基于知識圖譜的交互式智能兒童玩具設計研究

周君豪　李源楓　金明暉　勵雨晴

摘? 要：知識圖譜利用可視化的圖譜結構構建不同領域的知識庫，為相關領域知識的應用提供數(shù)據(jù)支持。研究基于知識圖譜的交互式智能兒童玩具構建方式，即通過圖數(shù)據(jù)庫技術進行知識提取，能夠構建知識圖譜的實體關系，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的迭代更新。闡述基于知識圖譜的交互式智能兒童玩具個性化設計，以及知識圖譜在兒童學習指導玩具上的應用，可以針對兒童玩具的娛樂性進行更深入地分析。

關鍵詞：知識圖譜;兒童玩具;人工智能;數(shù)據(jù)庫;個性化

一、知識圖譜概念闡述

隨著通信技術及計算機技術的發(fā)展，人類社會進入了信息時代，自此，信息數(shù)據(jù)呈爆炸性增長。信息的爆炸性增長既為人類帶來了豐富的信息閱覽體驗，也使人類迷失在海量的與人類需求有關或無關的信息中。為了解決信息過載的問題，“語義網(wǎng)絡”作為一種全新的知識表達方式被提出，并逐步發(fā)展為“知識圖譜”。

（一）知識圖譜的定義

知識圖譜是以圖的形式表現(xiàn)客觀世界中的實體（概念）及其之間關系的知識庫[1]。2012年5月，Google在其官方網(wǎng)站發(fā)布Introducing the Knowledge Graph： Thing， not Strings， 首次提出了知識圖譜（Knowledge Graph）的概念[2]。隨著科學技術的發(fā)展，知識圖譜在很多方面取得了跨越性的進步，尤其是數(shù)據(jù)庫應用及圖像識別技術，這些技術的發(fā)展使得知識圖譜能夠涉及到人類生活的各個方面。

知識圖譜由數(shù)據(jù)層 （data layer） 和模式層 （schema layer） 兩部分構成[3]。（如圖1）數(shù)據(jù)層主要是由一系列的事實組成，而知識將以事實為單位進行存儲;模式層構建在數(shù)據(jù)層之上，是知識圖譜的核心，通常采用本體庫來管理知識圖譜的模式層[4]。模式層對數(shù)據(jù)層起到約束作用，利用兩者的聯(lián)系來支持知識圖譜中龐大的知識網(wǎng)絡，其中包含繁雜的知識庫，它通常利用本體（ontology）對其進行分類。本體可以采用人工編輯的方式手動構建（借助本體編輯軟件），也可以以數(shù)據(jù)驅動的自動化方式構建本體[5]。在本體的作用下，知識圖譜在不斷地收集、整合數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行效率更高。

（二）知識圖譜的應用意義和必要性

從知識圖譜的覆蓋范圍劃分，知識圖譜可以分為行業(yè)內(nèi)的領域知識圖譜和面向全領域的開放域知識圖譜，并分別起到精準指導和常識性指導的作用。知識圖譜利用其可視化的特征將復雜的網(wǎng)絡結構組織和海量互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉化成易理解的表達方式，嚴密地反映出實體與概念間的聯(lián)系。知識圖譜的建立，能夠對相關領域的內(nèi)容進行智能化和全面化的多維度分析，并客觀地為相關科研方向指出發(fā)力點和落腳點。

在信息與技術的發(fā)展下，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)不斷地擴大與更新。面對龐大的數(shù)據(jù)庫，其分類與管理成為目前大數(shù)據(jù)時代的主要問題。早期的知識圖譜主要應用于搜索引擎，用戶能夠通過他們所描述的特征得到相關反饋，其反饋程度與用戶所描述內(nèi)容詳細程度呈正相關。它與傳統(tǒng)的搜索引擎相比，具有更強大的知識表達能力與數(shù)據(jù)儲備能力，并根據(jù)用戶特征進行個性化搜索，數(shù)據(jù)結果更具相關性。因此知識圖譜于當前大數(shù)據(jù)模式有很大的發(fā)展空間與優(yōu)勢。

（三）交互式兒童玩具與知識圖譜的聯(lián)系

近幾年，兒童玩具的智能化趨勢日益明顯。兒童玩具的設計不僅重在提升其本身的可玩度，也是作為兒童啟蒙式教育的方式。因此未來的玩具將以智能、交互為主要設計方向，玩具設計更具人性化。

知識圖譜的應用促進了當前人工智能技術的發(fā)展，本文中交互式智能兒童玩具作為載體將知識圖譜應用其中，相關功能包括語意搜索、智能問答、個性化推薦等。通過知識圖譜的知識采集、知識融合、知識存儲等技術對使用者進行相關性分析，并利用可視化的表達方式，將反饋結果以最有效的方式呈現(xiàn)給用戶。其中，在語意搜索及智能問答應用中，交互式智能兒童玩具利用數(shù)據(jù)分析條件與兒童搭建交互關系，在執(zhí)行過程中采集、分析兒童的數(shù)據(jù)并傳輸至玩具數(shù)據(jù)庫中，使其不斷得到迭代更新。

