基于neo4j的課程知識圖譜系統設計

朱家樂　陳銳

關鍵詞：知識圖譜；neo4j；VUE；G6；SpringBoot

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）08-0040-03

0 引言

隨著大數據、云計算、互聯網等信息技術的發展，人工智能的技術應用迎來了爆發性的增長。知識圖譜作為人工智能的重要分支，可以構建復雜的行業知識庫，在教育、醫療、金融和政府管理等領域有著廣泛的應用。以教育領域為例，知識圖譜可有效輔助教師授課并幫助學生實現個性化學習，知識圖譜教學方法能夠顯著提高教學效果[1]。課程知識圖譜包含課程領域的所有知識點及知識點間的關系，可以很好地進行知識點和學習路徑的相關推理[2]。隨著系統解耦的需要，前后端分離技術已成為移動互聯網領域不可或缺的技術[3]?；谖⒎盏闹R圖譜平臺架構，通過合理的微服務劃分，可以保證平臺的可用性和可擴展性[4]。綜上所述，知識圖譜在教育領域已經有著廣泛的應用，同時和互聯網技術開始深入融合。本文設計了一種基于neo4j的課程知識圖譜系統，能夠進行課程知識圖譜的管理和查看。系統采用前后端分離架構，并完成開發環境搭建和原型系統開發。

1 知識圖譜介紹

知識圖譜（Knowledge Graph） 是人工智能的重要分支技術，是結構化的語義知識庫，用于以符號形式描述物理世界中的概念及其相互關系。其基本組成單位是“實體—關系—實體”三元組[5]。如圖1所示：

知識圖譜可以用圖數據庫來進行數據存儲和查詢分析。傳統的關系型數據庫在進行圖數據的查詢時，需要進行多張表的關聯，效率非常低。圖數據庫是一種NoSQL數據庫，以點、邊為基礎存儲單元，以高效存儲、查詢圖數據為設計原理，非常適用于進行知識圖譜數據的存儲和查詢分析。neo4j是業界主流的圖數據庫，分為社區版和企業版，其中社區版是免費版，基于GPLv3 協議開源，但功能受限。本文采用neo4j社區版，其三元組模型如下：

1） 節點：用于描述領域的實體?？梢杂辛銈€或多個標簽，來定義它們是什么類型的節點。

2） 關系：描述源節點和目標節點之間的連接，總是有一個方向。關系必須具有一種類型來定義它們是什么類型的關系。

3） 節點和關系可以具有屬性，這些屬性是鍵值對，可以進一步描述它們。

各個云服務廠商也提供了各自的圖數據庫云服務，可在線使用。阿里云開發的圖數據庫（Graph Data?base，簡稱GDB） ，是一種支持Property Graph圖模型、用于處理高度連接數據查詢與存儲的實時、可靠的在線數據庫服務。華為云開發的知識圖譜服務（Knowl?edge Graph，簡稱KG） ，提供一站式知識圖譜全生命周期管理服務。

2 系統功能設計

系統的主要功能包括5個模塊，分別為系統首頁、課程管理、圖譜管理、賬號管理和關于。系統首頁是系統的主體部分，用戶通過點擊菜單進入不同的功能模塊。課程管理負責課程信息的管理和維護，包括課程列表的展示、查看單個課程和課程的增刪改。圖譜管理負責課程圖譜的管理和維護，包括圖譜列表的展示、查看單個圖譜和圖譜的增刪改。圖譜管理模塊和課程管理模塊通過課程數據聯系起來，即圖譜的課程數據來源于課程管理模塊。賬號管理負責用戶的注冊、登錄、退出和認證等。關于模塊主要維護系統的幫助信息和系統的版本信息等。系統功能如圖2所示：

3 系統架構設計

系統整體架構包括4個部分：用戶端、系統前端、系統后端、數據庫。系統采用前后端分離架構，前端負責頁面展示，后端負責數據處理并提供接口，前后端數據交互采用HTTP協議和JSON數據格式。前后端可以獨立部署，有利于系統功能的分解和解耦。系統架構如圖3所示。

