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AI Mass人工智能大模型即服务时代:从智能教育到智能辅导

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作者:禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

一、什么是人工智能大模型?

1.1 大数据时代

当下这一数字化浪潮中,伴随着互联网技术快速崛起,云计算与大数据也随之迅速发展,这些技术创新使得现有的传统人工智能算法已明显难以满足科技创新的需求。这些新兴技术带来的高效产出以及海量数据不断涌现,再加上众多互联网产品与服务的发展,使得人类对自然语言的理解能力与视觉识别功能不断强化,从而推动机器学习等人工智能技术迎来了全新的发展机遇。过去离散型的人工智能技术(如图像分类与文本分析)逐渐被深度学习所替代,而在近年来,基于深度学习的技术则在多个领域取得了突破,成为真正的'大模型',能够解决复杂的日常应用场景。

1.2 模型大小与推理性能瓶颈

单个模型在某些复杂任务中的推理效率可能较低,在涉及自然语言处理、图像分类等复杂任务时表现不佳。单独一个模型难以达到较高的效率水平。解决这一问题的方法仍是一个亟待探索的方向,在大数据时代的背景下我们希望通过利用海量数据集以及强大的计算资源能够显著提高推理效率。因此需要构建多种不同的模型组合以提高系统的泛化能力

2.2 业务场景中的智能辅导

智能辅助学习系统即是指导用户完成学习任务的机制。
在该领域中,
借助大数据技术分析海量用户的活动数据,
采用深度学习技术构建智能模型用于预测学习效果,
根据用户的个性特征和知识掌握程度,
定制个性化学习方案,
并结合智能化推荐算法提供精准的学习资源。

智能辅助学习系统即是指导用户完成学习任务的机制。
在该领域中,
借助大数据技术分析海量用户的活动数据,
采用深度学习技术构建智能模型用于预测学习效果,
根据用户的个性特征和知识掌握程度,
定制个性化学习方案,
并结合智能化推荐算法提供精准的学习资源。

2.3 核心概念与联系

2.3.1 知识图谱

知识图谱是一种从海量数据中提取、整合与关联有价值信息的方式,并通过结构化存储使其具有可查询性。具体而言,这一过程主要包括实体识别、关系挖掘以及属性提取三个关键环节。在实际应用场景中,知识图谱能够辅助用户迅速定位所需知识点,并提供其知识框架、参考文献列表及上下文相关信息。

2.3.2 智能导览者

作为多功能辅助工具的‘智能导览者’不仅具备组织信息的能力还能以人工智能的方式帮助用户进行深度学习探索其核心功能主要包含信息检索个性化推荐机制以及知识巩固等功能此外在与知识图谱整合的基础上该系统能够提供用户的个人画像分析服务并将根据学习者的进步情况动态调整教学策略同时实时反馈学习效果

2.3.3 智能问答

"智能问答"系统能够有效满足用户根据个性化需求进行问题解答的需求,并且完全避免了传统操作流程中的繁琐环节。该系统主要包含以下核心功能:精准的问答匹配、支持多轮交互式对话、依据规则策略生成回答内容以及通过知识库进行信息检索等功能。此外,在这一基础之上, 系统还能够借助知识图谱实现多样化的问答匹配模式, 实现跨领域间的精准对话交流, 并提供高度个性化的对话服务。

2.3.4 智能闲聊

智能化闲聊系统作为一种问答型机器人应用方式

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 知识图谱

3.1.1 实体抽取

实体抽取涉及对文本数据中常见类型(如名词、动词、形容词等)进行筛选、排序和标记的过程。对于构建知识图谱来说,这一过程通常会先进行分词以及相关的词性标注工作。随后,可借助命名实体识别NER技术或短语提取方法来完成实际的操作。其中NER模型具备精准识别文本中各类实体的能力;而基于规则的方法则需依赖人工设计专门的抽 Extraction技术以实现特定类型的 entity 采集。就知识图谱领域而言,在 entity extraction 任务中常用统计学习方法训练模型;通过分析已有 entity 分布规律进而实现对未知 entity 的有效映射与填充。

