論文專(zhuān)欄：KDD2020知識(shí)圖譜相關(guān)論文分享

論文解讀者：北郵 GAMMA Lab 博士生 閆博

題目：魯棒的跨語(yǔ)言知識(shí)圖譜實(shí)體對(duì)齊

會(huì)議：KDD 2020

論文地址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3394486.3403268

代碼地址：https://github.com/scpei/REA

推薦理由：這篇論文首次提出了跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊中的噪音問(wèn)題，并提出了一種基于迭代訓(xùn)練的除噪算法，從而進(jìn)行魯棒的跨語(yǔ)言知識(shí)圖譜實(shí)體對(duì)齊。本工作對(duì)后續(xù)跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊的去噪研究具有重要的開(kāi)創(chuàng)性意義。

跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊旨在將不同知識(shí)圖譜中語(yǔ)義相似的實(shí)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)，它是知識(shí)融合和知識(shí)圖譜連接必不可少的研究問(wèn)題，現(xiàn)有方法只在有干凈標(biāo)簽數(shù)據(jù)的前提下，采用有監(jiān)督或半監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了研究。但是，來(lái)自人類(lèi)注釋的標(biāo)簽通常包含錯(cuò)誤，這可能在很大程度上影響對(duì)齊的效果。因此，本文旨在探索魯棒的實(shí)體對(duì)齊問(wèn)題，提出的REA模型由兩個(gè)部分組成：噪聲檢測(cè)和基于噪聲感知的實(shí)體對(duì)齊。噪聲檢測(cè)是根據(jù)對(duì)抗訓(xùn)練原理設(shè)計(jì)的，基于噪聲感知的實(shí)體對(duì)齊利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)知識(shí)圖譜進(jìn)行建模。兩個(gè)部分迭代進(jìn)行訓(xùn)練，從而讓模型去利用干凈的實(shí)體對(duì)來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的表示學(xué)習(xí)。在現(xiàn)實(shí)世界的幾個(gè)數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了提出的方法的有效性，并且在涉及噪聲的情況下，此模型始終優(yōu)于最新方法，并且在準(zhǔn)確度方面有顯著提高。

1 引言

現(xiàn)有方法在進(jìn)行跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊時(shí)沒(méi)有考慮噪音問(wèn)題，而這些噪音可能會(huì)損害模型的效果。如圖1所示，（a）中的兩個(gè)不同語(yǔ)言的知識(shí)圖譜存在實(shí)體對(duì)噪音（虛線表示的實(shí)體對(duì)1-4），（b）是理想狀況下節(jié)點(diǎn)在特征空間中的表示，可以看出不同語(yǔ)言知識(shí)圖譜中具有相似語(yǔ)義的實(shí)體在特征空間中也相近。（c）是利用含有噪音的訓(xùn)練數(shù)據(jù)得到的節(jié)點(diǎn)特征表示，由于噪音的存在，節(jié)點(diǎn)的表示存在了一定的偏差。我們希望跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊是魯棒性的，即使訓(xùn)練數(shù)據(jù)中存在噪音，模型也能盡量減少噪音的消極影響，得到如圖（b）中的表示。為了克服現(xiàn)有的跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊方法在處理帶噪標(biāo)簽實(shí)體對(duì)時(shí)存在的局限性，本文探討了如何將噪聲檢測(cè)與實(shí)體對(duì)齊模型結(jié)合起來(lái)，以及如何共同訓(xùn)練它們以對(duì)齊不同語(yǔ)言知識(shí)圖譜中的實(shí)體。

圖1噪音對(duì)跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊模型效果的影響示意圖

問(wèn)題定義

噪音檢測(cè)和魯棒性圖表示學(xué)習(xí):在一個(gè)存在噪音的場(chǎng)景下，代表所有的用于訓(xùn)練的實(shí)體對(duì)（可能包含噪音），代表中確定的干凈的實(shí)體對(duì)，代表不確定是否含有噪音的實(shí)體對(duì)。魯棒性的跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊模型利用給定的和，去對(duì)齊知識(shí)圖譜中的剩余實(shí)體，并且能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)中的噪音實(shí)體對(duì)。

這個(gè)問(wèn)題是不平凡的，主要存在兩方面的挑戰(zhàn)：（1）沒(méi)有明顯的噪音知識(shí)加以利用，即我們不知道訓(xùn)練數(shù)據(jù)中哪些是噪音數(shù)據(jù)，所以傳統(tǒng)的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法無(wú)法使用，提出的模型需要以一種無(wú)監(jiān)督的方式自動(dòng)檢測(cè)出訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的噪音實(shí)體對(duì)。（2）提出一個(gè)統(tǒng)一的模型。此模型要既能檢測(cè)出訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的噪音，還能進(jìn)行有效的跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊。

