AI大语言模型与知识图谱融合:引领未来的技术革命
1. 背景介绍
1.1 人工智能的发展
人工智能(AI)被视为计算机科学的核心技术之一,在20世纪50年代正式诞生后经历了多次技术革新与演进。从基于规则的知识获取系统发展到基于统计学习的数据驱动型机器学习方法,并进一步演进至如今广泛应用的深度学习技术。这些进步不仅推动了理论研究的发展,在多个领域取得了重要进展,并深刻影响着社会生产与生活方式。其中,在模式识别、自然语言处理等领域取得了显著突破,并深刻改变了人们的生活方式和工作模式。
1.2 大语言模型的崛起
近年来,在深度学习技术的快速发展推动下,大规模预训练语言模型(如GPT-3、BERT等)展现出卓越的效果。这些模型在经过海量文本数据的预训练过程中,积累丰富的语言知识以及某种程度的知识储备,并在此基础上能够灵活运用所学内容,在多种自然语言处理任务中表现出色。
1.3 知识图谱的重要性
以实体、属性与关系为基础的知识组织形式称为知识图谱(Knowledge Graph, KG),它通过有向图的方式系统地整合信息。在搜索引擎、推荐系统以及智能问答等多个应用场景中可见。尽管构建与维护工作耗时费力,并且难以实现对各领域知识点的全面覆盖。
1.4 融合大语言模型与知识图谱的需求
大语言模型与知识图谱分别在自然语言处理与知识表示领域展现出卓越的效果,然而它们之间的融合仍是一个极具挑战性的难题.通过整合大语言模型与知识图谱,我们能够最大限度地发挥两者的优点,从而显著提升其智能化水平与实际应用价值.
2. 核心概念与联系
2.1 大语言模型
大语言模型是基于深度学习的自然语言处理技术的一种重要实现形式,在经过大规模文本数据预训练后不仅积累了丰富的语言理解和分析能力还形成了一定程度的知识储备。现有的知名实例包括GPT-3和BERT等
2.2 知识图谱
基于实体-属性-关系模型的知识图谱是一种高效的知识表示方法;它通过构建有向图将信息系统化地组织起来;主要应用于搜索引擎、推荐系统以及智能问答等技术领域。
2.3 融合大语言模型与知识图谱的方法
融合大语言模型与知识图谱的方法主要有以下几种:
将知识图谱中的信息整合进大语言模型的预训练阶段,并帮助该系统获取更为系统的结构化信息。
通过大语言模型处理后的数据与现有知识库进行匹配与推理操作,以此提升AI系统的整体能力。
借助大语言模型自动生成并持续更新现有知识库的内容,并非一次性完成任务。
3. 核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解
3.1 大语言模型的预训练
大语言模型的预训练主要包括两个阶段:无监督预训练和有监督微调。
3.1.1 无监督预训练
该系统架构在大规模文本数据集上实现了unsupervised pre-training策略,在此过程中获得了丰富的语言建模能力。
常见的self-supervised learning tasks include text reconstruction, sentence completion, and contextual window prediction.
