【知识图谱】大数据环境下知识工程的机遇和挑战

导读：知识图谱已经成为推动人工智能发展的核心驱动力之一。本文选自清华大学计算机科学与技术系教授、清华-青岛数据科学研究院科技大数据研究中心主任李涓子老师于2017年12月20日在阿里联合中文信息学会语言与知识计算专委会举办的知识图谱研讨会上做的以“知识工程：机器智能的加速器”为题的报告。李涓子老师在报告中概述了与知识图谱密切相关的在大数据环境下的知识工程在知识表示、知识获取、知识推理计算以及知识服务中面临的研究挑战，并介绍了在知识图谱的相关研究工作。 后台回复关键词“知识工程”，下载完整版PPT。 

李涓子，清华大学计算机科学与技术系教授，博士生导师。清华-青岛数据科学研究院科技大数据研究中心主任、中国中文信息学会语言与知识计算专委会主任、中国计算机学会术语委员会执行委员。研究兴趣是语义 Web，新闻挖掘与跨语言知识图谱构建。多篇论文在重要国际会议(WWW、IJCAI、SIGIR、SIGKDD)和学术期刊(TKDE、TKDD)上发表。主持多项国家级、部委级和国际合作项目研究，包括国家自然科学基金重点项目、欧盟第七合作框架、新华社项目等。获得 2013 年人工智能学会科技进步一等奖，2013年电子学会自然科学二等奖。 以下是演讲实录： 今天我的演讲主题是“知识工程：机器智能的加速器”，下面我将结合数据、信息、知识、智能等相关概念及其关系回顾知识工程四十年来的研究和应用发展，包括大数据时代知识工程的挑战以及我们的部分相关工作。 一、知识工程四十年：让机器更智能 我们迎来了大数据时代，大数据具有规模性、多样性、快速性和真实性等特点。大数据正在改变我们的生活、工作和思考方式。 

 在这样的背景下，大数据对智能服务的需求已经从单纯的搜集获取信息，转变为自动化的知识提供服务，这也给知识工程提出了很多挑战性的问题。我们需要利用知识工程为大数据添加语义/知识，使数据产生智慧（smart data），完成从数据到信息再到知识，最终到智能应用的转变过程，从而实现对大数据的洞察、提供用户关心问题的答案、为决策提供支持、改进用户体验等目标。 

 今年恰逢知识工程提出40年，我们梳理了知识工程的四十年发展历程，总结知识工程的演进过程、技术进展以及为机器智能所做的贡献。 


 1950-1970年代 图灵测试：人工智能旨在让机器能够像人一样解决复杂问题，智能的评测是图灵测试。这一阶段主要涌现出两种人工智能方法：符号主义和连结主义。通用问题求解程序（GPS）成为当时代表性的方法：将问题进行形式化的表达，通过搜索，从问题的初始状态，结合定义的规则或表示，得到目标状态。典型应用是博弈论和机器定理证明等。这一时期的知识表达主要有逻辑知识表示、产生式规则、语义网络等。 


 1970-1990年代 专家系统：只有通用问题求解不足以支持实现智能，Feigenbaum认为知识是机器实现智能的核心，在70年代中后期年正式提出以专家系统为代表的知识工程概念，通过知识库+推理实现更智能的系统。这表明在求解问题过程中还需要注入领域知识，以此确立知识工程在人工智能领域的核心地位。这一时期知识表示有新的演进，包括框架和脚本等。80年代后期出现很多专家系统的开发平台，可以帮助将专家领域的知识转变成计算机可以处理的知识。 


 1990-2000年代 Web1.0万维网：万维网（World Wide Web）的产生为人们提供了一个开放平台，使用HTML定义文本内容，通过超链接把文本连接起来，以此共享信息。随后出现了XML—标签语言，对内容结构通过定义标签进行标记，为后续互联网环境下知识表示奠定了基础。 


