Leveraging literals for knowledge graph embeddings

Wissensgraphen (Knowledge Graphs, KGs) repräsentieren strukturierte Fakten, die sich aus Entitäten und den zwischen diesen bestehenden Relationen zusammensetzen. Um die Effizienz von KG-Anwendungen zu maximieren, ist es von Vorteil, KGs in einen niedrigdimensionalen Vektorraum zu transformieren. KGs folgen dem Paradigma einer offenen Welt (Open World Assumption, OWA), d. h. fehlende Information wird als potenziell möglich angesehen, wodurch ihre Verwendung in realen Anwendungsszenarien oft eingeschränkt wird. Link-Vorhersage (Link Prediction, LP) zur Vervollständigung von KGs kommt daher eine hohe Bedeutung zu. LP kann in zwei unterschiedlichen Modi durchgeführt werden, transduktiv und induktiv, wobei die erste Möglichkeit voraussetzt, dass alle Entitäten der Testdaten in den Trainingsdaten vorhanden sind, während die zweite Möglichkeit auch zuvor nicht bekannte Entitäten in den Testdaten zulässt. Die vorliegende Arbeit untersucht die Verwendung von Literalen in der transduktiven und induktiven LP, da KGs zahlreiche numerische und textuelle Literale enthalten, die eine wesentliche Semantik aufweisen. Zur Evaluierung dieser LP Methoden werden spezielle Benchmark-Datensätze eingeführt. Insbesondere wird eine neuartige KG Embedding (KGE) Methode, RAILD, vorgeschlagen, die Textliterale zusammen mit kontextuellen Graphinformationen für die LP nutzt. Das Ziel von RAILD ist es, die bestehende Forschungslücke beim Lernen von Embeddings für beim Training ungesehene Relationen zu schließen. Dafür wird eine Architektur vorgeschlagen, die Sprachmodelle (Language Models, LMs) mit Netzwerkembeddings kombiniert. Hierzu erfolgt ein Feintuning von leistungsstarken vortrainierten LMs wie BERT zum Zweck der LP, wobei textuelle Beschreibungen von Entitäten und Relationen genutzt werden. Darüber hinaus wird ein neuer Algorithmus, WeiDNeR, eingeführt, um ein Relationsnetzwerk zu generieren, das zum Erlernen graphbasierter Embeddings von Relationen unter Verwendung eines Netzwerkembeddingsmodells dient. Die Vektorrepräsentationen dieser Relationen werden für die LP kombiniert. Zudem wird ein weiteres neuartiges Embeddingmodell, LitKGE, vorgestellt, das numerische Literale für die transduktive LP verwendet. Es zielt darauf ab, numerische Merkmale für Entitäten durch Graphtraversierung zu erzeugen. Hierfür wird ein weiterer Algorithmus, WeiDNeR_Extended, eingeführt, der ein Netzwerk aus Objekt- und Datentypproperties erzeugt. Aus den aus diesem Netzwerk extrahierten Propertypfaden werden dann numerische Merkmale von Entitäten generiert. Des Weiteren wird der Einsatz eines mehrsprachigen LM zur Kodierung von Entitätenbeschreibungen in verschiedenen natürlichen Sprachen zum Zweck der LP untersucht. Für die Evaluierung der KGE-Modelle wurden die Benchmark-Datensätze LiterallyWikidata und Wikidata68K erstellt. Die vielversprechenden Ergebnisse, die mit den vorgestellten Modellen erzielt wurden, eröffnen interessante Fragestellungen für die zukünftige Forschung auf dem Gebiet der KGEs und ihrer Folgeanwendungen

Relational Message Passing for Fully Inductive Knowledge Graph Completion

In knowledge graph completion (KGC), predicting triples involving emerging entities and/or relations, which are unseen when the KG embeddings are learned, has become a critical challenge. Subgraph reasoning with message passing is a promising and popular solution. Some recent methods have achieved good performance, but they (i) usually can only predict triples involving unseen entities alone, failing to address more realistic fully inductive situations with both unseen entities and unseen relations, and (ii) often conduct message passing over the entities with the relation patterns not fully utilized. In this study, we propose a new method named RMPI which uses a novel Relational Message Passing network for fully Inductive KGC. It passes messages directly between relations to make full use of the relation patterns for subgraph reasoning with new techniques on graph transformation, graph pruning, relation-aware neighborhood attention, addressing empty subgraphs, etc., and can utilize the relation semantics defined in the ontological schema of KG. Extensive evaluation on multiple benchmarks has shown the effectiveness of techniques involved in RMPI and its better performance compared with the existing methods that support fully inductive KGC. RMPI is also comparable to the state-of-the-art partially inductive KGC methods with very promising results achieved. Our codes and data are available at https://github.com/zjukg/RMPI.Comment: under revie

