第5章：知识存储：概述、方法、实战

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🥦知识存储概述

知识从某种程度上也属于一种数据

🥦知识存储的定义

"知识存储"指的是将信息、数据、经验和概念等以某种形式记录下来，并存储在特定的媒介或系统中，以便后续检索、利用和共享。知识存储是知识管理的一部分，它有助于组织、保存和传递知识，以便在需要时能够方便地获取和利用。

知识存储可以采用多种形式，包括文本文档、数据库、图形、多媒体文件等。这些存储形式可以涵盖各种领域，包括科学、技术、业务、文化等。在组织和企业中，知识存储通常与知识管理系统（Knowledge Management System）相关联，以促进知识的共享、协作和创新。

在当前的知识图谱标准中，这些知识数据的基本数据结构是RDF数据和图模型，所以知识数据的存储系统实质上是研究如何存储RDF和图，知识图谱需要存储的基本数据包括：三元组知识、事件信息、时态信息、基于图结构和数据。

🥦知识存储的方法

本节从基于关系型数据集、NoSQL、分布式入门来介绍一下知识存储的几种方法

🥦基于关系型数据库的知识存储

关系型数据库采用关系模型来组织数据，并以行和列的形式存储数据，一行表示一条记录，一列表示一种属性，用户通过SQL查询功能来检索数据库中的数据。

基于关系型数据库的知识存储方案主要有以下几种：基于三元组的三列表存储、水平表存储，以及基于类型的属性表存储和全索引表存储等。

• 三元组存储（Triplestore）：

  • 定义： 三元组存储是一种图数据库的存储方式，基于三元组的模型，每个三元组由主语（subject）、谓语（predicate）、宾语（object）组成。
  • 特点： 这种存储方式非常适合表示图结构的数据，因为每个三元组都是图中的一条边。它允许灵活的数据模型，支持表示实体之间的关系。
  • 应用： RDF（Resource Description Framework）是一种常见的使用三元组存储的数据表示标准，用于描述资源之间的关系。

• 水平表存储：

  • 定义： 水平表存储是一种数据库设计方法，其中数据被水平划分成多个表，每个表包含相同类型的数据，通常通过关联键进行关联。
  • 特点： 这种存储方式有助于减少冗余，提高查询性能，特别是在大规模数据存储和分布式数据库系统中。
  • 应用： 分布式数据库系统、大数据存储和处理系统等常常使用水平表存储的设计。

• 基于类型的属性表存储：

  • 定义： 这是一种数据存储模型，其中数据表的结构是根据数据类型和属性进行设计的，每个属性都有一个明确定义的数据类型。
  • 特点： 这种存储方式使得数据更为规范，有助于数据的一致性和可靠性。每个属性都有指定的数据类型，如整数、字符串、日期等。
  • 应用： 常见于关系型数据库中，如SQL数据库，其中表的列有明确定义的数据类型。

• 全索引表存储：

  • 定义： 这是一种数据库存储方式，其中对表中的所有列都创建了索引，以提高查询性能。
  • 特点： 全索引表存储的优势在于查询速度较快，但也存在一定的存储开销和写入性能损失。
  • 应用： 适用于需要频繁查询而对写入性能要求相对较低的场景，例如数据仓库和大型查询系统。

过去一段时间，关系型数据库作为知识存储的首选，但是关系型数据库并不太适合建立在集群之上，随着数据规模的迅速扩大，关系型数据库作为存储工具显得十分吃力，研究者们开始考虑其他存储方式，NoSQL数据库进入视野中。

🥦基于NoSQL的知识存储

• 列式存储（Column-family Store）：

  • 例子：Apache Cassandra
  • 特点： Cassandra 是一种高度可扩展的分布式列式存储系统。它适用于需要处理大规模数据和需要水平扩展的场景。数据按照列族（Column Family）的方式组织，可以动态添加列。
  • 应用场景： 适用于时间序列数据、日志数据等需要快速写入和读取的大规模分布式系统。

• 基于文档的存储（Document Store）：

  • 例子：MongoDB（非关系型数据库）
  • 特点： MongoDB 是一个常见的文档存储系统，它使用 BSON（二进制JSON） 格式存储数据。每个文档是一个键值对的集合，可以包含嵌套的文档和数组。
  • 应用场景： 适用于需要灵活的数据模型和复杂的查询场景，如内容管理系统、电子商务平台等。