 2000-2006年代 Web2.0 群体智能：这一时期是信息爆炸式增长的过程，万维网的出现使得我们的知识从封闭走向开放，从集中成为分布。原来专家系统是系统内部定义的知识，现在可以实现知识源之间相互连接，可以通过关联来产生更多更丰富的知识，而非完全由确定的人或者单位生产。这个过程就是群体智能，最典型的代表就是维基百科，大众用户去建立知识，体现了互联网大众用户对知识的贡献，也今天的大规模知识图谱的基础。同时，在2001年万维网发明人、2016年图灵奖获得者Tim Berners-Lee提出语义Web的概念，旨在对互联网内容进行结构化语义表示，而RDF和OWL就是对内容结构化表示的标识定义，在这样的语义表示支持下，人和机器才能够更好协同工作。 


 2006年至今 知识图谱：这一时期有很多工作在对维基百科进行结构化，例如DBpedia、YAGO和Freebase等。Google的知识图谱（knowledge graph）就是收购了Freebase之后产生的大规模知识图谱。现在我们看知识图谱的发展和应用状况，除了通用的大规模知识图谱，各行各业也在建立行业和领域的知识图谱。我们也看到了恨到大规模知识图谱的应用，包括语义搜索、问答系统与聊天、大数据语义分析以及智能知识服务等，更多知识图谱的创新应用还有待开发。 


 二、知识工程与大数据机器学习的结合 随着信息技术进步和大数据时代的到来，大数据机器学习也得到快速发展，基于表示学习和深度神经网络的机器学习方法获得了巨大成果，并已经成功应用于语音识别、图像识别和机器翻译等。




 总结大数据驱动的深度学习的优点和局限性可以看出，当前大数据驱动的机器学习是一个黑盒的学习过程。而计算机若要实现智能，就意味着能够帮助人类做完成复杂工作或则做出决策。目前的大数据机器学习能够给予一些决策支持，但用户不会满足于只给推荐结果，用户希望的习得的模型解释给出的模型为何成功何时成功等。这就是可解释的人工智能，这就需要与人的认知进行结合。 


 比如机器自动识别出一张图片中的物体是猫，它还需要告诉我们为什么判断为猫，如应为猫有毛、有胡须有爪子等毛的特征，也就是告诉人们机器做决策的依据是什么。 


 由此，大数据深度学习学到的是事物底层特征空间，人能理解的对应的是事物语义空间，这当中存在语义鸿沟，而知识图谱可以用来弥合这个鸿沟。 


 现在我们来看以知识驱动为代表的专家系统的典型结构：知识库、推理引擎和人机接口。当时专家系统没有发展起来主要受限于专家知识难以获得以及计算机计算能力的限制。 


 在大数据环境下，我们可以采用自动或者半自动方法利用大数据机器学习方法从大数据中获得知识，由此建立大数据环境下智能系统。 


 三、大数据环境下知识工程的研究和挑战
在大数据环境下，我们希望能够从互联网开放环境下的大数据获得知识，用这些知识提供智能服务反哺互联网/行业。这是一个迭代的相互增强过程，最终的目的是实现从互联网信息服务到智能知识服务的跃迁。 


 因为提出知识工程而在1994年获得图灵奖的Feigenbaum教授将知识工程定义为：将知识集成到计算机系统完成只有特定领域专家才能完成的复杂任务。在大数据时代，我们对此进一步改进：知识工程是从大数据中自动或半自动获取知识，建立基于知识的系统，以此提供互联网智能知识服务，如语义搜索和问答系统等。 


 总结当前知识驱动和数据驱动的人工智能方法，以符号表示为代表的知识驱动方法表示的知识明确、可以举一反三、进行解释和推理。而大数据深度学习为代表的数据驱动方法可以进行感知和记忆，进行关联计算，但是难以解释其推理计算过程。因此两种方法的融合为我们研究基于知识的智能技术提供了契机。 