二、交互式智能兒童玩具的知識圖譜構建

知識圖譜的構建對交互式智能兒童玩具的個性化設計至關重要。個性化設計是交互式智能兒童玩具保持新穎性、流行性與易用性的重要手段，其被運用到兒童玩具的各個功能或非功能模塊，將增加兒童對兒童玩具的親和性，減少排斥，強化兒童玩具的使用效果，擴大兒童玩具的受眾范圍。知識圖譜的構建包括知識提取、知識圖譜架構、知識層面應用。兒童玩具領域的知識圖譜的構建基于上述步驟，并對領域內(nèi)知識分析從簡單實體間關系分析推進到多維復雜關系分析。

（一）交互式智能兒童玩具的知識圖譜分析

在對兒童玩具領域內(nèi)實體、關系和屬性進行提取的基礎上，綜合領域本體的數(shù)據(jù)模式和知識網(wǎng)絡的結構關系，借助圖數(shù)據(jù)庫技術，從研究中所采集的數(shù)據(jù)中提取實體、關系、屬性。通過對兒童玩具領域相關知識的分析和研究，總結出以下兩個基本要素：兒童基本信息和玩具基本信息。這些基本信息是組成交互式智能兒童玩具知識圖譜的實體集合，并從兩個實體向外延伸出多維度的復雜關系。在此基礎上，對知識圖譜在交互式智能兒童玩具的應用途徑進行探索。

根據(jù)交互式智能兒童玩具的知識圖譜需求和應用途徑，功能設定上可能涉及不同的技術，包括知識獲取、知識存儲、知識推理等。知識獲取主要應用于前期的框架構建階段，是對兒童玩具知識領域的實體抽取和關系定義;知識存儲是構成知識圖譜本題庫的關鍵技術，它包括將獲取的知識進行融合，并對其進行數(shù)據(jù)處理分析;知識推理是實現(xiàn)知識圖譜在交互式智能兒童玩具應用的基本方式，其主要利用OWL語言對構成的知識體系進行語意理解，并獲取新的知識及結論。

（二）交互式智能兒童玩具的知識圖譜構建

知識圖譜的構建方式主要有兩種：自頂向下和自底向上。為了實現(xiàn)知識的完整性和延續(xù)性，本研究采取兩者結合的方式進行本題庫的搭建。這種混合的方式主要建立在知識抽取的基礎上歸納構建模式層，并使其在運行過程中對新的知識和數(shù)據(jù)進行再歸納，從而迭代更新模式層，并對基于更新后的模式層進行新一輪的更新。

基于知識圖譜數(shù)據(jù)庫規(guī)模和結構的復雜程度，可以采用圖數(shù)據(jù)庫作為基本存儲方式。圖數(shù)據(jù)庫的基本含義是以“圖”這種數(shù)據(jù)結構存儲和查詢數(shù)據(jù)，以節(jié)點和邊來體現(xiàn)主要數(shù)據(jù)模型[6]，圖中的節(jié)點表示知識圖譜中的實體，圖中的邊表示知識圖譜中的實體間的關系或實體的屬性。通過各節(jié)點之間的聯(lián)系，我們可以模擬兒童的各種交互場景，有兒童與玩具間的交互行為，有兒童與他人的活動過程，甚至有更多其他的場景。圖2是簡單實體間的關系，展示了兒童與玩具兩大實體間的交互關系，并通過它們擴展出的實體信息來構建其屬性和關系。

三、知識圖譜在交互式智能兒童玩具上的應用

不同種類的玩具功能結構的設定不同，知識圖譜與其他功能結構的結合方式需要以具體玩具功能需求為依據(jù)。基于兒童玩具的應用領域將知識圖譜的應用在個性化設計、教育指導、娛樂性三個方面進行闡述，列舉知識圖譜在交互式兒童玩具上的具有優(yōu)勢的部分應用方式。

（一）基于知識圖譜的兒童玩具個性化設計

知識圖譜是單純的知識庫，只有實物語義理解與知識儲存的功能，本身不帶有反饋屬性，但是基于知識圖譜，并使用個性化推薦技術可構建推薦系統(tǒng)，通過基于知識圖譜的推薦系統(tǒng)與兒童進行交互，可構建兒童的個性化行為特征模型。兒童行為特征模型的主要功能是對兒童在玩具實際使用過程中的行為特征信息進行收集整合。兒童行為特征模型對兒童玩具的個性化設計具有指導作用，即通過分析模型數(shù)據(jù)，分析出兒童的個性化需求，并建立兒童玩具的設計需求模型，從而實現(xiàn)兒童玩具的個性化設計。兒童行為特征模型依據(jù)兒童行為模式的變化修改，通過分析兒童行為特征模型，對兒童玩具的操作方式與功能進行修改，可實現(xiàn)基于知識圖譜的兒童玩具迭代設計。

