(huì)降低，但對于特定的觀測語料，其聯(lián)想分析代價(jià)值并不一定會(huì)增大。也即在網(wǎng)絡(luò)中知識節(jié)點(diǎn)總數(shù)沒有減少，總的聯(lián)想能力沒有減少的情況，減少一些非關(guān)鍵的聯(lián)想關(guān)系，有可能提升觀測語料的聯(lián)想分析效能。

進(jìn)一步，考慮到每個(gè)語料文檔中知識詞出現(xiàn)的次數(shù)規(guī)?？赡懿灰粯樱梢胛臋n聯(lián)想建模代價(jià)定義：

基于上述文檔聯(lián)想建模代價(jià)值的定義，可通過對比觀測文檔的聯(lián)想建模代價(jià)值和有效上下文聯(lián)想占比值來定量地評估利用不同約簡方法進(jìn)行知識建模的實(shí)際性能。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于前述數(shù)據(jù)集Ⅰ和數(shù)據(jù)集Ⅱ，通過分析不同約簡度R下的觀測文檔聯(lián)想建模代價(jià)值和有效上下文聯(lián)想占比值，研究分析本文所提知識網(wǎng)絡(luò)建模方法特征性能，并用聯(lián)想建模代價(jià)差值表示文檔集中約簡前的平均文檔聯(lián)想建模代價(jià)值減去約簡后的平均文檔聯(lián)想建模代價(jià)值。理論上，約簡前后的聯(lián)想建模代價(jià)差值應(yīng)該會(huì)隨著約簡程度的增加而增加，且約簡前后的聯(lián)想建模代價(jià)差值越大，說明約簡的效果相對越好，當(dāng)聯(lián)想建模代價(jià)差增加到一定程度時(shí)，就會(huì)達(dá)到峰值，繼續(xù)對知識網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行約簡的話聯(lián)想建模代價(jià)差應(yīng)該會(huì)開始變小，甚至變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)就造成了“過度約簡”。表3、表4首先分別給出在數(shù)據(jù)集Ⅰ上，R=0.1和R=0.7時(shí)的平均文檔聯(lián)想建模代價(jià)，以及有效上下文聯(lián)想建模的占比，其中有效上下文聯(lián)想建模的占比表示的是約簡后的知識網(wǎng)絡(luò)中連通的關(guān)系對數(shù)目與約簡前的知識網(wǎng)絡(luò)中連通的關(guān)系對數(shù)目的比值。

表 3 R=0.1時(shí)數(shù)據(jù)集I上不同約簡策略的性能比較Table 3 Performance comparison of different reduction strategies on data set I with R=0.1

表 4 R=0.7時(shí)數(shù)據(jù)集I上不同約簡策略的性能比較Table 4 Performance comparison of different reduction strategies on data set I with R=0.7

分析表3可知，當(dāng)初始知識網(wǎng)絡(luò)約簡掉10%的關(guān)系對的時(shí)候，3種策略得到的平均文檔聯(lián)想建模代價(jià)相比于未約簡前均有所減小。而其中全局聯(lián)想最大記憶保留策略方法表現(xiàn)出了最優(yōu)的綜合性能結(jié)果。進(jìn)一步分析表4結(jié)果可知，其結(jié)果特征與表3結(jié)果相一致。圖4進(jìn)一步給出具體的約簡前后聯(lián)想建模代價(jià)差值隨約簡程度變化曲線。

分析圖4中曲線關(guān)系可知，對于3種方法而言，約簡程度越高，約簡前后的聯(lián)想建模代價(jià)差值越大，當(dāng)約簡到一定程度時(shí)，聯(lián)想建模代價(jià)差達(dá)到最大，繼續(xù)約簡的話聯(lián)想建模代價(jià)差開始變小，甚至變?yōu)樨?fù)值。進(jìn)一步地，全局聯(lián)想最大記憶保留法得到的聯(lián)想建模代價(jià)差在三者中是最大的，并且聯(lián)想建模代價(jià)差的峰值隨約簡程度增加出現(xiàn)得更晚，局部聯(lián)想最大記憶保留法次之，而隨機(jī)約簡法得到的約簡前后的差值是最小的，且聯(lián)想建模代價(jià)差峰值出現(xiàn)的最早。