 同时，两种方法的融合也带来许多挑战性问题。下面从组成知识工程生命周期的知识建模、知识获取、知识存储和计算、以及知识重用的四个阶段看每个阶段所面临的挑战。
知识表示方面，主要是研究大数据知识表示的理论与方法，使知识既具有显式的语义定义，又便于大数据环境下的知识计算与推理。 


 知识获取与融合方面，主要研究知识获取和语义关联技术。目前符号表示的知识是稀疏的，如何在知识稀疏和大数据环境下研究知识引导的知识获取方，获得大规模和高精度的知识是我们面临的挑战。


 在知识计算和推理方面，当前基于符号的推理虽然有一些很好的推理工具，但是大规模知识推理效率还很受约束。深度学习或概率的推理方法方便计算但是难以解释。大数据环境下知识计算和推理需要研究深度学习和逻辑规则相结合的知识推理和演化方法，以提升新知识发现的能力。 



 知识工程的最终目标是实现知识驱动的个性化智能服务。以知识图谱关联和分析用户行为，通过情景感知分析用户需求，以提供不同形式的个性化服务如知识导航、语义搜索和问答等。


 知识工程发展趋势可以归纳为四个方面。 


 四、我们的相关工作
下面首先介绍我们实验室在ACL2017上发表论文基于实体提及表示学习的实体链接工作。实体链接是知识图谱中的基础研究问题。有两个挑战，一是文本中同一个实体会有多个提及形式，例如独立日可以用Independence Day，也可以July First。二是同一个短语可能会对应不同的实体，独立日有可能指电影，也可能是节日。因此，组成实体提及的词或者短语具有多义性。 




 我们提出一种词、实体提及和实体的联合表示学习模型，学习实体提及不同语义的向量表示，实现了基于实体提及的无监督实体链接方法，取得了高精度的实体链接结果。以此为主要技术研制实现的跨语言实体链接工具XLink已经应用于我们开发的跨语言知识图谱系统XLORE中，并提供中英文文本的实体链接服务。




 
另一项工作，是我们实验室唐杰主持的从2006年就开始上线运行的科技大数据的挖掘和服务平台AMiner。AMiner目标一是建立科技领域知识图谱，二是对研究者进行画像，获取研究者兴趣和研究者信息，最终实现知识推荐等智能服务。 


 Aminer在专家搜索方面利用专家结构化信息提供精细化的搜索服务。例如输入“美国”、“数据挖掘”和“华裔女性”就能得到满足用户需求的结果。Aminer 还可以通过专家基本信息、研究成果等进行专家画像，做研究者研究兴趣的演化分析；可以根据用户需求动态建立全球人才分布地图；可以做会议影响力分析；提供论文、研究报告评审专家推荐等。AMiner还建立了100余个专家智库。 



总结汇报内容。首先，从数据、信息、知识到智能概念及关系看知识工程的在机器智能中重要性；其次，知识图谱将互联网信息表达成更接近人类认知世界的形式，可以将互联网内容从符号转化为计算机可理解和计算的语义信息，可以更好地理解互联网内容；然后，知识工程从大数据中挖掘知识，可以弥合大数据机器学习底层特征与人类认知的鸿沟；最后，构建大数据环境下由数据向知识转化的知识引擎，是实现从互联网信息服务到知识服务新业态的核心技术。 







人工智能赛博物理操作系统AI-CPS OS“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）分支用来的今天，企业领导者必须了解如何将“技术”全面渗入整个公司、产品等“商业”场景中，利用AI-CPS OS形成数字化+智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和自我的焕然新生。

AI-CPS OS的真正价值并不来自构成技术或功能，而是要以一种传递独特竞争优势的方式将自动化+信息化、智造+产品+服务和数据+分析一体化，这种整合方式能够释放新的业务和运营模式。如果不能实现跨功能的更大规模融合，没有颠覆现状的意愿，这些将不可能实现。