- 掩码语言模型(Masked Language Model, MLM):
- 将一些输入词随机替换成特定mask标记。
- 这些mask位置由模型识别并尝试恢复。
- 该技术广泛应用于预训练BERT等语言模型。
左边表示的是被MLM所使用的损失函数\mathcal{L}_{\text{MLM}}(\theta),
等于右边的部分,
即取负数的求和,
其中每一项是对概率P(w_t | x_{\text{除t的位置}}; \theta)取对数的结果。
这个过程旨在最小化预测与真实标签之间的差异。
- 回文预测(Permutation Language Modeling, PLM):通过将输入文本中的字符以随机顺序重新排列的方式构建数据样本集合,并使模型推断出每个位置应填入的词。该方法已被广泛应用于如XLNet等预训练语言模型中。
{\cal L}_{{\rm PLM}}(\theta) = -{\sum_{t=1}^T}{\log P(w_{{\pi}(t)} | {\bm x}_{{{\pi}}(1)}, {{...}}, {\bm x}_{{{\pi}}(t-1)}}; {\theta})}
3.1.2 有监督微调
在基于标注数据的有监督学习阶段(即所谓的微调阶段),模型经过特定任务上的标注数据集的学习过程(即所谓的参数优化),从而获得了与该特定任务相关的知识(即所谓的下游模型能力)。常见的 supervised 学习场景包括:分类、回归、聚类等。
文本分类任务(Text Classification Task)是指根据给定的一段文本内容确定其所属的主题类别。常见的应用场景包括情感分析、主题识别等。
\mathcal{L}_{\text{CLS}}(\theta) = -\sum_{i=1}^{N} \log P(y_i | \mathbf{x}_i; \theta)
- 序列标注(Sequence Labeling):将标记应用于文本中的每个单词的过程。例如,在命名实体识别任务中可以识别人名、地名等信息;在词性标注中则根据上下文确定词语的语法角色。
\mathcal{L}_{\text{SEQ}}(\theta) = -\sum_{i=1}^{N} \sum_{t=1}^{T_i} \log P(y_{i,t} | \mathbf{x}_i; \theta)
3.2 知识图谱的构建和表示
知识图谱的构建过程涉及的主要内容包括实体识别、关系提取以及属性建模等多个环节和方面。该表示方式涵盖的主要类型包括基于矩阵分解的技术体系以及基于深度学习模型的应用框架。
3.2.1 知识图谱的构建
-
实体抽取(Entity Extraction):从文本中抽取出实体,如人名、地名、机构名等。
-
关系抽取(Relation Extraction):通过关系抽取技术可以从文本中提取出实体之间的关联信息。例如,在自然语言处理领域中常用的关系类型包括"生产于"、"位于"等。
-
属性抽取(Attribute Extraction):通过从文本中提取出实体属性(例如:在实际应用中,“人口”代表一个地区的居民数量,“面积”则表示地理区域的大小)。
3.2.2 知识图谱的表示
采用基于矩阵分解的技术(Matrix Factorization-based Methods):通过将知识图谱转化为一种稀疏的数值形式,并利用该形式进行学习和分析,实现实体和关系的低维嵌入。
该模型中的损失函数形式表示为\mathcal{L}_{\text{MF}}(\mathbf{E}, \mathbf{R})等于所有三元组(h,r,t)在训练数据集\mathcal{G}中的求和结果;其中h代表头实体r对应的尾实体t;该损失函数的形式旨在最小化头尾实体向量与关系向量之间的预测误差;具体而言;每个元素(h,r,t)对应的目标值r_{hrt}与通过内积操作得到的关系预测值\mathbf{e}_h^\top \mathbf{r}_r \mathbf{e}_t之间的差值平方之和即为整个损失函数的具体计算方式
- 基于深度学习技术的方法(Neural Network-based Methods):将知识图谱建模为一种有向图结构,并利用深度学习模型对实体与关系进行低维度表示学习
我们称该神经网络模型的损失函数定义为:对于所有三元组(h,r,t)\in\mathcal{G},计算负对数σ函数作用于其关系映射f(\bm e_h,\bm r_r,\bm e_t)的结果之总和。
3.3 融合大语言模型与知识图谱的方法
3.3.1 将知识图谱融入大语言模型的预训练
通过将知识图谱中的知识表示为自然语言文本内容,并将其加入到无监督预训练任务中以促进其发展
从知识图谱中提取出某项特定的任务下的标注信息库,并将其作为补充的数据参与有指导的学习过程。
3.3.2 将大语言模型的输出结果与知识图谱进行匹配和推理
将大语言模型的输出结果对应知识图谱中的实体与关系,并实现其生成内容到知识图谱的实体链接与关系链接。
- 利用知识图谱中的结构化知识进行推理,提高AI系统的智能水平。
3.3.3 利用大语言模型自动构建和更新知识图谱
基于大语言模型的多任务学习框架中包含实体识别、关联分析和属性提取三个核心模块;该框架能够系统性地构建完整的知识图谱结构。
通过大型语言模型执行知识补全(Knowledge Completion)与知识修复(Knowledge Repair)的任务序列
4. 具体最佳实践:代码实例和详细解释说明
4.1 大语言模型的预训练和微调
以BERT为例,在实际应用中我们主要依赖于Hugging Face的Transformers库来完成预训练以及微调任务。
4.1.1 无监督预训练
from transformers import BertForMaskedLM, BertTokenizer, LineByLineTextDataset, DataCollatorForLanguageModeling, Trainer, TrainingArguments
# 初始化模型和分词器
model = BertForMaskedLM.from_pretrained("bert-base-uncased")
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")
# 准备数据集
dataset = LineByLineTextDataset(tokenizer=tokenizer, file_path="train.txt", block_size=128)
data_collator = DataCollatorForLanguageModeling(tokenizer=tokenizer, mlm=True, mlm_probability=0.15)
# 设置训练参数
training_args = TrainingArguments(output_dir="output", overwrite_output_dir=True, num_train_epochs=1, per_device_train_batch_size=8, save_steps=10_000, save_total_limit=2)
