基于知識(shí)圖譜的交互式智能兒童玩具設(shè)計(jì)研究

周君豪　李源楓　金明暉　勵(lì)雨晴

摘? 要：知識(shí)圖譜利用可視化的圖譜結(jié)構(gòu)構(gòu)建不同領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)，為相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。研究基于知識(shí)圖譜的交互式智能兒童玩具構(gòu)建方式，即通過(guò)圖數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行知識(shí)提取，能夠構(gòu)建知識(shí)圖譜的實(shí)體關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的迭代更新。闡述基于知識(shí)圖譜的交互式智能兒童玩具個(gè)性化設(shè)計(jì)，以及知識(shí)圖譜在兒童學(xué)習(xí)指導(dǎo)玩具上的應(yīng)用，可以針對(duì)兒童玩具的娛樂(lè)性進(jìn)行更深入地分析。

關(guān)鍵詞：知識(shí)圖譜;兒童玩具;人工智能;數(shù)據(jù)庫(kù);個(gè)性化

一、知識(shí)圖譜概念闡述

隨著通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代，自此，信息數(shù)據(jù)呈爆炸性增長(zhǎng)。信息的爆炸性增長(zhǎng)既為人類(lèi)帶來(lái)了豐富的信息閱覽體驗(yàn)，也使人類(lèi)迷失在海量的與人類(lèi)需求有關(guān)或無(wú)關(guān)的信息中。為了解決信息過(guò)載的問(wèn)題，“語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)”作為一種全新的知識(shí)表達(dá)方式被提出，并逐步發(fā)展為“知識(shí)圖譜”。

（一）知識(shí)圖譜的定義

知識(shí)圖譜是以圖的形式表現(xiàn)客觀世界中的實(shí)體（概念）及其之間關(guān)系的知識(shí)庫(kù)[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(shí)圖譜（Knowledge Graph）的概念[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，知識(shí)圖譜在很多方面取得了跨越性的進(jìn)步，尤其是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用及圖像識(shí)別技術(shù)，這些技術(shù)的發(fā)展使得知識(shí)圖譜能夠涉及到人類(lèi)生活的各個(gè)方面。

知識(shí)圖譜由數(shù)據(jù)層 （data layer） 和模式層 （schema layer） 兩部分構(gòu)成[3]。（如圖1）數(shù)據(jù)層主要是由一系列的事實(shí)組成，而知識(shí)將以事實(shí)為單位進(jìn)行存儲(chǔ);模式層構(gòu)建在數(shù)據(jù)層之上，是知識(shí)圖譜的核心，通常采用本體庫(kù)來(lái)管理知識(shí)圖譜的模式層[4]。模式層對(duì)數(shù)據(jù)層起到約束作用，利用兩者的聯(lián)系來(lái)支持知識(shí)圖譜中龐大的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，其中包含繁雜的知識(shí)庫(kù)，它通常利用本體（ontology）對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。本體可以采用人工編輯的方式手動(dòng)構(gòu)建（借助本體編輯軟件），也可以以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化方式構(gòu)建本體[5]。在本體的作用下，知識(shí)圖譜在不斷地收集、整合數(shù)據(jù)庫(kù)的執(zhí)行效率更高。

（二）知識(shí)圖譜的應(yīng)用意義和必要性

從知識(shí)圖譜的覆蓋范圍劃分，知識(shí)圖譜可以分為行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)域知識(shí)圖譜和面向全領(lǐng)域的開(kāi)放域知識(shí)圖譜，并分別起到精準(zhǔn)指導(dǎo)和常識(shí)性指導(dǎo)的作用。知識(shí)圖譜利用其可視化的特征將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組織和海量互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成易理解的表達(dá)方式，嚴(yán)密地反映出實(shí)體與概念間的聯(lián)系。知識(shí)圖譜的建立，能夠?qū)ο嚓P(guān)領(lǐng)域的內(nèi)容進(jìn)行智能化和全面化的多維度分析，并客觀地為相關(guān)科研方向指出發(fā)力點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

在信息與技術(shù)的發(fā)展下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不斷地?cái)U(kuò)大與更新。面對(duì)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，其分類(lèi)與管理成為目前大數(shù)據(jù)時(shí)代的主要問(wèn)題。早期的知識(shí)圖譜主要應(yīng)用于搜索引擎，用戶(hù)能夠通過(guò)他們所描述的特征得到相關(guān)反饋，其反饋程度與用戶(hù)所描述內(nèi)容詳細(xì)程度呈正相關(guān)。它與傳統(tǒng)的搜索引擎相比，具有更強(qiáng)大的知識(shí)表達(dá)能力與數(shù)據(jù)儲(chǔ)備能力，并根據(jù)用戶(hù)特征進(jìn)行個(gè)性化搜索，數(shù)據(jù)結(jié)果更具相關(guān)性。因此知識(shí)圖譜于當(dāng)前大數(shù)據(jù)模式有很大的發(fā)展空間與優(yōu)勢(shì)。

（三）交互式兒童玩具與知識(shí)圖譜的聯(lián)系

近幾年，兒童玩具的智能化趨勢(shì)日益明顯。兒童玩具的設(shè)計(jì)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(lái)的玩具將以智能、交互為主要設(shè)計(jì)方向，玩具設(shè)計(jì)更具人性化。