2 方法

魯棒性的跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊模型（REA）包括兩個(gè)部分。一是基于噪音感知的實(shí)體對(duì)齊模型，這一部分主要是利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)不同語(yǔ)言的兩個(gè)知識(shí)圖譜進(jìn)行統(tǒng)一建模，學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)的表示，訓(xùn)練時(shí)只使用。二是噪音檢測(cè)模塊，作者采用了基于對(duì)抗訓(xùn)練的方式，利用生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）來(lái)檢測(cè)噪音。噪音實(shí)體對(duì)生成器接受干凈實(shí)體對(duì)輸入，然后進(jìn)行采樣生成噪音實(shí)體對(duì)；噪音判別器以干凈實(shí)體對(duì)和噪音實(shí)體對(duì)為輸入，訓(xùn)練一個(gè)能判別噪音的模型，同時(shí)對(duì)輸入的實(shí)體對(duì)產(chǎn)生一個(gè)信任分?jǐn)?shù)，將信任分?jǐn)?shù)大于閾值的實(shí)體對(duì)加入，用于實(shí)體對(duì)齊模塊節(jié)點(diǎn)的表示學(xué)習(xí)。上述兩個(gè)模塊迭代進(jìn)行訓(xùn)練，直到收斂。下面詳細(xì)介紹這兩個(gè)模塊。

圖2REA模型示意圖

2.1 基于噪音感知的實(shí)體對(duì)齊模型

這一部分主要是對(duì)知識(shí)圖譜節(jié)點(diǎn)的表示學(xué)習(xí)。對(duì)于知識(shí)圖譜中任意的三元組，定義從傳到的信息為：

具體為：

其中和是節(jié)點(diǎn)一階鄰居的個(gè)數(shù)。最終經(jīng)過(guò)圖的信息傳播后節(jié)點(diǎn)的表示為：

損失函數(shù)采用基于間隔的排序損失（margin-based ranking objective）：

這里代表信任分?jǐn)?shù)，又噪音檢測(cè)模塊輸出，即當(dāng)實(shí)體對(duì)的信任分?jǐn)?shù)超過(guò)閾值時(shí)，此實(shí)體對(duì)才被認(rèn)為是正確的，才會(huì)被加入訓(xùn)練集。代表margin loss，是一個(gè)超參數(shù)。是一個(gè)衡量實(shí)體對(duì)相似性的函數(shù)，由能量函數(shù)定義：

負(fù)樣本對(duì)由隨機(jī)替換頭或尾實(shí)體得到。

2.2 噪音檢測(cè)模塊

噪音檢測(cè)模塊分為噪音對(duì)生成器和噪音對(duì)判別器，由生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)不同的一點(diǎn)是，噪音對(duì)生成器不是由模型訓(xùn)練產(chǎn)生噪音對(duì)，而是由采樣生成。噪音對(duì)生成器利用實(shí)體對(duì)齊模塊生成的真實(shí)實(shí)體對(duì)表示作為輸入，然后通過(guò)替換掉頭或尾實(shí)體采樣得到噪音實(shí)體對(duì)。噪音實(shí)體對(duì)的采樣概率如下式所示：

其中是一個(gè)簡(jiǎn)單的兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，衡量了兩個(gè)實(shí)體的語(yǔ)義相似性，兩個(gè)實(shí)體越相似，越不容易被采樣到，這是自然的，因?yàn)樯善鞅緛?lái)就是用來(lái)生成噪音的。為了減少采樣空間過(guò)大帶來(lái)的計(jì)算量代價(jià)，采樣只在負(fù)樣本空間的一個(gè)子空間進(jìn)行：

此外，由于采樣過(guò)程是無(wú)法利用傳統(tǒng)的基于梯度下降方法求參數(shù)，所以本文采用了基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的參數(shù)求解算法，具體來(lái)說(shuō)：

對(duì)所有負(fù)樣本的梯度求解近似為對(duì)k個(gè)采樣的負(fù)樣本的梯度求解，可以看作當(dāng)前的狀態(tài)，可以看作策略，看作是動(dòng)作，代表獎(jiǎng)勵(lì)。

