1.2 知识图谱的发展历史

知识图谱并非突然出现的新技术，而是历史上很多相关技术相互影响和继承发展的结果，包括语义网络、知识表示、本体论、Semantic Web、自然语言处理等，有着来自Web、人工智能和自然语言处理等多方面的技术基因。从早期的人工智能发展历史来看， Semantic Web是传统人工智能与Web融合发展的结果，是知识表示与推理在Web中的应用；RDF（Resource Description Framework，资源描述框架）、OWL（Web Ontology Language，网络本体语言）都是面向Web设计实现的标准化的知识表示语言；而知识图谱则可以看作是Semantic Web的一种简化后的商业实现，如图1-2所示。

图1-2 从语义网络到知识图谱

在人工智能的早期发展流派中，符号派（Symbolism）侧重于模拟人的心智，研究怎样用计算机符号表示人脑中的知识并模拟心智的推理过程；连接派（Connectionism）侧重于模拟人脑的生理结构，即人工神经网络。符号派一直以来都处于人工智能研究的核心位置。近年来，随着数据的大量积累和计算能力的大幅提升，深度学习在视觉、听觉等感知处理中取得突破性进展，进而又在围棋等博弈类游戏、机器翻译等领域获得成功，使得人工神经网络和机器学习获得了人工智能研究的核心地位。深度学习在处理感知、识别和判断等方面表现突出，能帮助构建聪明的人工智能，但在模拟人的思考过程、处理常识知识和推理，以及理解人的语言方面仍然举步维艰。

哲学家柏拉图把知识（Knowledge）定义为“Justified True Belief”，即知识需要满足三个核心要素：合理性（Justified）、真实性（True）和被相信（Believed）。简而言之，知识是人类通过观察、学习和思考有关客观世界的各种现象而获得并总结出的所有事实（Fact）、概念（Concept）、规则（Rule）或原则（Principle）的集合。人类发明了各种手段来描述、表示和传承知识，如自然语言、绘画、音乐、数学语言、物理模型、化学公式等。具有获取、表示和处理知识的能力是人类心智区别于其他物种心智的重要特征。人工智能的核心也是研究怎样用计算机易于处理的方式表示、学习和处理各种各样的知识。知识表示是现实世界的可计算模型（Computable Model of Reality）。从广义上讲，神经网络也是一种知识表示形式，如图1-3所示。

图1-3 知识图谱帮助构建有学识的人工智能

符号派关注的核心正是知识的表示和推理（KRR,Knowledge Representation and Reasoning）。早在1960年，认知科学家Allan M.Collins提出用语义网络（Semantic Network）研究人脑的语义记忆。例如，WordNet[23]是典型的语义网络，它定义了名词、动词、形容词和副词之间的语义关系。WordNet被广泛应用于语义消歧等自然语言处理领域。

1970年，随着专家系统的提出和商业化发展，知识库（Knowledge Base）构建和知识表示更加得到重视。专家系统的基本想法是：专家是基于大脑中的知识来进行决策的，因此人工智能的核心应该是用计算机符号表示这些知识，并通过推理机模仿人脑对知识进行处理。依据专家系统的观点，计算机系统应该由知识库和推理机两部分组成，而不是由函数等过程性代码组成。早期的专家系统最常用的知识表示方法包括基于框架的语言（Frame-based Languages）和产生式规则（Production Rules）等。框架语言主要用于描述客观世界的类别、个体、属性及关系等，较多地被应用于辅助自然语言理解。产生式规则主要用于描述类似于IF-THEN的逻辑结构，适合于刻画过程性知识。

知识图谱与传统专家系统时代的知识工程有着显著的不同。与传统专家系统时代主要依靠专家手工获取知识不同，现代知识图谱的显著特点是规模巨大，无法单一依靠人工和专家构建。如图1-4所示，传统的知识库，如Douglas Lenat从1984年开始创建的常识知识库Cyc，仅包含700万条的事实描述（Assertion）。Wordnet主要依靠语言学专家定义名词、动词、形容词和副词之间的语义关系，目前包含大约20万条的语义关系。由著名人工智能专家Marvin Minsky于1999年起开始构建的ConceptNet[24]常识知识库依靠了互联网众包、专家创建和游戏三种方法，但早期的ConceptNet规模在百万级别，最新的ConceptNet 5.0也仅包含2800万个RDF三元组关系描述。谷歌和百度等现代知识图谱都已经包含超过千亿级别的三元组，阿里巴巴于2017年8月发布的仅包含核心商品数据的知识图谱也已经达到百亿级别。DBpedia已经包含约30亿个RDF三元组，多语种的大百科语义网络BabelNet包含19亿个RDF三元组[25],Yago3.0包含1.3亿个元组，Wikidata已经包含4265万条数据条目，元组数目也已经达到数十亿级别。截至目前，开放链接数据项目Linked Open Data统计了其中有效的2973个数据集，总计包含大约1494亿个三元组。

图1-4 现代知识图谱的规模化发展

现代知识图谱对知识规模的要求源于“知识完备性”难题。冯·诺依曼曾估计单个个体大脑的全量知识需要2.4×1020个bits存储[26]。客观世界拥有不计其数的实体，人的主观世界还包含无法统计的概念，这些实体和概念之间又具有更多数量的复杂关系，导致大多数知识图谱都面临知识不完全的困境。在实际的领域应用场景中，知识不完全也是困扰大多数语义搜索、智能问答、知识辅助的决策分析系统的首要难题。