CN111104522A - 一种基于知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法,首先基于构建完整的产业知识图谱,使用TransE模型进行表示学习,将产业知识图谱内实体和关系向量化;将关联效应趋势预测问题看作马尔科夫决策问题,并初始化环境空间;用长短期记忆网络LSTM对历史路径信息进行编码,提取历史路径特征;使用自注意力机制提取当前节点的邻接节点特征;基于历史路径特征和邻接节点特征,使用两层全连接神经网络构建策略网络模型,引导Agent进行下一步动作,最终Agent所到达的节点则为预测结果。本发明能够进行企业重大风险识别与防范、企业群集行为和企业群集事件发生带来的结果趋势预测,进而可以沙盘推演产业链上的发展情况,促进产业技术革命和优化升级。
Description
技术领域
本发明属于强化学习与自然语言处理技术领域,涉及一种区域产业关联效应趋势预测方法,具体涉及一种基于产业图谱的区域产业关联效应趋势预测方法,为宏观经济领域提供决策支持。
背景技术
随着互联网技术的高速发展,知识呈现爆炸式增长,知识图谱的规模也日渐庞大。大规模的知识图谱在很多应用中起到支撑作用,例如问答系统、智能推荐、趋势预测等。然而在大型的领域知识图谱中,很多事实是缺失的,因此知识推理和关联效应趋势预测引起了很多研究学者的关注。知识推理是指通过观察已有的知识做出推断产生新的知识,而关联效应趋势预测则是在知识推理的基础上更进一步做出的趋势预测。目前知识推理方法主要分为基于Embedding和基于路径的方法。
基于Embedding的方法是将知识图谱内的实体和关系在投影到低维的向量空间里进行表示,得到连续的实体和关系向量,并在向量空间里进行计算推理,如TransE、TransR等模型。基于Embedding的知识推理方法忽视了符号的组合性,效率高但在比较复杂的推理任务上存在局限性。
基于路径的方法主要是用连接两个实体的路径作为特征,来预测两个实体之间的关系。其中PRA算法通过随机游走来执行多个有界深度优先搜索过程以找到关系路径,但PRA算法在完全离散的空间中运行,难以评估和比较知识图谱中的相似实体和关系。最新的研究工作将知识推理公式化为顺序决策问题,并利用强化学习(RL)来执行有效的路径搜索,以最大化奖励。其中最为关键的是策略网络的设计,不同的设计模型效果不同。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足,而提出一种基于产业知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案为:一种基于知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:基于构建完整的产业知识图谱,使用TransE模型进行表示学习,将产业知识图谱内实体和关系向量化;
步骤2:将关联效应趋势预测问题看作马尔科夫决策问题,并初始化环境空间;
步骤3:用长短期记忆网络LSTM对历史路径信息进行编码,提取历史路径特征;
步骤4:使用自注意力机制,根据当前节点与邻接节点的相似程度,计算注意力系数,将注意力系数与邻接节点向量相乘,得到各个邻接节点的特征向量。基于所有的邻接节点特征向量,提取当前节点的邻接节点特征表示;
步骤5:基于历史路径特征和邻接节点特征,使用两层全连接神经网络构建策略网络模型,引导Agent进行下一步动作,最终Agent所到达的节点则为预测结果。
本发明的有益效果在于:本发明基于构建的产业图谱和轻量级的事理图谱,将关联效应趋势预测问题看作马尔科夫序列决策问题。通过强化学习和关联效应趋势预测,能够进行企业重大风险识别与防范、企业群集行为和企业群集事件发生带来的结果趋势预测,进而可以沙盘推演产业链上的发展情况,利用新一代的信息技术与产业深度融合,促进产业技术革命和优化升级。
附图说明
图1为本发明实施例点的流程图;
图2为本发明实施例点的模型结构图;
图3为本发明实施知识图谱向量化的示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
请见图1,本发明提供的一种基于知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法,本发明获得的模型结构图如图2所示,包括以下步骤:
步骤1:基于构建完整的产业知识图谱,使用TransE模型进行表示学习,将产业知识图谱内实体和关系向量化;
