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『1024 | 码项目』在低资源环境下训练知识图谱嵌入的详细指南

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数字扫地僧
发布2024-10-23 14:28:10
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发布2024-10-23 14:28:10
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文章被收录于专栏:活动

低资源环境下训练知识图谱嵌入面临以下挑战:

挑战

描述

数据稀缺

数据量小、标注困难,导致嵌入模型无法获得足够的训练数据

计算资源受限

在边缘设备或普通硬件上,计算能力和内存较为有限

存储受限

知识图谱往往体积庞大,但在低资源环境下存储资源有限

模型泛化能力

在低资源环境下训练的模型容易过拟合,难以泛化到新任务或数据

为了应对这些挑战,我们可以采用以下策略:

  • 小批量梯度下降(Mini-Batch SGD):减少单次训练所需内存。
  • 负采样(Negative Sampling):有效构造负例,提高模型效率。
  • 参数共享与压缩:减少模型的参数量,适应低内存的硬件环境。
  • 知识蒸馏:利用已有的大模型来指导小模型的训练,提高小模型在低资源环境下的性能。

TransE 是最经典的知识图谱嵌入模型之一,其核心思想是将知识图谱中的每个三元组(头实体 h关系 r尾实体 t)通过向量的线性变换表示为 h + r ≈ t,并通过最小化嵌入空间中的距离函数来优化模型。


实例分析与代码部署过程

数据准备

通常包含三元组 (head, relation, tail) 表示实体与关系的连接。我们将使用一个简单的、较小的知识图谱数据集进行训练。

代码语言:python
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import torch
import torch.nn as nn
import numpy as np

# 模拟一个简单的知识图谱数据集,包括头实体、关系和尾实体
triples = [
    ("Alice", "knows", "Bob"),
    ("Bob", "likes", "Pizza"),
    ("Alice", "likes", "IceCream"),
    ("Pizza", "is_a", "Food"),
    ("IceCream", "is_a", "Food")
]

# 为了进行嵌入训练,需要对实体和关系进行编码
entity2id = {"Alice": 0, "Bob": 1, "Pizza": 2, "IceCream": 3, "Food": 4}
relation2id = {"knows": 0, "likes": 1, "is_a": 2}

我们通过简单的字典(entity2idrelation2id)对实体和关系进行编码。在更复杂的场景下,可以使用基于字典构建或词典训练的方式处理大规模的实体与关系。

定义 TransE 模型

在 TransE 模型中,我们需要为每个实体和关系定义嵌入向量。接下来定义一个简单的模型,其中实体和关系的嵌入分别存储在可学习的张量中。

代码语言:python
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class TransE(nn.Module):
    def __init__(self, entity_count, relation_count, embedding_dim):
        super(TransE, self).__init__()
        # 为实体和关系定义嵌入矩阵
        self.entity_embedding = nn.Embedding(entity_count, embedding_dim)
        self.relation_embedding = nn.Embedding(relation_count, embedding_dim)

    def forward(self, head, relation, tail):
        # 获取头实体、关系、尾实体的嵌入向量
        h = self.entity_embedding(head)
        r = self.relation_embedding(relation)
        t = self.entity_embedding(tail)
        
        # 使用L2距离度量h + r 与 t 的距离
        score = torch.norm(h + r - t, p=2, dim=1)
        return score

# 定义超参数
embedding_dim = 50  # 嵌入向量维度
entity_count = len(entity2id)
relation_count = len(relation2id)

# 实例化模型
model = TransE(entity_count, relation_count, embedding_dim)
模型结构解释:
  • nn.Embedding:用于定义实体和关系的嵌入矩阵。每个实体和关系都对应一个可学习的向量。
  • forward 函数:模型的前向传播,计算头实体、关系和尾实体之间的距离。TransE模型的目标是通过最小化 h + r ≈ t 的距离来优化嵌入。

损失函数与优化器

为了训练模型,我们定义一个基于L2距离的损失函数,并使用负采样技术加速训练。

代码语言:python
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# 定义损失函数
def loss_function(pos_score, neg_score, margin=1.0):
    return torch.max(pos_score - neg_score + margin, torch.tensor(0.0)).mean()

# 定义优化器
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

详细解释:

  • 正负样本:为了让模型区分正确的三元组和错误的三元组,我们需要负样本。负样本可以通过随机替换头实体或尾实体来生成。
  • 损失函数:使用基于 margin 的 hinge loss 来训练模型,确保正样本的得分低于负样本得分。

训练模型

接下来,我们通过一个简单的训练循环,在小批量数据上进行模型训练,并使用负采样技术。

代码语言:python
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# 定义负采样函数
def negative_sample(triples, entity_count):
    neg_triples = []
    for h, r, t in triples:
        # 随机替换头实体或尾实体,生成负样本
        if np.random.rand() > 0.5:
            h = np.random.randint(0, entity_count)
        else:
            t = np.random.randint(0, entity_count)
        neg_triples.append((h, r, t))
    return neg_triples

# 训练模型
num_epochs = 100
for epoch in range(num_epochs):
    total_loss = 0
    for triple in triples:
        head, relation, tail = entity2id[triple[0]], relation2id[triple[1]], entity2id[triple[2]]
        neg_triple = negative_sample([triple], entity_count)
        neg_head, neg_relation, neg_tail = neg_triple[0]

        # 转换为tensor
        head = torch.tensor([head], dtype=torch.long)
        relation = torch.tensor([relation], dtype=torch.long)
        tail = torch.tensor([tail], dtype=torch.long)

        neg_head = torch.tensor([neg_head], dtype=torch.long)
        neg_relation = torch.tensor([neg_relation], dtype=torch.long)
        neg_tail = torch.tensor([neg_tail], dtype=torch.long)

        # 前向传播正负样本
        pos_score = model(head, relation, tail)
        neg_score = model(neg_head, neg_relation, neg_tail)

        # 计算损失
        loss = loss_function(pos_score, neg_score)

        # 反向传播与优化
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

        total_loss += loss.item()

    if epoch % 10 == 0:
        print(f"Epoch {epoch}, Loss: {total_loss:.4f}")

优化策略与技术

在低资源环境下训练知识图谱嵌入时,可以通过优化算法、减少计算复杂度和模型压缩等手段提高训练效率和效果。

1 数据增广

数据稀缺是低资源环境下的主要问题之一。通过数据增广技术,我们可以有效地扩展训练数据量,从而提高模型的泛化能力。

  • 三元组翻转:在知识图谱中,很多三元组可以反向生成。例如,对于三元组(药物A, 治疗, 疾病B),可以生成反向三元组(疾病B, 被治疗, 药物A)
  • 添加噪声数据:在一定程度上,可以加入噪声数据进行训练,例如,随机替换三元组中的实体和关系。
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import random

# 示例三元组 (药物A, 治疗, 疾病B)
triples = [("药物A", "治疗", "疾病B")]

# 生成反向三元组
augmented_triples = []
for h, r, t in triples:
    augmented_triples.append((t, "被治疗", h))

# 添加噪声数据
noise_triple = ("药物C", "治疗", "疾病D")
if random.random() > 0.5:
    augmented_triples.append(noise_triple)

print(augmented_triples)

2 参数共享与迁移学习

在数据稀缺的情况下,迁移学习是一种有效的策略。可以先在大规模知识图谱(如Freebase或DBpedia)上训练一个基础模型,然后将该模型迁移到小规模的目标知识图谱上进行微调,从而减少对目标数据的大量依赖。

迁移学习不仅可以节省训练时间,还能通过共享大规模图谱中的知识,帮助模型在稀缺数据上更好地泛化。

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from openke.module.model import TransE

# 加载预训练模型
pretrained_model = TransE(
    ent_tot=1000, rel_tot=500, dim=100, p_norm=1, norm_flag=True
)
pretrained_model.load_checkpoint('./checkpoint/pretrained_transe.ckpt')

# 在新数据上进行微调
new_train_dataloader = TrainDataLoader(
    in_path="./new_data/", nbatches=50, threads=8, sampling_mode="normal"
)

# 使用预训练模型进行微调
trainer = Trainer(model=pretrained_model, data_loader=new_train_dataloader, train_times=500, alpha=0.5, use_gpu=False)
trainer.run()