# 训练模型
trainer = Trainer(model=model, args=training_args, data_collator=data_collator, train_dataset=dataset)
trainer.train()
代码解读
4.1.2 有监督微调
from transformers import BertForSequenceClassification, BertTokenizer, TextClassificationDataset, Trainer, TrainingArguments
# 初始化模型和分词器
model = BertForSequenceClassification.from_pretrained("bert-base-uncased")
tokenizer = BertTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")
# 准备数据集
train_dataset = TextClassificationDataset(tokenizer=tokenizer, file_path="train.tsv", block_size=128)
eval_dataset = TextClassificationDataset(tokenizer=tokenizer, file_path="eval.tsv", block_size=128)
# 设置训练参数
training_args = TrainingArguments(output_dir="output", overwrite_output_dir=True, num_train_epochs=1, per_device_train_batch_size=8, per_device_eval_batch_size=8, save_steps=10_000, save_total_limit=2, evaluation_strategy="epoch")
# 训练模型
trainer = Trainer(model=model, args=training_args, train_dataset=train_dataset, eval_dataset=eval_dataset)
trainer.train()
代码解读
4.2 知识图谱的构建和表示
以OpenKE为例,我们可以使用OpenKE库进行知识图谱的构建和表示。
4.2.1 知识图谱的构建
from openke.config import Trainer, Tester
from openke.module.loss import SigmoidLoss
from openke.module.strategy import NegativeSampling
from openke.data import TrainDataLoader, TestDataLoader
from openke.module.model import TransE
# 准备数据集
train_dataloader = TrainDataLoader(in_path="./benchmarks/FB15K237/", batch_size=1000, threads=8, sampling_mode="normal", bern_flag=1, filter_flag=1, neg_ent=1, neg_rel=0)
test_dataloader = TestDataLoader("./benchmarks/FB15K237/", "link")
# 初始化模型
transe = TransE(ent_tot=train_dataloader.get_ent_tot(), rel_tot=train_dataloader.get_rel_tot(), dim=100, p_norm=1, norm_flag=True)
# 设置训练参数
model = NegativeSampling(model=transe, loss=SigmoidLoss(adv_temperature=2.0), batch_size=train_dataloader.get_batch_size(), regul_rate=1.0, sample_strategy=train_dataloader.sampling_mode)
trainer = Trainer(model=model, data_loader=train_dataloader, train_times=1000, alpha=1.0, use_gpu=True, opt_method="adam", save_steps=200, checkpoint_dir="./checkpoint", test_use_gpu=True)
# 训练模型
trainer.run()
代码解读
4.2.2 知识图谱的表示
from openke.config import Tester
# 初始化测试器
tester = Tester(model=transe, data_loader=test_dataloader, use_gpu=True)
# 计算实体和关系的嵌入
entity_embeddings = tester.get_entity_embeddings()
relation_embeddings = tester.get_relation_embeddings()
# 进行链接预测和三元组分类
tester.run_link_prediction(type_constrain=False)
tester.run_triple_classification()
代码解读
4.3 融合大语言模型与知识图谱的方法
以ERNIE为例,我们可以通过PaddleNLP的ERNIE库对大语言模型与知识图谱进行整合。
4.3.1 将知识图谱融入大语言模型的预训练
import paddle
from paddlenlp.transformers import ErnieModel, ErnieTokenizer
from paddlenlp.transformers import ErnieForPretraining, ErniePretrainingCriterion
from paddlenlp.transformers import ErnieForSequenceClassification
from paddlenlp.data import Stack, Tuple, Pad
# 初始化模型和分词器
ernie = ErnieModel.from_pretrained("ernie-1.0")
tokenizer = ErnieTokenizer.from_pretrained("ernie-1.0")
# 准备数据集
train_dataset = ...
eval_dataset = ...