在知识图谱中,实体和关系都具有语义信息,无法直接用于计算和推理。因此需要进行语义表示学习。TransE模型其中一种,旨在将研究对象的语义信息表示为稠密的低维向量。其主要思想是基于构建完成的产业知识图谱,利用TransE模型将知识图谱内的每个知识三元组(eh,r,et)中的关系向量r看作头实体向量eh到尾实体向量et的翻译,如图3所示。通过不断调整关系向量r的值,使得头实体向量eh和关系向量r之和尽可能与尾实体向量et相等,即eh+r=et;
TransE模型的目标函数为:
其中,S表示知识图谱中的知识三元组,S’表示将三元组随机打乱后的负采样三元组;d表示距离函数,用来衡量h+r和t之间的距离。
TransE模型通过随机函数初始化实体和关系的嵌入向量表示。初始的向量无法正确表示知识图谱内的实体和关系,因此基于正样本和负样本知识三元组,和该目标函数计算模型损失,训练TransE模型,即通过不断调整关系向量r的值,使得头实体向量h和关系向量r之和尽可能与尾实体向量t相等,让其能正确的表示产业知识图谱内的实体和关系向量。
后续步骤中,产业知识图谱的知识三元组(eh,r,et)都为基于该模型的实体/关系向量表示;其中eh和et表示产业知识图谱内实体的嵌入向量,r表示关系的嵌入向量。
步骤2:将关联效应趋势预测问题看作马尔科夫决策问题(MDP),并初始化环境空间;
本实施例中,基于产业知识图谱,初始化Agent所在的图谱环境空间,其中环境空间包含一个四元组<S,A,T,R>,其中S表示实体的状态,A表示动作的集合,T表示转换函数,R表示从状态中获取的奖励;
其中,状态st=(es,et,rt),es表示Agent起始的实体向量,rt和et表示Agent在第t步时所选择的关系向量和到达的新实体向量。在Agent做第t+1步选择时,(rt,et)表示历史路径信息。
动作空间A用Agent第t步所在的实体et的所有邻接实体表示,At={(r,e)|(et,r,e)∈G},其中r表示关系,e表示邻接实体;为了能终止搜索和撤销潜在的错误决定,给每个实体加上自循环关系和相反关系;
转换函数T:st×at→st+1,表示状态的更新由Agent所选择的关系向量和到达的新实体向量表示;T(st,at)=(es,et+1,rt+1),其中st=(es,et,rt),表示Agent在t步所在的实体状态,at=(rt+1,et+1)表示Agent在第t+1步所选择的关系向量和到达的新实体向量;
奖励R通过Agent搜索结束时到达正确的目标实体来决定,到达正确的目标则奖励为1,否则为0。
步骤3:用长短期记忆网络LSTM对历史路径信息进行编码,提取历史路径特征;
本实施例中,历史路径信息包括Agent在第t+1步时,第t步所选择的关系rt以及Agent所到达的新实体et;通过LSTM网络对历史路径(rt,et)进行编码,提取历史路径特征;历史路径特征提取公式为:
h0=LSTM(0,[r0;es])
ht=LSTM(ht-1,[rt;et]),t>0
其中,h0表示开始时的历史路径特征,用起始关系r0和起始节点es表示。起始关系r0表示起始节点的自循环关系。ht表示第t步的历史路径特征,用于第t+1步Agent的选择。
步骤4:使用自注意力机制,根据当前节点与邻接节点的相似程度,计算注意力权重大小,将注意力权重大小与邻接节点向量相乘,得到各个邻接节点的特征向量。基于所有的邻接节点特征向量,提取当前节点的邻接节点特征表示;
本实施例中,为了保证Agent选择路径的多样性和防止某个实体的动作空间过大,会随机抛弃一些动作。因此为了避免邻接节点特征的遗失,使用自注意力机制提取当前节点的邻接节点特征,如图2中Self-Attention所示。
其中,αij表示j实体对i实体的注意力权重大小,Ni表i实体的所有邻接实体,f表示余弦相似度函数,ei和ej表示i实体和j实体的嵌入向量。最后ct表示当前实体的邻接节点特征表示,由所有邻接节点特征向量与注意力权重相乘累加得到。
步骤5:基于历史路径特征和邻接节点特征,使用两层全连接神经网络构建策略网络模型,引导Agent进行下一步动作,最终Agent所到达的节点则为预测结果;
本实施例中,策略网络模型为:
πθ(at|st,At)=f(At×W2ReLu(W1[et;ht;ct]))
其中,f()表示softmax函数,W1和W2表示全连接层的参数,et表示当前节点的向量化表示,ht表示步骤3中提取的历史路径特征,ct表示步骤4中使用自注意力机制提取的邻接节点特征,;表示级联操作;at表示Agent所选择的动作(rt+1,et+1),πθ(at|st,At)表示最后策略网络模型输出的动作空间的概率分布,选择最大概率的动作作为at。