Graph Learning and Its Applications: A Holistic Survey

Graph learning is a prevalent domain that endeavors to learn the intricate relationships among nodes and the topological structure of graphs. These relationships endow graphs with uniqueness compared to conventional tabular data, as nodes rely on non-Euclidean space and encompass rich information to exploit. Over the years, graph learning has transcended from graph theory to graph data mining. With the advent of representation learning, it has attained remarkable performance in diverse scenarios, including text, image, chemistry, and biology. Owing to its extensive application prospects, graph learning attracts copious attention from the academic community. Despite numerous works proposed to tackle different problems in graph learning, there is a demand to survey previous valuable works. While some researchers have perceived this phenomenon and accomplished impressive surveys on graph learning, they failed to connect related objectives, methods, and applications in a more coherent way. As a result, they did not encompass current ample scenarios and challenging problems due to the rapid expansion of graph learning. Different from previous surveys on graph learning, we provide a holistic review that analyzes current works from the perspective of graph structure, and discusses the latest applications, trends, and challenges in graph learning. Specifically, we commence by proposing a taxonomy from the perspective of the composition of graph data and then summarize the methods employed in graph learning. We then provide a detailed elucidation of mainstream applications. Finally, based on the current trend of techniques, we propose future directions.Comment: 20 pages, 7 figures, 3 table