# 设置训练参数
optimizer = paddle.optimizer.AdamW(learning_rate=2e-5, parameters=ernie.parameters())
criterion = ErniePretrainingCriterion(ernie)
# 训练模型
for epoch in range(epochs):
for step, batch in enumerate(train_dataloader):
input_ids, token_type_ids, masked_positions, masked_lm_labels = batch
prediction_scores = ernie(input_ids=input_ids, token_type_ids=token_type_ids, masked_positions=masked_positions)
loss = criterion(prediction_scores, masked_lm_labels)
loss.backward()
optimizer.step()
optimizer.clear_grad()
代码解读
4.3.2 将大语言模型的输出结果与知识图谱进行匹配和推理
from paddlenlp.transformers import ErnieModel, ErnieTokenizer
from paddlenlp.transformers import ErnieForSequenceClassification
from paddlenlp.data import Stack, Tuple, Pad
# 初始化模型和分词器
ernie = ErnieModel.from_pretrained("ernie-1.0")
tokenizer = ErnieTokenizer.from_pretrained("ernie-1.0")
# 准备数据集
train_dataset = ...
eval_dataset = ...
# 设置训练参数
optimizer = paddle.optimizer.AdamW(learning_rate=2e-5, parameters=ernie.parameters())
criterion = paddle.nn.CrossEntropyLoss()
# 训练模型
for epoch in range(epochs):
for step, batch in enumerate(train_dataloader):
input_ids, token_type_ids, labels = batch
logits = ernie(input_ids=input_ids, token_type_ids=token_type_ids)
loss = criterion(logits, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
optimizer.clear_grad()
# 预测结果
predictions = ernie(input_ids=input_ids, token_type_ids=token_type_ids)
# 进行实体链接和关系链接
entity_linking(predictions)
relation_linking(predictions)
代码解读
4.3.3 利用大语言模型自动构建和更新知识图谱
from paddlenlp.transformers import ErnieModel, ErnieTokenizer
from paddlenlp.transformers import ErnieForSequenceClassification
from paddlenlp.data import Stack, Tuple, Pad
# 初始化模型和分词器
ernie = ErnieModel.from_pretrained("ernie-1.0")
tokenizer = ErnieTokenizer.from_pretrained("ernie-1.0")
# 准备数据集
train_dataset = ...
eval_dataset = ...
# 设置训练参数
optimizer = paddle.optimizer.AdamW(learning_rate=2e-5, parameters=ernie.parameters())
criterion = paddle.nn.CrossEntropyLoss()
# 训练模型
for epoch in range(epochs):
for step, batch in enumerate(train_dataloader):
input_ids, token_type_ids, labels = batch
logits = ernie(input_ids=input_ids, token_type_ids=token_type_ids)