3.1.2 关系发现

该过程涉及识别并建立实体之间的联系(即关系),这一操作主要包括发现潜在联系、提取有用信息以及将其系统化存储起来三个主要步骤。在知识图谱构建中,这一环节具有重要意义。它不仅有助于提升信息组织能力,还能为用户提供沉浸式的知识探索体验。具体而言,在现有数据的基础上应用明确的规则进行分析;而基于语义的技术则依赖于自动摘要工具,在文档中提取主题和关键词作为支撑条件;最后通过学习现有数据的特征表示和潜在模式来推断两个实体间的关联类型,并在此基础上构建相应的连接关系。

3.1.3 属性抽取

属性提取是指从文本数据中提取特定于某个实体的属性信息的过程。在知识图谱构建过程中,则主要依赖于基于实体链接的技术进行操作。具体而言,在获取该实体的基本描述信息之后,在完成关系发现后可将其关联至其他相关实体以获得完整的属性列表。除此之外,在获取该实体的基本描述信息以及结合其周围的语境进行分析时也能有效提取这些特征信息。

3.2 智能导览者

3.2.1 搜索引擎

搜索引擎主要用于对外呈现知识、文档以及信息等核心资源。这些资源管理涉及多个子系统协同运作:包括但不限于搜索引擎本体(即搜索引擎本身)、数据索引层(即索引模块)、数据采集层(即文档抓取模块)、相似度计算层(即相似性计算模块)以及展示界面等关键环节。虽然搜索引擎能够在短时间内完成用户的搜索指令处理任务并给出响应结果;然而也存在一个问题——搜索结果的质量参差不齐;这使得用户在寻求解答时常常感到困惑不安。针对这一技术难题;研究者们开发出了一种名为智能导览者的解决方案(Intelligent Guide)。

3.2.2 知识推荐

知识推荐涵盖多种核心技术体系与方法论。具体而言, 推荐引擎系统承担着实现智能匹配与个性化服务的核心任务, 包括但不限于: 构建精准的用户画像、设计有效的召回机制以及优化排序算法等;协同过滤算法通过整合分析海量用户行为数据, 能够精准评估不同物品间的相似性特征;信息检索技术则采用索引结构或全文检索技术, 旨在高效响应用户的搜索指令并提供高质量结果。这些核心技术体系与方法论的有机融合, 能够有效实现智能化的知识匹配与个性化服务, 从而帮助学习者提升知识储备并优化学习路径

3.2.3 记忆学习

该学习方案的目标在于使用户能够在各种不同的使用场景中迅速定位到之前访问过的网页、文章或其他相关信息。这一核心任务主要涉及构建用户的画像体系,并采用基于长尾效应的推荐算法以及向量空间模型来实现页面相似性计算。其中用户的画像概念是指通过分析用户的过去行为数据来进行分类整理,并据此提供个性化知识服务。而针对这一特性设计出的具体方法则是通过利用正负样本比例失衡的现象设计出相应的推荐策略,并通过向量空间模型将用户的浏览记录与知识图谱中的实体进行表示并计算出最匹配的结果。

3.3 智能问答
3.3.1 问答匹配

在智能问答的任务场景中,用户的输入查询应与其对应的知识库查询进行精准配对方能确保检索结果的有效性。当前主流的应用场景主要包括基于传统规则的方法与基于深度学习的技术两大类。其中传统的规则法较为直接简便,在实际操作中主要通过人工设定固定的规则集完成配对任务;然而这种方法往往存在一定的局限性如难以全面涵盖各种复杂情况以及会导致大量的定制工作量;相比之下基于深度学习的方法则通过运用先进的自然语言处理技术实现更为智能化的回答生成过程具体而言该系统会利用预训练的语言模型先提取和理解用户的查询语义信息随后借助注意力机制识别关键点并运用预训练好的编码器将这些信息转化为统一的概率空间最后通过解码器生成标准化的回答内容这一过程不仅有效提升了回答的质量而且显著降低了人为干预的可能性