Scalable statistical learning for relation prediction on structured data

Relation prediction seeks to predict unknown but potentially true relations by revealing missing relations in available data, by predicting future events based on historical data, and by making predicted relations retrievable by query. The approach developed in this thesis can be used for a wide variety of purposes, including to predict likely new friends on social networks, attractive points of interest for an individual visiting an unfamiliar city, and associations between genes and particular diseases. In recent years, relation prediction has attracted significant interest in both research and application domains, partially due to the increasing volume of published structured data and background knowledge. In the Linked Open Data initiative of the Semantic Web, for instance, entities are uniquely identified such that the published information can be integrated into applications and services, and the rapid increase in the availability of such structured data creates excellent opportunities as well as challenges for relation prediction. This thesis focuses on the prediction of potential relations by exploiting regularities in data using statistical relational learning algorithms and applying these methods to relational knowledge bases, in particular in Linked Open Data in particular. We review representative statistical relational learning approaches, e.g., Inductive Logic Programming and Probabilistic Relational Models. While logic-based reasoning can infer and include new relations via deduction by using ontologies, machine learning can be exploited to predict new relations (with some degree of certainty) via induction, purely based on the data. Because the application of machine learning approaches to relation prediction usually requires handling large datasets, we also discuss the scalability of machine learning as a solution to relation prediction, as well as the significant challenge posed by incomplete relational data (such as social network data, which is often much more extensive for some users than others). The main contribution of this thesis is to develop a learning framework called the Statistical Unit Node Set (SUNS) and to propose a multivariate prediction approach used in the framework. We argue that multivariate prediction approaches are most suitable for dealing with large, sparse data matrices. According to the characteristics and intended application of the data, the approach can be extended in different ways. We discuss and test two extensions of the approach--kernelization and a probabilistic method of handling complex n-ary relationships--in empirical studies based on real-world data sets. Additionally, this thesis contributes to the field of relation prediction by applying the SUNS framework to various domains. We focus on three applications: 1. In social network analysis, we present a combined approach of inductive and deductive reasoning for recommending movies to users. 2. In the life sciences, we address the disease gene prioritization problem. 3. In the recommendation system, we describe and investigate the back-end of a mobile app called BOTTARI, which provides personalized location-based recommendations of restaurants.Die Beziehungsvorhersage strebt an, unbekannte aber potenziell wahre Beziehungen vorherzusagen, indem fehlende Relationen in verfügbaren Daten aufgedeckt, zukünftige Ereignisse auf der Grundlage historischer Daten prognostiziert und vorhergesagte Relationen durch Anfragen abrufbar gemacht werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz lässt sich für eine Vielzahl von Zwecken einschließlich der Vorhersage wahrscheinlicher neuer Freunde in sozialen Netzen, der Empfehlung attraktiver Sehenswürdigkeiten für Touristen in fremden Städten und der Priorisierung möglicher Assoziationen zwischen Genen und bestimmten Krankheiten, verwenden. In den letzten Jahren hat die Beziehungsvorhersage sowohl in Forschungs- als auch in Anwendungsbereichen eine enorme Aufmerksamkeit erregt, aufgrund des Zuwachses veröffentlichter strukturierter Daten und von Hintergrundwissen. In der Linked Open Data-Initiative des Semantischen Web werden beispielsweise Entitäten eindeutig identifiziert, sodass die veröffentlichten Informationen in Anwendungen und Dienste integriert werden können. Diese rapide Erhöhung der Verfügbarkeit strukturierter Daten bietet hervorragende Gelegenheiten sowie Herausforderungen für die Beziehungsvorhersage. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Vorhersage potenzieller Beziehungen durch Ausnutzung von Regelmäßigkeiten in Daten unter der Verwendung statistischer relationaler Lernalgorithmen und durch Einsatz dieser Methoden in relationale Wissensbasen, insbesondere in den Linked Open Daten. Wir geben einen Überblick über repräsentative statistische relationale Lernansätze, z.B. die Induktive Logikprogrammierung und Probabilistische Relationale Modelle. Während das logikbasierte Reasoning neue Beziehungen unter der Nutzung von Ontologien ableiten und diese einbeziehen kann, kann maschinelles Lernen neue Beziehungen (mit gewisser Wahrscheinlichkeit) durch Induktion ausschließlich auf der Basis der vorliegenden Daten vorhersagen. Da die Verarbeitung von massiven Datenmengen in der Regel erforderlich ist, wenn maschinelle Lernmethoden in die Beziehungsvorhersage eingesetzt werden, diskutieren wir auch die Skalierbarkeit des maschinellen Lernens sowie die erhebliche Herausforderung, die sich aus unvollständigen relationalen Daten ergibt (z. B. Daten aus sozialen Netzen, die oft für manche Benutzer wesentlich umfangreicher sind als für Anderen). Der Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein Lernframework namens Statistical Unit Node Set (SUNS) zu entwickeln und einen im Framework angewendeten multivariaten Prädiktionsansatz einzubringen. Wir argumentieren, dass multivariate Vorhersageansätze am besten für die Bearbeitung von großen und dünnbesetzten Datenmatrizen geeignet sind. Je nach den Eigenschaften und der beabsichtigten Anwendung der Daten kann der Ansatz auf verschiedene Weise erweitert werden. In empirischen Studien werden zwei Erweiterungen des Ansatzes--ein kernelisierter Ansatz sowie ein probabilistischer Ansatz zur Behandlung komplexer n-stelliger Beziehungen-- diskutiert und auf realen Datensätzen untersucht. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Anwendung des SUNS Frameworks auf verschiedene Bereiche. Wir konzentrieren uns auf drei Anwendungen: 1. In der Analyse sozialer Netze stellen wir einen kombinierten Ansatz von induktivem und deduktivem Reasoning vor, um Benutzern Filme zu empfehlen. 2. In den Biowissenschaften befassen wir uns mit dem Problem der Priorisierung von Krankheitsgenen. 3. In den Empfehlungssystemen beschreiben und untersuchen wir das Backend einer mobilen App "BOTTARI", das personalisierte ortsbezogene Empfehlungen von Restaurants bietet

Neurosymbolic AI for Reasoning on Graph Structures: A Survey

Neurosymbolic AI is an increasingly active area of research which aims to combine symbolic reasoning methods with deep learning to generate models with both high predictive performance and some degree of human-level comprehensibility. As knowledge graphs are becoming a popular way to represent heterogeneous and multi-relational data, methods for reasoning on graph structures have attempted to follow this neurosymbolic paradigm. Traditionally, such approaches have utilized either rule-based inference or generated representative numerical embeddings from which patterns could be extracted. However, several recent studies have attempted to bridge this dichotomy in ways that facilitate interpretability, maintain performance, and integrate expert knowledge. Within this article, we survey a breadth of methods that perform neurosymbolic reasoning tasks on graph structures. To better compare the various methods, we propose a novel taxonomy by which we can classify them. Specifically, we propose three major categories: (1) logically-informed embedding approaches, (2) embedding approaches with logical constraints, and (3) rule-learning approaches. Alongside the taxonomy, we provide a tabular overview of the approaches and links to their source code, if available, for more direct comparison. Finally, we discuss the applications on which these methods were primarily used and propose several prospective directions toward which this new field of research could evolve.Comment: 21 pages, 8 figures, 1 table, currently under review. Corresponding GitHub page here: https://github.com/NeSymGraph