告诉我们事实：用知识图谱增强大语言模型以实现事实感知的语言建模

论文标题：Give Us the Facts: Enhancing Large Language Models with Knowledge Graphs for Fact-aware Language Modeling

论文链接：https://arxiv.org/abs/2306.11489

论文作者：Linyao Yang, Hongyang Chen, Zhao Li, Xiao Ding, Xindong Wu

摘要：最近，ChatGPT 作为大语言模型（LLMs）的一个典型代表，受到了广泛的关注。由于其强大的涌现能力，最近的 LLMs 被认为是结构化知识库（如知识图谱）的可能替代方案。然而，尽管 LLMs 精通学习概率语言模式并与人类进行对话，但与之前较小的预训练语言模型（PLMs）一样，它们在生成以知识为基础的内容时仍然难以回忆事实。为了克服这些限制，研究人员使用基于知识的知识图谱来增强数据驱动的 PLMs，将明确的事实知识融入 PLMs，从而提高其生成需要事实知识的文本并为用户查询提供更明智的响应的性能。这篇论文综述了知识图谱增强预训练语言模型的研究，详细介绍了现有的知识图谱增强预训练语言模型（KGPLMs）及其应用。受 KGPLM 现有研究的启发，论文提出通过开发知识图谱增强的大语言模型（KGLLM），用 KG 增强 LLMs。KGLLM 为增强 LLM 的事实推理能力提供了解决方案，并为 LLM 研究开辟了新的途径。

1. 这篇论文是关于什么的？

论文探讨了如何通过知识图谱（KGs）增强大语言模型（LLMs），以实现对事实感知的语言建模。它回顾了现有的研究，提出了知识图谱增强的预训练语言模型（KGPLM），并提出了一种新的模型 —— 知识图谱增强的大语言模型（KGLLM），以提高 LLMs 在生成以知识为基础的内容时的事实推理能力。

2. 作者提出了什么问题？

作者指出，尽管大语言模型（如 ChatGPT）在对话和文本生成方面表现出色，但在生成以知识为基础的内容时，它们在回忆事实和应用正确知识方面存在困难。

3. 作者想要解决什么问题？

作者旨在通过结合知识图谱来解决 LLMs 在生成以知识为基础的内容时的局限性，提高模型在需要事实知识的任务中的性能。

4. 作者通过什么方法来解决这些问题？

作者提出了三种增强 PLMs 的方法：预训练前的增强、训练期间的增强和训练后的增强。这些方法涉及将知识图谱与文本信息融合，改进模型架构，以及在特定任务上微调模型。

5. 作者如何验证他们的方法？

论文通过系统地回顾相关研究，并对 KGPLMs 进行分类和详细介绍，来验证提出的方法。此外，作者还讨论了 KGLLMs 的潜在应用，并提出了未来研究方向。

6. 实验结果是什么？

论文中没有直接提供具体的实验结果，但作者提到 KGPLMs 在实体分类、关系分类和问答等知识基础任务上相比传统 PLMs 有性能提升。

7. 这些结果有什么意义？

结果表明，知识图谱能够有效地增强预训练语言模型的知识推理能力，这对于提高模型在复杂 NLP 任务中的性能至关重要。

8. 这些结果的局限性是什么？

论文中提到的局限性包括计算资源的消耗、知识融合的效果和效率、以及知识图谱的更新和维护等。

9. 这项工作对相关领域有什么贡献？

这项工作提供了对 KGPLMs 的全面回顾，为研究人员提供了深入理解该领域的视角。同时，它提出了 KGLLMs 的概念，并指出了一些可能的未来研究方向，有助于推动 LLM 研究的发展。

10. 未来的工作可能是什么？

作者提出了一些未来研究方向，包括提高 KGLLMs 的效率、融合不同类型的知识、提高知识整合的有效性、增强 KGLLMs 的可解释性、以及探索特定领域的 KGLLMs。

通过上述分析，我们可以看到这篇论文对当前的大语言模型和知识图谱研究领域提供了深入的见解，并为未来的研究工作指出了明确的方向。这项工作可能促进 LLM 和 KG 的其他研究进展。