噪音判別器以實(shí)體對(duì)作為輸入，輸出實(shí)體對(duì)為真實(shí)實(shí)體對(duì)的概率：

越大，實(shí)體對(duì)越有可能為真實(shí)實(shí)體對(duì)，定義實(shí)體對(duì)的信任得分為：

信任得分為1的實(shí)體對(duì)將返回給實(shí)體對(duì)齊模型，繼續(xù)訓(xùn)練。

2.3 算法流程

REA模型采用的是一個(gè)迭代的算法，在每次迭代中，算法依次進(jìn)行三部分的參數(shù)訓(xùn)練。首先是利用干凈的實(shí)體對(duì)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的表示學(xué)習(xí)(4-7)；然后對(duì)噪音實(shí)體對(duì)判別器進(jìn)行訓(xùn)練(8-12)；最后對(duì)噪音實(shí)體對(duì)生成器進(jìn)行訓(xùn)練(13-17)。一次迭代完成后，更新中實(shí)體對(duì)的信任得分，將信任得分等于1的實(shí)體對(duì)加入。具體算法如下所示。

3 實(shí)驗(yàn)

作者在兩個(gè)數(shù)據(jù)集DBP15K和DWY100K包含的5個(gè)跨語(yǔ)言知識(shí)圖譜上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。采用Hits@1，Hits@5，MRR做為評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，其中REA-KE是去掉噪音檢測(cè)模塊得到的結(jié)果。

本模型中，噪音實(shí)體對(duì)判別器的檢測(cè)能力至關(guān)重要，所以作者也測(cè)試了噪音判別器對(duì)噪音數(shù)據(jù)的檢測(cè)能力。如下所示，噪音數(shù)據(jù)的比例為20%和40%時(shí)，判別器都有一個(gè)較好的檢測(cè)噪音的效果。但是由于知識(shí)圖譜的不完整性，仍有大量真實(shí)實(shí)體對(duì)被檢測(cè)為噪音。

當(dāng)干凈的實(shí)體對(duì)數(shù)據(jù)()增加的時(shí)候，模型效果也會(huì)變好;而當(dāng)噪音數(shù)據(jù)增加的時(shí)候，模型效果就會(huì)降低。而REA在有噪音的情況下表現(xiàn)是最好的。這也說(shuō)明了噪音對(duì)跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊有很大的影響，REA能有效地處理噪音問(wèn)題。如圖3和圖4所示。

圖3干凈實(shí)體對(duì)的數(shù)量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

圖4噪音實(shí)體對(duì)的數(shù)量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

最后，作者還測(cè)試了不同類(lèi)型的噪音對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。噪音的不同類(lèi)型由它們采樣時(shí)離真實(shí)實(shí)體的距離所定。圖5分別測(cè)試了噪音實(shí)體離真實(shí)實(shí)體距離為10，50，100和全局的情形下模型的效果。

圖5噪音類(lèi)型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

從圖5可以看出，噪音離真實(shí)實(shí)體越遠(yuǎn)，即與真實(shí)實(shí)體的語(yǔ)義差別越大時(shí)，模型效果降低越多。當(dāng)距離大于50后，模型效果幾乎不再變化，這也說(shuō)明了離真實(shí)實(shí)體大于一定距離時(shí)，噪音對(duì)模型的負(fù)面效果趨于穩(wěn)定。而當(dāng)噪音實(shí)體離真實(shí)數(shù)據(jù)越近，模型效果越好，這是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)檫@樣越接近干凈的標(biāo)注數(shù)據(jù)。在所有的4種情況下，REA均取得了最好的效果。

4 總結(jié)

在標(biāo)注跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊語(yǔ)料過(guò)程中不可避免地會(huì)引入噪音?，F(xiàn)有方法沒(méi)有考慮噪音問(wèn)題，損害了實(shí)體對(duì)齊的效果。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了魯棒性的跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊模型REA。REA通過(guò)一種迭代訓(xùn)練的方式，在每一輪訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模知識(shí)圖譜中的實(shí)體對(duì)，得到噪聲感知的實(shí)體對(duì)齊模塊，然乎利用生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)來(lái)生成噪音實(shí)體對(duì)并訓(xùn)練一個(gè)噪音判別器，噪音判別器識(shí)別出干凈的實(shí)體對(duì)加入訓(xùn)練集繼續(xù)訓(xùn)練。大量的實(shí)驗(yàn)證明了REA在魯棒性跨語(yǔ)言實(shí)體對(duì)齊任務(wù)上的有效性。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：【KDD20】魯棒的跨語(yǔ)言知識(shí)圖譜實(shí)體對(duì)齊

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