圖 4 約簡前后聯(lián)想建模代價(jià)差值隨約簡程度變化曲線(3種不同方法在數(shù)據(jù)集Ⅰ上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)Fig. 4 The changes of the cost of association modeling before and after reduction with the reduction degree(Experimental results of three different methods on data set Ⅰ)

對比表3、表4結(jié)果可知，隨著約簡程度的增大，有效上下文聯(lián)想比例有所下降。圖5進(jìn)一步給出了具體的變化曲線。

圖 5 非成功聯(lián)想關(guān)系對所占比例隨約簡程度變化曲線(3種不同方法在數(shù)據(jù)集Ⅰ上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)Fig. 5 The curves of the proportion of unsuccessful associations with the degree of reduction (experimental results of three different methods on data set Ⅰ)

分析圖5可知，3種方法都是隨約簡程度的增加，非成功聯(lián)想關(guān)系對的比例逐漸增加，但是全局聯(lián)想最大記憶保留法增加的最為緩慢，且上限值在三者之中最小，局部聯(lián)想最大記憶保留法次之，隨機(jī)約簡增加幅度最大，增長速度最快，且上限最大。這一結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)邏輯結(jié)果相一致，也間接表明了文中所定義的相關(guān)評價(jià)指標(biāo)的合理性。同時(shí)還表明全局聯(lián)想最大記憶保留法的性能在三者之中屬最好，局部聯(lián)想最大記憶保留法次之，隨機(jī)約簡法的性能最差。這一結(jié)論在很高程度上符合人腦遺忘的規(guī)律：最后看到的或者與之前看到的相關(guān)性比較高的知識總是相對不易忘記，而最先看到的或者相關(guān)性比較低的知識相對就比較容易忘記。

表5、表6表示在數(shù)據(jù)集Ⅱ上，R=0.1和R=0.7時(shí)平均文檔聯(lián)想建模代價(jià)，以及有效上下文聯(lián)想建模的占比。

表 5 R=0.1時(shí)數(shù)據(jù)集II上不同約簡策略的性能比較Table 5 Performance comparison of different reduction strategies on data set II with R=0.1

表 6 R=0.7時(shí)數(shù)據(jù)集II上不同約簡策略的性能比較Table 6 Performance comparison of different reduction strategies on data set Ⅱ with R=0.7

分析表5可知，當(dāng)原有知識網(wǎng)絡(luò)約簡掉10%的關(guān)系對時(shí)，與數(shù)據(jù)集Ⅰ上的結(jié)論類似，3種策略得到的平均文檔聯(lián)想建模代價(jià)相比于未約簡前均有所減小。而其中全局聯(lián)想最大記憶保留策略方法表現(xiàn)出了最優(yōu)的綜合性能結(jié)果。進(jìn)一步分析表6結(jié)果可知，其結(jié)果特征與表5的結(jié)果并不完全一致，其中對于全局聯(lián)想記憶保留策略得到的平均文檔聯(lián)想建模代價(jià)更小了，而局部聯(lián)想最大記憶保留策略和隨機(jī)約簡策略得到的平均文檔聯(lián)想建模代價(jià)反而變大了。這表明在數(shù)據(jù)集Ⅱ上，利用局部聯(lián)想最大記憶保留策略和隨機(jī)約簡策略對原有知識網(wǎng)絡(luò)約簡掉70%的關(guān)系對時(shí)，屬于“過度約簡”了，而利用全局最大記憶保留策略對原有知識網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同程度的約簡后，依然能夠較好地解釋整個(gè)語料集。圖6進(jìn)一步給出具體的聯(lián)想建模代價(jià)差值隨約簡程度變化曲線。分析圖6中曲線關(guān)系可得出與圖4類似的結(jié)論，即全局聯(lián)想最大記憶保留法得到的聯(lián)想建模代價(jià)差總是最大，并且聯(lián)想建模代價(jià)差的峰值隨約簡程度增加來的更晚，局部聯(lián)想最大記憶保留法次之，而隨機(jī)約簡法得到的約簡前后的差值是最小的，且聯(lián)想建模代價(jià)差峰值來得最早。圖7給出了在數(shù)據(jù)集Ⅱ上非成功聯(lián)想關(guān)系對所占比例隨著約簡程度的變化曲線。