领导者无法依靠某种单一战略方法来应对多维度的数字化变革。面对新一代技术+商业操作系统AI-CPS OS颠覆性的数字化+智能化力量，领导者必须在行业、企业与个人这三个层面都保持领先地位：
重新行业布局：你的世界观要怎样改变才算足够？你必须对行业典范进行怎样的反思？
重新构建企业：你的企业需要做出什么样的变化？你准备如何重新定义你的公司？
重新打造自己：你需要成为怎样的人？要重塑自己并在数字化+智能化时代保有领先地位，你必须如何去做？
AI-CPS OS是数字化智能化创新平台，设计思路是将大数据、物联网、区块链和人工智能等无缝整合在云端，可以帮助企业将创新成果融入自身业务体系，实现各个前沿技术在云端的优势协同。AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量与行业、企业及个人三个层面的交叉，形成了领导力模式，使数字化融入到领导者所在企业与领导方式的核心位置：精细：这种力量能够使人在更加真实、细致的层面观察与感知现实世界和数字化世界正在发生的一切，进而理解和更加精细地进行产品个性化控制、微观业务场景事件和结果控制。
智能：模型随着时间（数据）的变化而变化，整个系统就具备了智能（自学习）的能力。
高效：企业需要建立实时或者准实时的数据采集传输、模型预测和响应决策能力，这样智能就从批量性、阶段性的行为变成一个可以实时触达的行为。
不确定性：数字化变更颠覆和改变了领导者曾经仰仗的思维方式、结构和实践经验，其结果就是形成了复合不确定性这种颠覆性力量。主要的不确定性蕴含于三个领域：技术、文化、制度。
边界模糊：数字世界与现实世界的不断融合成CPS不仅让人们所知行业的核心产品、经济学定理和可能性都产生了变化，还模糊了不同行业间的界限。这种效应正在向生态系统、企业、客户、产品快速蔓延。
AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量通过三个方式激发经济增长：
创造虚拟劳动力，承担需要适应性和敏捷性的复杂任务，即“智能自动化”，以区别于传统的自动化解决方案；
对现有劳动力和实物资产进行有利的补充和提升，提高资本效率；
人工智能的普及，将推动多行业的相关创新，开辟崭新的经济增长空间。

给决策制定者和商业领袖的建议：
超越自动化，开启新创新模式：利用具有自主学习和自我控制能力的动态机器智能，为企业创造新商机；
迎接新一代信息技术，迎接人工智能：无缝整合人类智慧与机器智能，重新评估未来的知识和技能类型；
制定道德规范：切实为人工智能生态系统制定道德准则，并在智能机器的开发过程中确定更加明晰的标准和最佳实践；
重视再分配效应：对人工智能可能带来的冲击做好准备，制定战略帮助面临较高失业风险的人群；
开发数字化+智能化企业所需新能力：员工团队需要积极掌握判断、沟通及想象力和创造力等人类所特有的重要能力。对于中国企业来说，创造兼具包容性和多样性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。”  《论语·子路》云计算、大数据、物联网、区块链和 人工智能，像君子一般融合，一起体现科技就是生产力。
如果说上一次哥伦布地理大发现，拓展的是人类的物理空间。那么这一次地理大发现，拓展的就是人们的数字空间。在数学空间，建立新的商业文明，从而发现新的创富模式，为人类社会带来新的财富空间。云计算，大数据、物联网和区块链，是进入这个数字空间的船，而人工智能就是那船上的帆，哥伦布之帆！
新一代技术+商业的人工智能赛博物理操作系统AI-CPS OS作为新一轮产业变革的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎。重构生产、分配、交换、消费等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态、新模式。引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。

产业智能官  AI-CPS用“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能），在场景中构建状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升的认知计算和机器智能；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。





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新技术：“云计算”、“大数据”、“物联网”、“区块链”、“人工智能”；新产业：“智能制造”、“智能农业”、“智能金融”、“智能零售”、“智能城市”[b]、“智能驾驶”[/b]；新模式：“财富空间”、“数据科学家”、“赛博物理”、“供应链金融”。官方网站：AI-CPS.NET
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