loss = criterion(logits, labels)
loss.backward()
optimizer.step()
optimizer.clear_grad()
# 预测结果
predictions = ernie(input_ids=input_ids, token_type_ids=token_type_ids)
# 进行实体抽取、关系抽取和属性抽取
entity_extraction(predictions)
relation_extraction(predictions)
attribute_extraction(predictions)
# 进行知识补全和知识修复
knowledge_completion(predictions)
knowledge_repair(predictions)
代码解读
5. 实际应用场景
结合大型语言模型与知识图谱的技术在多个实际应用场景中得到了广泛应用,并非局限于某个特定领域。
信息检索系统基于融合的大语言模型和知识图谱能够更加精准地捕捉用户需求从而实现与用户需求高度契合的信息反馈
推荐系统(通过融合大语言模型与知识图谱)能够更加深入地掌握用户的兴趣和需求,并以满足不同用户的需求为目标实现个性化服务
-
智能问答:基于融合大语言模型与知识图谱的技术支撑下形成的智能化问答系统,在回答用户查询时能够更加精准地回应用户的意图需求,并为用户提供更加全面的知识服务
-
语义解析: 基于大型语言模型和知识图谱被整合, 语义解析系统能够更加深入地解析和理解文本内容, 并且能够生成质量更高的文本分析效果。
-
自动摘要:基于大语言模型与知识图谱的有效结合下形成的自动摘要系统,在准确识别文本关键要素的基础上能够更加精准地提取核心信息,并最终产出更为简洁明了的总结材料。
6. 工具和资源推荐
Hugging Face Transformers库提供了多样化的预先训练语言模型及其相关工具包,其中BERT和GPT-3也被广泛认可。
-
OpenKE:一个开放源代码的知识图谱嵌入技术工具包,支持多样化的知识图谱表示学习模型及其相关工具。
-
PaddleNLP是一个以飞桨(即Paddleshood)为基础构建的自然语言处理工具包,并包含一系列丰富的预训练语言模型以及相关的辅助工具;例如ERNIE、RoBERTa等知名模型。
7. 总结:未来发展趋势与挑战
融合大语言模型与知识图谱是推动未来技术革命的核心领域之一。借助大语言模型与知识图谱的深度整合,在充分释放两者潜力的同时显著提升其智能化程度,并大幅增强实际应用能力。然而,在这一前沿领域仍面临着诸多复杂性挑战。
在实现知识图谱中的结构化知识有效融入大语言模型的过程中,应采取何种更加高效的方式?
-
如何更准确地将大语言模型的输出结果与知识图谱进行匹配和推理?
-
如何更自动地利用大语言模型构建和更新知识图谱?
-
如何更好地平衡大语言模型与知识图谱之间的优势和局限?
如何更有效地进行评估融合大语言模型与知识图谱的技术在实际应用场景中的应用效果?
8. 附录:常见问题与解答
- 问题:大语言模型和知识图谱有什么区别?
答:大型语言模型是基于深度学习实现的一种自然语言处理技术体系,在经过大规模文本数据预训练后具备了丰富的语义理解和一定规模的知识储备能力。一种以实体、属性与关系构建的知识有向图结构化表示方法被定义为知识图谱体系框架;其中大型语言模型着重于实现智能化对话系统的核心技术;而构建系统化的实体间关联推理机制则成为其重要使命;相比之下;传统的人工智能系统更多地聚焦于特定领域内的信息检索功能;而大型语言模型则在跨模态理解和生成方面展现出独特优势。
- 问题:为什么要融合大语言模型与知识图谱?
答:大语言模型与知识图谱分别在自然语言处理与知识表示领域展现出显著的成效;然而它们之间的融合仍是一个极具挑战性的难题。通过整合大语言模型与知识图谱间的相互作用,则能够充分彰显二者的优势.此方法可望有助于提升人工智能系统的能力及实用性.
- 问题:如何评估融合大语言模型与知识图谱的技术?
从技术层面而言,在融合大语言模型与知识图谱的技术开发中涉及的主要内容包括以下两个维度:第一维度是针对大语言模型在自然语言处理相关任务中的性能进行评估(如分类准确率、信息提取效率等),第二维度则是对知识图谱在知识表示与推理方面的效能进行考察(如实体识别的精确度、关系抽取的有效性等)。此外,在实际应用场景中对融合技术的效果进行度量也是必要的(例如搜索引擎的检索效率指标、个性化推荐系统的用户体验反馈)。
- 问题:融合大语言模型与知识图谱的技术有哪些局限?
就目前而言,在融合大型语言模型与知识库的技术领域仍面临诸多亟待解决的问题。例如,在实现这一技术的过程中需要解决哪些关键问题?例如,在提升技术准确性方面仍需探索新的方法。此外,在自动化利用方面也存在一些限制。两者各自都存在一定的不足之处;例如,在计算资源消耗方面存在较大的挑战;另外,在构建与维护过程中所面临的成本问题也不容忽视。