3.1 系統前端

用戶使用瀏覽器訪問系統前端，支持PC、移動終端等多種設備。系統前端采用響應式布局技術，針對不同尺寸的屏幕采用適合的頁面布局，從而支持多種類型終端訪問。系統前端使用當前流行的VUE作為前端Web基礎開發框架。VUE是一套構建用戶界面的漸進式Web開發框架，具有豐富的生態系統，可以整合大量的前端組件。VUE 使用MVVM（Model-View-ViewModel） 開發模式，支持數據在視圖和模型之間雙向綁定；使用VUE Router進行路由管理，根據URL分配到對應的處理程序，完成URL到組件的綁定；選用Element UI作為頁面開發的UI組件庫，提供了配套設計UI資源，包括基礎布局、導航、表格、表單、文件上傳等基礎組件，開箱即用；使用G6 作為圖可視化引擎，提供了圖的繪制、布局、分析、交互、動畫等圖可視化的基礎能力，可以快速搭建自己的圖分析或圖編輯應用；使用VUE AXOS進行HTTP接口的請求，封裝前端依賴的所有HTTP接口，與系統后端進行交互。

3.2 系統后端

系統后端使用Java、SpringBoot作為基礎框架，便于集成常用的開源組件。SpringBoot是基于Spring開發的全新框架，擁有豐富的生態系統，可以方便第三方軟件集成，最大的特點是約定優于配置，自動配置，簡化了軟件初始搭建以及開發過程，支持Spring原生的依賴注入、控制反轉特性。后端接口全部定義在Controller文件中，同時使用Swagger完成接口文檔的定義，支持在線查閱接口文檔、在線調測。系統使用Spring Data完成數據庫的相關操作。Spring Data是基于Spring框架的數據庫訪問技術，可以方便地操作關系型數據庫如MySQL、非關系型數據庫如neo4j。用戶只需聲明持久層的接口，即可進行數據庫的基本操作，Spring Data會自動完成對象關系映射。

3.3 數據庫

系統根據不同業務模塊的數據特點，使用了不同的數據庫，包括關系型數據庫MySQL和非關系型數據庫neo4j。系統使用MySQL存儲關系型數據，比如：用戶賬號信息、課程信息等；使用neo4j存儲圖數據庫，如課程圖譜。MySQL 和系統后端采用TCP/IP 協議進行通信，neo4j 和系統后端采用bolt協議進行交互。Bolt 是一種二進制協議（protocol） ，是專為數據庫應用程序設計的高效、輕量級的客戶端-服務器協議，是訪問遠程neo4j服務器的首選方式。

4 系統開發驗證

基于上述系統架構，進行了開發環境的搭建和系統初步開發。整個系統啟動主要包括如下組件：系統前端、系統后端、MySQL、neo4j，系統啟動過程及命令如下：

1） 啟動MySQL數據庫

D：＼tools＼mysql-8.0.11-winx64＼bin＼mysqld -console?mysqld （mysqld 8.0.11） starting as process 17740mysqld： ready for connections. Version： '8.0.11'socket： '' port： 3306 MySQL Community Server - GPL.

2） 啟動neo4j

D： ＼tools＼neo4j＼neo4j-community-4.4.8＼bin＼neo4j.bat console

Starting...

This instance is ServerId{fc67b811} （fc67b811-7f62-4dec-aa0a-a100d407485b）

======== Neo4j 4.4.8 ========

Performing postInitialization step for component 'security-users' with version 3 and status CURRENT

Updating the initial password in component 'security-users'

Bolt enabled on 127.0.0.1：7687.

Remote interface available at http：//localhost：7474/

id： B69DA4915E2A7C016FE4C0EF2589C04D63B 16328B2A1D4BC83E868A5285D80A4

name： system

creationDate： 2022-07-12T11：46：25.086Z Started.

3） 啟動系統后端

java -jar kg-backend-0.0.1-SNAPSHOT.jar

Tomcat started on port（s）： 8081 （http） with contextpath ''

Started KGBackendApplication in 1.449 seconds （JVM running for 1.747）

4） 啟動系統前端

npm run serve

DONE Compiled successfully in 16946ms

11：02：09

App running at：

- Local： http：//localhost：8080/

- Network： http：//10.21.26.211：8080/

5） 核心功能頁面

訪問網址http：//localhost：8080/ 即可查看系統頁面。以計算思維課程為例，可以直觀地展示出各個章節、知識點及其之間的聯系。課程知識圖譜如圖4所示。

5 結束語

本文在知識圖譜在教育領域的應用越來越重要的背景下，結合現代互聯網技術的發展趨勢，完成了一種基于neo4j的課程知識圖譜系統設計。文章討論了系統的整體架構，描述了系統前端、系統后端、數據庫及各組件之間的交互方式。系統采用前后端分離架構，保證了系統解耦。經過開發環境搭建和系統的初步開發，實現了課程知識圖譜的展示和管理，驗證了該架構的可行性，對于知識圖譜在教育領域的應用有一定的參考意義。下一步計劃進一步完善系統功能，提高系統的易用性，探索前端頁面圖可視化引擎的性能優化。