3 轻量级模型设计

为适应低计算资源的需求,模型的设计需要尽量轻量化,减少计算复杂度。基于图神经网络(GNN)的模型通常计算开销较大,因此在低资源环境下,可以使用更简单的嵌入模型,如TransE、DistMult等。

此外,量化技术和模型蒸馏(Knowledge Distillation)可以帮助压缩模型规模,使其能够在边缘设备或低内存设备上运行。

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from openke.module.model import TransE
from openke.module.loss import MarginLoss
from openke.config import Trainer

# 定义教师模型
teacher_model = TransE(ent_tot=1000, rel_tot=500, dim=200, p_norm=1, norm_flag=True)

# 定义学生模型(轻量化)
student_model = TransE(ent_tot=1000, rel_tot=500, dim=50, p_norm=1, norm_flag=True)

# 使用知识蒸馏进行训练
class DistillationTrainer(Trainer):
    def distillation_loss(self, student_preds, teacher_preds):
        # 定义知识蒸馏损失
        return ((teacher_preds - student_preds) ** 2).mean()

# 初始化训练器
trainer = DistillationTrainer(model=student_model, data_loader=new_train_dataloader, train_times=500, alpha=0.5, use_gpu=False)
trainer.run()

4 图采样技术(Graph Sampling)

在大规模知识图谱中,完整加载所有实体和关系到内存中进行训练是不现实的,尤其是在内存和计算资源有限的低资源环境中。图采样技术可以帮助我们只加载一部分图进行训练,从而有效降低内存和计算开销。

4.1 随机游走采样(Random Walk Sampling)

随机游走采样通过随机选择图中的路径来采样。这种方法能够保留图的局部信息,从而在低资源环境下,减少加载和计算的复杂度。以下是随机游走采样的基本实现:

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import networkx as nx
import random

# 创建一个小型的图来模拟知识图谱
G = nx.Graph()

# 添加实体(节点)和关系(边)
G.add_edges_from([
    ('EntityA', 'EntityB', {'relation': 'friend'}),
    ('EntityB', 'EntityC', {'relation': 'colleague'}),
    ('EntityC', 'EntityD', {'relation': 'neighbor'}),
    ('EntityD', 'EntityE', {'relation': 'friend'}),
    ('EntityE', 'EntityF', {'relation': 'colleague'}),
])

# 随机游走采样函数
def random_walk_sample(G, start_node, walk_length):
    walk = [start_node]
    for _ in range(walk_length - 1):
        neighbors = list(G.neighbors(walk[-1]))
        if len(neighbors) > 0:
            walk.append(random.choice(neighbors))
        else:
            break
    return walk

# 从'EntityA'开始随机游走,路径长度为4
sampled_walk = random_walk_sample(G, 'EntityA', walk_length=4)
print("采样的路径:", sampled_walk)
  • random_walk_sample() 函数通过从给定节点出发,按随机选择邻居节点进行游走,直到达到预设的路径长度或没有邻居为止。
  • 此方法适用于稀疏图,能够在低资源环境下减少计算的复杂度,同时保留图中的局部关系信息。

4.2 邻域采样(Neighborhood Sampling)

邻域采样根据每个实体的邻居进行局部训练。这种方法对邻居实体的数量进行采样,可以只在局部结构上进行学习,适合分布式环境或者内存有限的系统。

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# 邻域采样函数,采样每个节点的邻居节点
def neighborhood_sampling(G, node, num_samples):
    neighbors = list(G.neighbors(node))
    if len(neighbors) > num_samples:
        sampled_neighbors = random.sample(neighbors, num_samples)
    else:
        sampled_neighbors = neighbors
    return sampled_neighbors

# 对'EntityA'进行邻域采样,采样数量为2
sampled_neighbors = neighborhood_sampling(G, 'EntityA', num_samples=2)
print("邻域采样的节点:", sampled_neighbors)

解释:

  • neighborhood_sampling() 函数通过从给定节点的邻居节点中随机采样指定数量的节点,从而只训练部分邻域,减少整体模型训练所需的计算资源。

5 模型剪枝(Model Pruning)