知識(shí)圖譜的應(yīng)用促進(jìn)了當(dāng)前人工智能技術(shù)的發(fā)展，本文中交互式智能兒童玩具作為載體將知識(shí)圖譜應(yīng)用其中，相關(guān)功能包括語(yǔ)意搜索、智能問(wèn)答、個(gè)性化推薦等。通過(guò)知識(shí)圖譜的知識(shí)采集、知識(shí)融合、知識(shí)存儲(chǔ)等技術(shù)對(duì)使用者進(jìn)行相關(guān)性分析，并利用可視化的表達(dá)方式，將反饋結(jié)果以最有效的方式呈現(xiàn)給用戶(hù)。其中，在語(yǔ)意搜索及智能問(wèn)答應(yīng)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(guān)系，在執(zhí)行過(guò)程中采集、分析兒童的數(shù)據(jù)并傳輸至玩具數(shù)據(jù)庫(kù)中，使其不斷得到迭代更新。

二、交互式智能兒童玩具的知識(shí)圖譜構(gòu)建

知識(shí)圖譜的構(gòu)建對(duì)交互式智能兒童玩具的個(gè)性化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。個(gè)性化設(shè)計(jì)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(yùn)用到兒童玩具的各個(gè)功能或非功能模塊，將增加兒童對(duì)兒童玩具的親和性，減少排斥，強(qiáng)化兒童玩具的使用效果，擴(kuò)大兒童玩具的受眾范圍。知識(shí)圖譜的構(gòu)建包括知識(shí)提取、知識(shí)圖譜架構(gòu)、知識(shí)層面應(yīng)用。兒童玩具領(lǐng)域的知識(shí)圖譜的構(gòu)建基于上述步驟，并對(duì)領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)分析從簡(jiǎn)單實(shí)體間關(guān)系分析推進(jìn)到多維復(fù)雜關(guān)系分析。

（一）交互式智能兒童玩具的知識(shí)圖譜分析

在對(duì)兒童玩具領(lǐng)域內(nèi)實(shí)體、關(guān)系和屬性進(jìn)行提取的基礎(chǔ)上，綜合領(lǐng)域本體的數(shù)據(jù)模式和知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，借助圖數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，從研究中所采集的數(shù)據(jù)中提取實(shí)體、關(guān)系、屬性。通過(guò)對(duì)兒童玩具領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)的分析和研究，總結(jié)出以下兩個(gè)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(shí)圖譜的實(shí)體集合，并從兩個(gè)實(shí)體向外延伸出多維度的復(fù)雜關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，對(duì)知識(shí)圖譜在交互式智能兒童玩具的應(yīng)用途徑進(jìn)行探索。

根據(jù)交互式智能兒童玩具的知識(shí)圖譜需求和應(yīng)用途徑，功能設(shè)定上可能涉及不同的技術(shù)，包括知識(shí)獲取、知識(shí)存儲(chǔ)、知識(shí)推理等。知識(shí)獲取主要應(yīng)用于前期的框架構(gòu)建階段，是對(duì)兒童玩具知識(shí)領(lǐng)域的實(shí)體抽取和關(guān)系定義;知識(shí)存儲(chǔ)是構(gòu)成知識(shí)圖譜本題庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)，它包括將獲取的知識(shí)進(jìn)行融合，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析;知識(shí)推理是實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜在交互式智能兒童玩具應(yīng)用的基本方式，其主要利用OWL語(yǔ)言對(duì)構(gòu)成的知識(shí)體系進(jìn)行語(yǔ)意理解，并獲取新的知識(shí)及結(jié)論。

（二）交互式智能兒童玩具的知識(shí)圖譜構(gòu)建

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

基于知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，可以采用圖數(shù)據(jù)庫(kù)作為基本存儲(chǔ)方式。圖數(shù)據(jù)庫(kù)的基本含義是以“圖”這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和查詢(xún)數(shù)據(jù)，以節(jié)點(diǎn)和邊來(lái)體現(xiàn)主要數(shù)據(jù)模型[6]，圖中的節(jié)點(diǎn)表示知識(shí)圖譜中的實(shí)體，圖中的邊表示知識(shí)圖譜中的實(shí)體間的關(guān)系或?qū)嶓w的屬性。通過(guò)各節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，我們可以模擬兒童的各種交互場(chǎng)景，有兒童與玩具間的交互行為，有兒童與他人的活動(dòng)過(guò)程，甚至有更多其他的場(chǎng)景。圖2是簡(jiǎn)單實(shí)體間的關(guān)系，展示了兒童與玩具兩大實(shí)體間的交互關(guān)系，并通過(guò)它們擴(kuò)展出的實(shí)體信息來(lái)構(gòu)建其屬性和關(guān)系。