• 基于图的存储（Graph Store）：

  • 例子：Neo4j（后面会实战一下）
  • 特点： Neo4j 是一种图数据库，以图的形式存储实体之间的关系。节点表示实体，边表示实体之间的关系，具有高效的图遍历和查询性能。
  • 应用场景： 适用于需要深度关系和图算法的场景，如社交网络分析、推荐系统、路径规划等。

🥦基于分布式的知识存储

• RDFPeers:

  • 特点： RDFPeers 是一个基于分布式体系结构的RDF（Resource Description Framework）存储系统。它使用分布式哈希表（DHT）来存储和检索RDF数据，使其能够有效地处理大规模数据集。
  • 架构： 采用对等网络（Peer-to-Peer）架构，其中每个节点存储一部分RDF数据，并通过分布式哈希表进行索引和查询。
  • 应用场景： 适用于需要分布式存储和检索RDF数据的场景，如语义网应用和知识图谱管理。

• YARS2 (Yet Another RDF Store 2):

  • 特点： YARS2 是一个基于分布式存储的RDF存储系统，旨在提供高性能的RDF数据管理。它支持数据的分布式存储和查询，并采用三元组（Triple）作为基本数据单元。
  • 架构： 使用分布式哈希表和分区策略，将RDF数据分布式存储在多个节点上。支持SPARQL查询语言。
  • 应用场景： 适用于大规模RDF数据的存储和查询，例如语义网应用和知识图谱。

• 4Store:

  • 特点： 4Store 是一个基于分布式的开源RDF存储系统，旨在提供高性能和可扩展性。它使用了分布式架构，支持SPARQL查询语言。
  • 架构： 数据存储在多个节点上，每个节点负责存储和处理一部分数据。通过节点之间的通信来实现查询和更新。
  • 应用场景： 适用于需要高性能和可扩展性的大规模RDF数据存储和检索，例如语义搜索和Linked Data应用。

🥦知识存储的实例

下面我来简单演示一下Neo4j数据库存储数据

演示之前我们首先得做好环境的配置，软件安装，下面附上链接，自行下载

• JDK
• Neo4j

这是我的JDK版本和Neo4j

最后别忘了添加环境变量哈

Neo4j的启动命令如下（注意启动中别关闭窗口）
win+R cmd

neo4j.bat console

运行后

进入红框中的链接即可，我记得有一布设置用户名密码之类的，设置一下后面连接会用到

这就相当于成功安装了，接下来我将介绍怎么使用，附上简单的使用命令

接下来我们使用一组测试数据来演示如何构架一个知识图谱

"head","tail","relation"
"PersonA","PersonB","Friend"
"PersonA","PersonC","Colleague"
"PersonB","PersonD","Sibling"
"PersonC","PersonE","Parent"
"PersonD","PersonF","Spouse"

将上面的文件保存到txt文件再重命名为csv文件即可

import csv
import py2neo
from py2neo import Graph,Node,Relationship,NodeMatcher
g=Graph('http://localhost:7474',user='neo4j',password='自己的密码',name='neo4j')
with open('测试.csv', 'r', encoding='utf-8') as f:
    reader=csv.reader(f)
    for item in reader:
        if reader.line_num==1:   # 跳过CSV文件的第一行，因为它通常包含标题而不是数据。
            continue
        print("当前行数：",reader.line_num,"当前内容：",item)
        start_node=Node("Person",name=item[0])  # 创建节点
        end_node=Node("Person",name=item[1])
        relation=Relationship(start_node,item[2],end_node) # 创建关系
        g.merge(start_node,"Person","name")  # 如果已存在具有相同属性值的节点，则不会重复创建。相比之下还有一个create，这个如果重复运行会重复创建不会进行覆盖
        g.merge(end_node,"Person","name")
        g.merge(relation,"Person","name")

构建之后的图谱如下

我之前在构建完其他的知识图谱后再构建，会造成节点一大堆，大家可以使用如下命令进行清空，但是清空后需要重新构建图谱

match (n) detach delete n

挑战与创造都是很痛苦的，但是很充实。