模型剪枝是一种在不显著影响模型性能的情况下,移除不重要权重或神经元的方法。剪枝后模型变得更加轻量化,不仅减少了训练所需的资源,还能加速推理。

5.1 剪枝的基本思想

假设我们训练了一个TransE模型,将实体和关系映射到低维向量空间。为了降低计算复杂度,我们可以通过剪枝来去除不重要的特征或层,特别是在推理阶段。

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import torch
import torch.nn as nn

# 定义一个简单的线性层模型
class SimpleModel(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, output_size):
        super(SimpleModel, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(input_size, output_size)
        self.fc2 = nn.Linear(output_size, output_size)

    def forward(self, x):
        x = self.fc1(x)
        return self.fc2(x)

# 创建模型
model = SimpleModel(input_size=100, output_size=50)

# 模型剪枝操作,移除小于一定阈值的权重
def prune_model(model, pruning_percentage):
    for name, param in model.named_parameters():
        if 'weight' in name:
            threshold = torch.quantile(param.abs(), pruning_percentage)
            mask = (param.abs() > threshold).float()
            param.data.mul_(mask)

# 剪枝10%的权重
prune_model(model, pruning_percentage=0.1)
  • prune_model() 函数通过计算每个权重参数的绝对值,并移除小于某个阈值的权重,从而减小模型的规模。
  • 这种技术可以显著减少低资源环境下的计算开销,并且适用于TransE或其他嵌入模型。

6 基于元学习的快速适应(Meta-Learning)

元学习是一种“学习如何学习”的方法,它可以让模型在有限的数据和资源下快速适应新任务。特别是在低资源环境中,元学习可以通过在少量任务上进行训练,生成一个通用的嵌入模型,能够在多个任务上快速迁移学习。

6.1 基于元学习的训练方法

我们可以使用MAML(Model-Agnostic Meta-Learning)方法,它通过在多个任务上学习共享的模型参数,使得模型在面对新任务时能够快速适应。以下是MAML的简化实现:

代码语言:python
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import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

# 定义一个简单的模型
class SimpleModel(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, output_size):
        super(SimpleModel, self).__init__()
        self.fc = nn.Linear(input_size, output_size)

    def forward(self, x):
        return self.fc(x)

# 生成模型
model = SimpleModel(input_size=100, output_size=50)

# 定义MAML更新步骤
def maml_update(model, loss_fn, x_train, y_train, x_val, y_val, inner_lr=0.01, outer_lr=0.001):
    # 克隆模型用于内环更新
    fast_model = SimpleModel(input_size=100, output_size=50)
    fast_model.load_state_dict(model.state_dict())
    
    # 内环更新(task-specific update)
    optimizer = optim.SGD(fast_model.parameters(), lr=inner_lr)
    loss = loss_fn(fast_model(x_train), y_train)
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

    # 计算外环更新
    val_loss = loss_fn(fast_model(x_val), y_val)
    model_params = list(model.parameters())
    fast_params = list(fast_model.parameters())
    
    # 使用验证集的损失来更新初始模型参数
    for i in range(len(model_params)):
        model_params[i].data -= outer_lr * (model_params[i].data - fast_params[i].data)

# 定义损失函数
loss_fn = nn.MSELoss()

# 训练过程示例
x_train = torch.randn(10, 100)  # 训练数据
y_train = torch.randn(10, 50)   # 训练标签
x_val = torch.randn(5, 100)     # 验证数据
y_val = torch.randn(5, 50)      # 验证标签

# 执行MAML更新
maml_update(model, loss_fn, x_train, y_train, x_val, y_val)
  • 内环更新 使用任务特定的数据进行快速学习,外环更新 则通过验证数据来更新模型的初始参数,使得模型能够在遇到新任务时快速调整。

低资源环境下的知识图谱嵌入训练尽管受到硬件和数据的限制,但通过使用诸如负采样、小批量梯度下降和模型压缩等技术,我们仍然能够有效地训练模型。此外,未来可以进一步探索如何在低资源环境下结合更复杂的嵌入模型,如图神经网络(GNN)知识蒸馏,进一步提高模型在资源有限条件下的性能。

序号

技术策略

关键点

I

小批量梯度下降

减少内存占用,逐步优化

II

负采样

生成负样本,减少计算量

III

参数共享与模型压缩

减少模型参数,提高效率

IV

知识蒸馏

利用大模型指导小模型训练


原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

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