（二）知識圖譜在指導兒童學習上的應用

知識圖譜是對人類認知層的模擬，擁有認知任何領域事物的功能，在推薦技術、指導方案推理技術與可理解化技術（語言、畫面、情景模擬技術等）等輔助技術的支持下能為用戶推薦任何領域問題的解決方案與學習性指導。推薦問題的解決方案與學習性指導的基礎是對問題有所理解，而知識圖譜正是能起到問題理解作用的知識分析、歸納工具。在具有一定重復性的問題上，用戶將問題處理方案的原始信息開放給知識圖譜學習，玩具通過知識圖譜學習進而在已有知識范圍內(nèi)將可用的處理方案推薦給用戶，達到降低用戶思考負擔與減少問題處理時間的目的。而在非重復性問題上，通過廣大用戶的問題處理方案原始信息上傳，數(shù)據(jù)庫中的方案資料也將逐漸豐富，玩具在了解兒童行為意圖的情況下能夠用最優(yōu)化的問題處理方案指導兒童。知識圖譜可學習的領域包括科學、藝術、語言、行為等所有人類能夠認知的領域，因此知識圖譜可以應用在任何領域的兒童學習指導上。知識圖譜應用在指導兒童學習上將使兒童的學習效率得到提高。

（三）知識圖譜在兒童玩具娛樂性上的應用

知識圖譜使兒童玩具能負載更加智能化的娛樂方式，如兒童玩具能通過調(diào)用知識圖譜中關于兒童與兒童、成人與兒童、動物與兒童等任何一種交互模式的知識網(wǎng)絡，展現(xiàn)最真實的角色扮演，在如交互式繪畫生成、交互式動畫生成、游戲模擬等任何領域的智能化娛樂方式的功能運行過程中，知識圖譜都能作為最完美的機器學習工具。另外，知識圖譜可通過一定安全范圍內(nèi)的試錯生成新的娛樂方式，也可通過試錯使已有的娛樂方式的趣味性達到最高。知識圖譜使兒童玩具的娛樂方式發(fā)展更加迅速。

四、結語

知識圖譜是人工智能的基礎，是人工智能認知與記憶的工具，其在交互式智能兒童玩具上的應用使交互式兒童玩具更加智能化，使交互式兒童玩具的設計更能配合不同兒童的情感和行為特征。知識圖譜在交互式兒童玩具上的應用將使兒童玩具的功能領域在智能化的方向進一步擴展，使兒童玩具在諸如教育、娛樂等已有功能領域的效用更加深化，將使兒童玩具的發(fā)展進一步加速。值得進一步研究的工作有“知識圖譜在兒童玩具上的應用對兒童玩具使用者產(chǎn)生的影響”與“知識圖譜在兒童玩具上的應用限制”，這些研究工作將進一步確認知識圖譜在兒童玩具上的應用價值，進一步規(guī)范知識圖譜的應用方式，并避免研發(fā)資源浪費。近年來關于知識圖譜的研究與應用蓬勃發(fā)展，可以預見的是知識圖譜將以其強大的語義理解能力被應用在各種智能化設備中，成為未來智慧城市的重要組成部分。

參考文獻：

[1]黃恒琪，于娟，廖曉，席運江.知識圖譜研究綜述[J].計算機系統(tǒng)應用，2019（6）：1-12.

[2]王思茗，孫熊蘭，滕廣青，葉心，欒宇.知識圖譜在領域知識多維分析中的應用途徑研究[J].探索與交流，2019（3）：18-27.

[3]徐增林，盛泳潘，賀麗榮，王雅芳.知識圖譜技術綜述[J].電子科技大學學報，2016（4）：589–606.

[4]中科天璣大數(shù)據(jù).最全知識圖譜的概念篇[EB/0L].[2018-02-17].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1592653047313321258&wfr=spider&for=pc

[5]深度練習.知識圖譜在金融領域的作用[EBI0L].[2019-04-29].https：//www.cnblogs.com/chenyusheng0803/p/10792492.html.

[6]王一鳴.基于知識圖譜的推薦技術研究及應用[D].成都：電子科技大學，2018.

作者簡介：周君豪，浙江農(nóng)林大學暨陽學院。

李源楓，碩士，浙江農(nóng)林大學暨陽學院。

金明暉，浙江農(nóng)林大學暨陽學院。

勵雨晴，浙江農(nóng)林大學暨陽學院。