根据论文内容，KGLLMs（知识图谱增强的大语言模型）的具体实现涉及多种技术方案，主要包括以下几类：

1. 预训练前的增强（Before-training Enhancement）：
   • 扩展输入结构：如 K-BERT 将文本转换为句子树，并注入相关知识图谱子图。
   • 丰富输入信息：例如 LUKE 引入实体类型嵌入，以指示句子中的对应标记是实体。
   • 生成新数据：基于知识图谱生成人工文本，如 AMS 构建基于常识的知识相关问题回答数据集。
   • 优化词掩码：改进 MLM 任务中的掩码策略，选择基于知识图谱的掩码目标。
2. 训练期间的增强（During-training Enhancement）：
   • 整合知识编码器：如 ERNIE 集成知识编码器来融合知识图谱信息。
   • 插入知识编码层：例如 KnowBERT 加入知识注意重新上下文化模块来整合多个知识图谱。
   • 添加独立适配器：如 K-Adapter 通过在不同任务上独立训练适配器来注入各种类型的知识。
   • 修改预训练任务：例如将 MLM 更改为基于实体的掩码实体建模（MEM）。
3. 训练后的增强（Post-training Enhancement）：
   • 微调 PLMs 以融入知识：如 KALA 通过微调 PLMs 的中间隐藏表示来调节领域知识。
   • 生成基于知识的提示（Prompts）：利用开放信息提取模型和基于规则的后处理来构建定制的动态知识图谱。
4. 其他增强方法：
   • 数据增强：通过在预训练期间改进训练数据，强调信息丰富的词汇。
   • 检索增强：允许 LLMs 从数据库检索外部数据，以提示或嵌入的形式传递给 LLMs。
5. 特定技术实现：
   • 多模态和时序知识整合：需要对多模态实体进行对齐，设计能够处理和融合多模态时序数据的编码器。
   • 知识编码器：如使用图神经网络（GNNs）作为知识编码器，用于整合文本知识和结构知识。
   • 注意力机制：用于设计知识融合模块，帮助模型更好地结合文本信息和知识图谱中的信息。
6. 效率和性能优化：
   • 研究 KGLLMs 的规模法则，确定最优的参数大小，以减少计算资源和时间。
   • 探索不同知识的融合方式，以及如何有效地整合有价值的知识。
7. 可解释性增强：
   • 利用知识图谱提高 LLMs 的可解释性，例如通过搜索相关的推理路径来生成解释性文本。
8. 领域特定 KGLLMs：
   • 构建准确的领域特定知识图谱，并将其与 LLMs 整合，可能需要结合通用知识图谱和领域特定知识图谱。

这些技术方案的实现需要深入理解自然语言处理、知识图谱、机器学习等多个领域的知识。实际应用中，可能需要根据特定任务的需求和约束来选择或设计合适的技术方案。

根据论文内容，KGLLMs（知识图谱增强的大语言模型）在实际应用中具有以下潜在优势和挑战：

潜在优势：

1. 提高事实推理能力：KGLLMs 通过整合知识图谱，能够增强模型在处理需要事实推理的任务时的表现。
2. 增强知识基础任务的性能：KGLLMs 在实体分类、关系分类和问答等知识基础任务上相比传统 PLMs 有性能提升。
3. 减少生成内容的 “幻觉” 问题：通过知识图谱的结构化信息，KGLLMs 能够减少生成与事实不符的内容，提高生成内容的准确性。
4. 提升特定领域的表现：通过引入领域特定的知识图谱，KGLLMs 能够更好地理解和生成特定领域的内容。
5. 改善模型的可解释性：知识图谱的引入有助于解释模型的决策过程，提高模型的可解释性。
6. 实时知识更新：与需要重新训练的模型相比，知识图谱可以更容易地更新，帮助 KGLLMs 获取最新知识。
7. 多模态和时序知识的整合：KGLLMs 可以整合多模态和时序知识图谱，提供更丰富的上下文信息。

挑战：

1. 计算资源消耗：KGLLMs 的预处理和编码知识可能需要更多的计算资源和时间。
2. 知识整合效率：如何有效地将知识图谱中的知识与 LLMs 结合，避免信息丢失和冲突，是一个挑战。
3. 模型复杂性：KGLLMs 可能会因为增加了知识编码器或外部知识模块而变得更复杂，这可能导致训练时间增加。
4. 过拟合风险：更复杂的模型结构和更多的参数可能增加过拟合的风险。
5. 知识更新和维护：虽然知识图谱可以更新，但如何高效地整合和维护这些知识，特别是在大型知识图谱中，是一个挑战。
6. 领域适应性：构建特定领域的 KGLLMs 需要准确的领域知识图谱和相关语料库，这可能需要领域专家的大量工作。
7. 解释性和透明度：尽管 KGLLMs 的引入有助于提高可解释性，但如何有效地利用知识图谱来解释模型的决策仍然是一个开放性的问题。
8. 数据隐私和偏见：KGLLMs 可能会从训练数据中学习到偏见，并在生成的内容中表现出来，需要采取措施来减少这种影响。
9. 多语言和跨文化挑战：在不同语言和文化背景下，知识图谱的构建和应用可能会面临不同的挑战。
10. 评估和基准测试：开发合适的评估方法和基准测试来衡量 KGLLMs 的性能仍是一个持续的挑战。

综上所述，KGLLMs 在提高大语言模型性能方面提供了新的可能性，但同时也带来了一系列需要解决的挑战。未来的研究需要在这些优势和挑战之间寻找平衡点。

总结来说，这篇论文探讨了三个问题：

• 在 LLMs 时代，知识图谱（KGs）的价值何在？
• 如何将知识图谱融入 LLMs 以提高其表现？
• 我们需要为 KGLLM 的未来发展做些什么？