圖 6 約簡前后聯(lián)想建模代價(jià)差值隨約簡程度變化曲線(3種不同方法在數(shù)據(jù)集Ⅱ上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)Fig. 6 The changes of the cost of association modeling before and after reduction with the reduction degree(Experimental results of three different methods on data set Ⅱ)

圖 7 非成功聯(lián)想關(guān)系對所占比例隨約簡程度的變化曲線 (3種不同方法在數(shù)據(jù)集Ⅱ上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果)Fig. 7 The curves of the proportion of unsuccessful associations with the degree of reduction (Experimental results of three different methods on data set Ⅱ)

圖7 中的曲線的整體變化趨勢與圖5類似，這表明，數(shù)據(jù)集Ⅱ上的結(jié)果與數(shù)據(jù)集Ⅰ上的結(jié)果基本一致，進(jìn)一步證明了本模型的可靠性以及該指標(biāo)的可行性。

2.4 實(shí)例分析

進(jìn)一步，考慮對約簡后的知識聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)系實(shí)例分析。表7給出了在數(shù)據(jù)集Ⅰ上幾組典型的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果；表8給出了在數(shù)據(jù)集Ⅱ上幾組典型的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中約簡前的聯(lián)想分析代價(jià)值表示的是約簡前的知識網(wǎng)絡(luò)中該關(guān)系對所包含的知識序列的聯(lián)想分析代價(jià)值的總和；約簡后的聯(lián)想分析代價(jià)值表示的是約簡后的知識網(wǎng)絡(luò)中該關(guān)系對所包含的知識序列的聯(lián)想分析代價(jià)值的總和。

分析表7和表8中的前兩個(gè)實(shí)例可知，對于關(guān)系對＜A,B＞如果在約簡過程中該關(guān)系對被約簡掉了，且約簡后的知識網(wǎng)絡(luò)中還能找到一條從知識A到知識B的最短聯(lián)想路徑，則該路徑的聯(lián)想分析代價(jià)值有可能小于未約簡前關(guān)系對＜A,B＞的聯(lián)想分析代價(jià)值，即約簡后由知識A聯(lián)想到知識B的代價(jià)減小了。分析表7和表8中第3個(gè)實(shí)例可知，如果關(guān)系對＜A,B＞在約簡過程中沒有被約簡掉，即約簡后B還是A的直接聯(lián)想知識，則在約簡后的知識網(wǎng)絡(luò)中關(guān)系對＜A,B＞的聯(lián)想分析代價(jià)值往往不大于未約減時(shí)的聯(lián)想分析代價(jià)值，該性質(zhì)也符合式(2)的定義。從這一角度看，文中提出的知識聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)通過知識約簡能較好地去除知識網(wǎng)絡(luò)的冗余性，在一定程度上提高了建模的效率。

表 7 約簡后產(chǎn)生的關(guān)系路徑實(shí)例(數(shù)據(jù)集I)Table 7 Relationship path instance generated after reduction (data set I)

表 8 約簡后產(chǎn)生的關(guān)系路徑實(shí)例(數(shù)據(jù)集II)Table 8 Relationship path instance generated after reduction (data set II)

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于圖約簡的知識聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)建模方法，該方法從大腦的聯(lián)想記憶的角度出發(fā)，使用自主爬取的食品領(lǐng)域的語料和搜狗實(shí)驗(yàn)室提供的體育領(lǐng)域的語料作為實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)集，先利用知識的共現(xiàn)關(guān)系構(gòu)建初始的知識網(wǎng)絡(luò)，然后對初始的知識網(wǎng)絡(luò)利用不同的約簡策略進(jìn)行約簡形成聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，并利用文檔的聯(lián)想建模代價(jià)值來評價(jià)約簡后的聯(lián)想關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用本文提出的方法能夠有效地提高知識網(wǎng)絡(luò)建模的效率，在大規(guī)模知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中有顯著的使用價(jià)值。同時(shí)，為知識圖譜建模方法提供了一種可參考的新思路，也為探索類腦聯(lián)想記憶的研究提供一定的借鑒意義。