三、知識(shí)圖譜在交互式智能兒童玩具上的應(yīng)用

不同種類(lèi)的玩具功能結(jié)構(gòu)的設(shè)定不同，知識(shí)圖譜與其他功能結(jié)構(gòu)的結(jié)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(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅R(shí)圖譜的應(yīng)用在個(gè)性化設(shè)計(jì)、教育指導(dǎo)、娛樂(lè)性三個(gè)方面進(jìn)行闡述，列舉知識(shí)圖譜在交互式兒童玩具上的具有優(yōu)勢(shì)的部分應(yīng)用方式。

（一）基于知識(shí)圖譜的兒童玩具個(gè)性化設(shè)計(jì)

知識(shí)圖譜是單純的知識(shí)庫(kù)，只有實(shí)物語(yǔ)義理解與知識(shí)儲(chǔ)存的功能，本身不帶有反饋屬性，但是基于知識(shí)圖譜，并使用個(gè)性化推薦技術(shù)可構(gòu)建推薦系統(tǒng)，通過(guò)基于知識(shí)圖譜的推薦系統(tǒng)與兒童進(jìn)行交互，可構(gòu)建兒童的個(gè)性化行為特征模型。兒童行為特征模型的主要功能是對(duì)兒童在玩具實(shí)際使用過(guò)程中的行為特征信息進(jìn)行收集整合。兒童行為特征模型對(duì)兒童玩具的個(gè)性化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，即通過(guò)分析模型數(shù)據(jù)，分析出兒童的個(gè)性化需求，并建立兒童玩具的設(shè)計(jì)需求模型，從而實(shí)現(xiàn)兒童玩具的個(gè)性化設(shè)計(jì)。兒童行為特征模型依據(jù)兒童行為模式的變化修改，通過(guò)分析兒童行為特征模型，對(duì)兒童玩具的操作方式與功能進(jìn)行修改，可實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)圖譜的兒童玩具迭代設(shè)計(jì)。

（二）知識(shí)圖譜在指導(dǎo)兒童學(xué)習(xí)上的應(yīng)用

知識(shí)圖譜是對(duì)人類(lèi)認(rèn)知層的模擬，擁有認(rèn)知任何領(lǐng)域事物的功能，在推薦技術(shù)、指導(dǎo)方案推理技術(shù)與可理解化技術(shù)（語(yǔ)言、畫(huà)面、情景模擬技術(shù)等）等輔助技術(shù)的支持下能為用戶(hù)推薦任何領(lǐng)域問(wèn)題的解決方案與學(xué)習(xí)性指導(dǎo)。推薦問(wèn)題的解決方案與學(xué)習(xí)性指導(dǎo)的基礎(chǔ)是對(duì)問(wèn)題有所理解，而知識(shí)圖譜正是能起到問(wèn)題理解作用的知識(shí)分析、歸納工具。在具有一定重復(fù)性的問(wèn)題上，用戶(hù)將問(wèn)題處理方案的原始信息開(kāi)放給知識(shí)圖譜學(xué)習(xí)，玩具通過(guò)知識(shí)圖譜學(xué)習(xí)進(jìn)而在已有知識(shí)范圍內(nèi)將可用的處理方案推薦給用戶(hù)，達(dá)到降低用戶(hù)思考負(fù)擔(dān)與減少問(wèn)題處理時(shí)間的目的。而在非重復(fù)性問(wèn)題上，通過(guò)廣大用戶(hù)的問(wèn)題處理方案原始信息上傳，數(shù)據(jù)庫(kù)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(wèn)題處理方案指導(dǎo)兒童。知識(shí)圖譜可學(xué)習(xí)的領(lǐng)域包括科學(xué)、藝術(shù)、語(yǔ)言、行為等所有人類(lèi)能夠認(rèn)知的領(lǐng)域，因此知識(shí)圖譜可以應(yīng)用在任何領(lǐng)域的兒童學(xué)習(xí)指導(dǎo)上。知識(shí)圖譜應(yīng)用在指導(dǎo)兒童學(xué)習(xí)上將使兒童的學(xué)習(xí)效率得到提高。

（三）知識(shí)圖譜在兒童玩具娛樂(lè)性上的應(yīng)用

知識(shí)圖譜使兒童玩具能負(fù)載更加智能化的娛樂(lè)方式，如兒童玩具能通過(guò)調(diào)用知識(shí)圖譜中關(guān)于兒童與兒童、成人與兒童、動(dòng)物與兒童等任何一種交互模式的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，展現(xiàn)最真實(shí)的角色扮演，在如交互式繪畫(huà)生成、交互式動(dòng)畫(huà)生成、游戲模擬等任何領(lǐng)域的智能化娛樂(lè)方式的功能運(yùn)行過(guò)程中，知識(shí)圖譜都能作為最完美的機(jī)器學(xué)習(xí)工具。另外，知識(shí)圖譜可通過(guò)一定安全范圍內(nèi)的試錯(cuò)生成新的娛樂(lè)方式，也可通過(guò)試錯(cuò)使已有的娛樂(lè)方式的趣味性達(dá)到最高。知識(shí)圖譜使兒童玩具的娛樂(lè)方式發(fā)展更加迅速。

四、結(jié)語(yǔ)

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

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作者簡(jiǎn)介：周君豪，浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院。

李源楓，碩士，浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院。

金明暉，浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院。

勵(lì)雨晴，浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院。