步骤6:使用REINFORCE with Baseline方法计算策略网络模型损失,并使用梯度下降方法反向更新策略网络参数,得到最终训练好的产业知识图谱关联效应趋势预测模型;
vt=W2ReLu(W1[et;ht;ct])
其中,vt表示将状态向量转换为一个真实值,为REINFORCE算法中的baseline;J(θ)为策略网络的目标函数,▽θJ(θ)为梯度;T表示Agent所允许的最大步数,θ表示策略网络模型中的所有参数,包括LSTM层,全连接层等。πθ(at|st,At)表示策略网络模型输出的概率分布。
应当理解的是,上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:基于构建完整的产业知识图谱,使用TransE模型进行表示学习,将产业知识图谱内实体和关系向量化;
步骤2:将关联效应趋势预测问题看作马尔科夫决策问题,并初始化环境空间;
步骤3:用长短期记忆网络LSTM对历史路径信息进行编码,提取历史路径特征;
步骤4:使用自注意力机制,根据当前节点与邻接节点的相似程度,计算注意力权重大小,将注意力权重大小与邻接节点向量相乘,得到各个邻接节点的特征向量;基于所有的邻接节点特征向量,提取当前节点的邻接节点特征表示;
步骤5:基于历史路径特征和邻接节点特征表示,使用两层全连接神经网络构建策略网络模型,引导Agent进行下一步动作,最终Agent所到达的节点则为预测结果。
3.根据权利要求1所述的基于知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法,其特征在于:步骤2中,基于产业知识图谱,初始化Agent所在的图谱环境空间,其中环境空间包含一个四元组<S,A,T,R>,其中S表示实体的状态,A表示动作的集合,T表示转换函数,R表示从状态中获取的奖励;
其中,状态st=(es,et,rt),es表示Agent起始的实体向量,rt和et表示Agent在第t步时所选择的关系向量和到达的新实体向量;在Agent做第t+1步选择时,(rt,et)表示历史路径信息;
动作空间A用Agent第t步所在的实体et的所有邻接实体表示,At={(r,e)|(et,r,e)∈G},其中r表示关系,e表示邻接实体;为了能终止搜索和撤销潜在的错误决定,给每个实体加上自循环关系和相反关系;
转换函数T:st×at→st+1,表示状态的更新由Agent所选择的关系向量和到达的新实体向量表示;T(st,at)=(es,et+1,rt+1),其中st=(es,et,rt),表示Agent在t步所在的实体状态,at=(rt+1,et+1)表示Agent在第t+1步所选择的关系向量和到达的新实体向量;
奖励R通过Agent搜索结束时到达正确的目标实体来决定,到达正确的目标则奖励为1,否则为0。
4.根据权利要求3所述的基于知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法,其特征在于:步骤3中,历史路径信息包括Agent在第t+1步时,第t步所选择的关系rt以及Agent所到达的新实体et;通过LSTM网络对历史路径(rt,et)进行编码,提取历史路径特征;历史路径特征提取公式为:
h0=LSTM(0,[r0;es])
ht=LSTM(ht-1,[rt;et]),t>0
其中,h0表示开始时的历史路径特征,用起始关系r0和起始节点es表示;起始关系r0表示起始节点的自循环关系;ht表示第t步的历史路径特征,用于第t+1步Agent的选择。
6.根据权利要求3所述的基于知识图谱的区域产业关联效应趋势预测方法,其特征在于:步骤5中,所述策略网络模型为:
πθ(at|st,At)=f(At×W2ReLu(W1[et;ht;ct]))
其中,f()表示softmax函数,W1和W2表示全连接层的参数,et表示当前节点的向量化表示,ht表示步骤3中提取的历史路径特征,ct表示步骤4中使用自注意力机制提取的邻接节点特征,;表示级联操作;at表示Agent所选择的动作(rt+1,et+1),πθ(at|st,At)表示最后策略网络模型输出的动作空间的概率分布,选择最大概率的动作作为at。
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