基于LLM的知识图谱补全研究

研究背景与意义

知识图谱(KG)作为表示和推理结构化知识的重要框架，在信息检索、问答系统和决策支持等领域发挥着关键作用。然而，知识图谱的不完整性严重限制了其实际应用效果。随着生成式AI特别是大型语言模型(LLMs)的快速发展，为知识图谱补全带来了新的机遇。本文提出的方法充分利用了LLM的预训练知识和推理能力，结合图的拓扑结构信息，实现了更高效的知识图谱补全。

核心创新点

1. 生成式本体创建方法

• 利用LLM从原始知识图谱数据中直接提取结构化知识
• 通过迭代生成方法确保节点类别分配的一致性
• 为每个关系建立唯一的节点类别对，保持本体结构的规范性

• 拓扑信息增强的链接预测

• 结合生成的本体和图的拓扑信息进行链接预测
• 利用节点间的路径信息提供额外的推理依据
• 在传导性和归纳性设置下都表现出优异性能

• 候选解决方案生成机制

• 利用本体识别缺失三元组的候选解决方案
• 采用LLM进行正确解决方案的选择
• 不需要额外训练，具有即时应用性




技术方法详解

1. 本体生成流程

本文提出的本体生成方法包含以下关键步骤：

1. 数据预处理

• 合并训练图数据集，形成约90万个三元组的综合图谱
• 对每个关系采样50个连接示例用于本体类别推断

• 类别推断

• 使用GPT-4模型预测头尾实体的本体类别
• 允许模型复用已预测的类别，确保分类一致性
• 采用迭代方式处理同义词问题，避免类别重复

• 关系映射

• 为每个关系建立唯一的头尾节点类别对
• 将三元组(cvi,r,cvj)添加到本体集合E中
• 确保本体结构的清晰性和一致性

2. 链接预测方法

在知识图谱补全任务中，本文方法分为以下几个关键环节：

1. 本体信息利用

• 根据关系和已知节点类别推断缺失节点的类别
• 利用本体路径提供额外的推理线索
• 构建基于本体的推理链进行预测

• 拓扑信息整合

• 分析图中节点间的路径关系
• 利用现有连接模式辅助预测
• 结合本体路径和图路径进行综合推理

• 候选方案生成与选择

• 基于本体类别生成初始候选集
• 采用批处理方式处理大规模候选集
• 使用LLM进行最终候选选择




实验结果与分析

1. 数据集

实验采用ILPC-small和ILPC-large两个数据集：

ILPC-small数据集统计：

• 归纳训练图：10,230个节点，96种关系，78,616个三元组
• 传导训练图：6,653个节点，96种关系，20,960个三元组
• 本体图：36个节点，96种关系，96个三元组
• 推理测试图：6,653个节点，96种关系，2,902个三元组

ILPC-large数据集统计：

• 归纳训练图：46,626个节点，130种关系，202,446个三元组
• 传导训练图：29,246个节点，130种关系，77,044个三元组
• 本体图：42个节点，130种关系，130个三元组
• 推理测试图：29,246个节点，130种关系，10,184个三元组

2. 性能评估

实验采用Hit@k (k=1,3,10)作为评估指标，主要发现包括：

1. LLM基础性能

• GPT-4在无额外上下文情况下表现优异
• ILPC-small数据集上Hit@1达到0.132
• ILPC-large数据集上Hit@1达到0.146

• 候选方案增强效果

• 结合候选方案显著提升性能
• ILPC-small上Hit@1提升至0.172
• ILPC-large上Hit@1提升至0.177

• 本体信息贡献

• 本体信息进一步提升模型性能
• 归纳设置下性能显著优于基线方法
• 与现有最先进方法相比具有明显优势


研究局限性与未来展望

局限性：

1. 闭世界假设

• 本体构建后不支持新实体添加
• 限制了在动态知识图谱环境中的适应性

• 图密度依赖

• 方法效果受图数据集密度影响
• 稀疏图谱可能影响本体路径的有效性

未来研究方向：

1. 动态适应机制

• 研究在线学习技术
• 适应不断演化的知识图谱

• 外部信息整合

• 探索多源信息融合方法
• 增强知识图谱的完整性

• 实验验证扩展

• 在更多数据集上进行验证
• 探索不同应用场景的效果




结论

本文提出的方法在知识图谱补全任务中展现出显著优势，特别是：

1. 创新性地结合了LLM的推理能力和图的拓扑信息
2. 提出了高效的本体生成和利用方法
3. 在传导性和归纳性设置下都取得了优异性能
4. 不需要额外训练，具有即时应用价值

该研究为知识图谱补全领域提供了新的研究思路，也为LLM在结构化知识处理方面的应用提供了有益参考。