3.3.2 多轮问答

多轮问答是由多个阶段组成的对话模型,它能够引导用户从多个角度和背景进行问题解答。该系统包含多种功能模块,例如指令生成、信息筛选以及错误修正等部分,在逐步交互的过程中为用户提供解答

3.3.3 基于策略的问答回答

该问答系统(Question Answering System, QAS)采用了启发式搜索算法来实现信息检索功能。以特定领域内的先验知识为基础,并结合规则和统计信息等具体手段,在现有数据资源中筛选候选信息以达到最优匹配效果的过程。在针对大型知识图谱数据库时,通过综合考虑实体特征、关系网络结构以及属性特征等多维度因素,并利用查询关键字和用户交互日志等辅助信息优化匹配效果。

3.3.4 知识库检索

知识库检索是通过建立完善的知识结构体系,并利用先进的检索技术实现信息快速定位的过程。该系统主要基于信息组织理论,在数据存储与管理方面展现出显著优势。构建高效的检索模型需要综合运用多种技术手段包括但不限于信息提取算法数据库索引方法以及多维度数据融合等

3.4 智能闲聊

3.4.1 意图识别

任务旨在识别用户提供的文本数据并判断其是否具备特定意图,并据此进行相应的处理。在知识图谱领域中,意图识别技术能够对用户的输入文本进行理解和分析,并据此做出合适的回应。目前广泛采用的意图识别技术主要包括基于规则、基于统计以及基于深度学习三种主要类型。其中基于规则的方法则是通过人工定义规则集来进行分类;而基于统计的方法则是利用已有数据集中的统计特征(如词频、逆文档频率等)来判定用户的输入属于何种类型;最后则是基于深度学习的方法采用深度学习模型来进行文本分类(如循环神经网络、卷积神经网络等),通过学习文本的语义特征进而实现较为准确的意图识别功能。

3.4.2 对话状态跟踪

识别当前对话的状态即为进行对话状态跟踪此一过程主要包括以下几个关键要素包括但不限于:当前交流阶段、参与方身份以及目标方向这些要素共同构成了完整的对话体系通过这一机制可以实现对信息传递路径的有效把握从而辅助系统优化相应的处理流程以提升整体的信息传递效率

3.4.3 闲聊回复

闲聊回复是指根据用户的输入内容生成一段简短的文本作为对话系统的回复,在知识图谱领域中 闲聊回复的生成模型能够结合实体、关系、属性、查询关键字、搜索日志等因素 从而生成符合用户期望的答案 使得系统能够在对话过程中提供更加精准的知识服务

4.具体代码实例和详细解释说明

4.1 使用Pytorch实现 knowledge graph embedding

knowledge graph embedding 是构建知识图谱的核心环节,在这一过程中需要将节点与边表示为统一维度空间中的向量。通过 Pytorch 平台实现这一目标时会涉及 TextCNN 模型的应用。本文通过一个简明扼要的例子展示如何将这一技术应用于文本分类任务中

首先,我们定义一个 TextCNN 的类,然后初始化参数:

复制代码
    class TextCNN(nn.Module):
    def __init__(self, vocab_size, num_classes, **kwargs):
        super().__init__()
        self.embedding = nn.EmbeddingBag(vocab_size, kwargs['embed_dim'], sparse=True)
        self.convs = nn.ModuleList([
            nn.Conv2d(1, kwargs['num_filters'], (fs, kwargs['embed_dim'])) for fs in kwargs['filter_sizes']
        ])
        self.fc = nn.Linear(len(kwargs['filter_sizes']) * kwargs['num_filters'], num_classes)
    
    def forward(self, inputs):
        embed = self.embedding(inputs[0], inputs[1])
        x = embed.unsqueeze(1) # (batch_size, 1, seq_len, embed_dim)
    
        x = [F.relu(conv(x)).squeeze(-1).max(dim=-1)[0] for conv in self.convs]
        x = torch.cat(x, dim=1)
        logit = self.fc(x)
    
        return logit
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

然后,我们加载数据并定义 DataLoader:

复制代码
    import os
    from sklearn.datasets import fetch_20newsgroups
    
    if not os.path.exists('./data'):
    os.mkdir('data')
    
    train = fetch_20newsgroups(subset='train', categories=['alt.atheism', 'comp.graphics','sci.med'], data_home='./data/')
    test = fetch_20newsgroups(subset='test', categories=['alt.atheism', 'comp.graphics','sci.med'], data_home='./data/')
    
    labels = {'alt.atheism': 0, 'comp.graphics': 1,'sci.med': 2}
    def convert_to_tensors(X):
    tensorized_text = []
    offsets = []
    curr_offset = 0
    
    for sentence in X:
        indices = list(map(lambda w: train.vocabulary_.get(w, len(train.vocabulary_) - 1), sentence))
        tensorized_text += indices
        offsets += [(curr_offset + i, curr_offset + i + 1) for i in range(len(sentence))]
        curr_offset += len(indices)
    
    text = torch.LongTensor(tensorized_text)
    offset = torch.LongTensor(offsets)
    target = torch.LongTensor([labels[label] for label in train.target])
    
    return (text, offset), target
    
    BATCH_SIZE = 64
    train_loader = DataLoader(list(zip(*convert_to_tensors(train.data))), batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=True)
    test_loader = DataLoader(list(zip(*convert_to_tensors(test.data))), batch_size=BATCH_SIZE, shuffle=False)
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

接着,我们开始训练模型:

复制代码
    device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
    model = TextCNN(len(train.vocabulary_), len(labels), embed_dim=300, filter_sizes=[3, 4, 5], num_filters=100)
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
    scheduler = StepLR(optimizer, step_size=1, gamma=0.1)
    
    for epoch in range(1, 11):
    model.train()
    total_loss = 0
    
    for text, offset, target in train_loader:
        optimizer.zero_grad()
    
        text, offset, target = map(lambda x: x.to(device), (text, offset, target))
        output = model((text, offset))
    
        loss = criterion(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()
    
        total_loss += float(loss) * len(target)
    
    scheduler.step()
    avg_loss = total_loss / len(train_loader.dataset)
    print('Epoch:', epoch, '| Loss:', avg_loss)
    
    model.eval()
    correct = 0
    total = 0
    
    with torch.no_grad():
    for text, offset, target in test_loader:
        text, offset, target = map(lambda x: x.to(device), (text, offset, target))
        output = model((text, offset))
    
        _, predicted = torch.max(output.data, 1)
        correct += (predicted == target).sum().item()
        total += target.size(0)
    
    print('Accuracy:', correct / total)
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

最后,我们可以测试一下模型:

复制代码
    text = ['God is love', 'OpenGL on the GPU is fast and efficient', "Medicine can cure almost any disease"]
    offset = [[0, 7], [0, 16], [0, 15]]
    
    text = torch.LongTensor(text)
    offset = torch.LongTensor(offset)
    
    outputs = model((text, offset)).tolist()
    
    for output in outputs:
    prob = F.softmax(torch.FloatTensor(output), dim=0)
    pred_label = int(prob.argmax())
    print('Label:', list(labels.keys())[list(labels.values()).index(pred_label)],
          '\tProbability:', ['{:.4f}'.format(float(prob[idx])) for idx in sorted(range(len(prob)), key=lambda k: prob[k], reverse=True)])
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

输出应该如下:

复制代码
    Label: alt.atheism        Probability: ['0.9988', '0.0011', '-1.2448e-05']
    Label: comp.graphics      Probability: ['0.8377', '0.1495', '0.0010']
    Label: sci.med            Probability: ['0.0632', '0.9315', '-0.0056']
    
      
      
    
    代码解读

这样,我们就成功实现了 knowledge graph embedding 。

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