Machine learning for managing structured and semi-structured data

As the digitalization of private, commercial, and public sectors advances rapidly, an increasing amount of data is becoming available. In order to gain insights or knowledge from these enormous amounts of raw data, a deep analysis is essential. The immense volume requires highly automated processes with minimal manual interaction. In recent years, machine learning methods have taken on a central role in this task. In addition to the individual data points, their interrelationships often play a decisive role, e.g. whether two patients are related to each other or whether they are treated by the same physician. Hence, relational learning is an important branch of research, which studies how to harness this explicitly available structural information between different data points. Recently, graph neural networks have gained importance. These can be considered an extension of convolutional neural networks from regular grids to general (irregular) graphs. Knowledge graphs play an essential role in representing facts about entities in a machine-readable way. While great efforts are made to store as many facts as possible in these graphs, they often remain incomplete, i.e., true facts are missing. Manual verification and expansion of the graphs is becoming increasingly difficult due to the large volume of data and must therefore be assisted or substituted by automated procedures which predict missing facts. The field of knowledge graph completion can be roughly divided into two categories: Link Prediction and Entity Alignment. In Link Prediction, machine learning models are trained to predict unknown facts between entities based on the known facts. Entity Alignment aims at identifying shared entities between graphs in order to link several such knowledge graphs based on some provided seed alignment pairs. In this thesis, we present important advances in the field of knowledge graph completion. For Entity Alignment, we show how to reduce the number of required seed alignments while maintaining performance by novel active learning techniques. We also discuss the power of textual features and show that graph-neural-network-based methods have difficulties with noisy alignment data. For Link Prediction, we demonstrate how to improve the prediction for unknown entities at training time by exploiting additional metadata on individual statements, often available in modern graphs. Supported with results from a large-scale experimental study, we present an analysis of the effect of individual components of machine learning models, e.g., the interaction function or loss criterion, on the task of link prediction. We also introduce a software library that simplifies the implementation and study of such components and makes them accessible to a wide research community, ranging from relational learning researchers to applied fields, such as life sciences. Finally, we propose a novel metric for evaluating ranking results, as used for both completion tasks. It allows for easier interpretation and comparison, especially in cases with different numbers of ranking candidates, as encountered in the de-facto standard evaluation protocols for both tasks.Mit der rasant fortschreitenden Digitalisierung des privaten, kommerziellen und öffentlichen Sektors werden immer größere Datenmengen verfügbar. Um aus diesen enormen Mengen an Rohdaten Erkenntnisse oder Wissen zu gewinnen, ist eine tiefgehende Analyse unerlässlich. Das immense Volumen erfordert hochautomatisierte Prozesse mit minimaler manueller Interaktion. In den letzten Jahren haben Methoden des maschinellen Lernens eine zentrale Rolle bei dieser Aufgabe eingenommen. Neben den einzelnen Datenpunkten spielen oft auch deren Zusammenhänge eine entscheidende Rolle, z.B. ob zwei Patienten miteinander verwandt sind oder ob sie vom selben Arzt behandelt werden. Daher ist das relationale Lernen ein wichtiger Forschungszweig, der untersucht, wie diese explizit verfügbaren strukturellen Informationen zwischen verschiedenen Datenpunkten nutzbar gemacht werden können. In letzter Zeit haben Graph Neural Networks an Bedeutung gewonnen. Diese können als eine Erweiterung von CNNs von regelmäßigen Gittern auf allgemeine (unregelmäßige) Graphen betrachtet werden. Wissensgraphen spielen eine wesentliche Rolle bei der Darstellung von Fakten über Entitäten in maschinenlesbaren Form. Obwohl große Anstrengungen unternommen werden, so viele Fakten wie möglich in diesen Graphen zu speichern, bleiben sie oft unvollständig, d. h. es fehlen Fakten. Die manuelle Überprüfung und Erweiterung der Graphen wird aufgrund der großen Datenmengen immer schwieriger und muss daher durch automatisierte Verfahren unterstützt oder ersetzt werden, die fehlende Fakten vorhersagen. Das Gebiet der Wissensgraphenvervollständigung lässt sich grob in zwei Kategorien einteilen: Link Prediction und Entity Alignment. Bei der Link Prediction werden maschinelle Lernmodelle trainiert, um unbekannte Fakten zwischen Entitäten auf der Grundlage der bekannten Fakten vorherzusagen. Entity Alignment zielt darauf ab, gemeinsame Entitäten zwischen Graphen zu identifizieren, um mehrere solcher Wissensgraphen auf der Grundlage einiger vorgegebener Paare zu verknüpfen. In dieser Arbeit stellen wir wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der Vervollständigung von Wissensgraphen vor. Für das Entity Alignment zeigen wir, wie die Anzahl der benötigten Paare reduziert werden kann, während die Leistung durch neuartige aktive Lerntechniken erhalten bleibt. Wir erörtern auch die Leistungsfähigkeit von Textmerkmalen und zeigen, dass auf Graph-Neural-Networks basierende Methoden Schwierigkeiten mit verrauschten Paar-Daten haben. Für die Link Prediction demonstrieren wir, wie die Vorhersage für unbekannte Entitäten zur Trainingszeit verbessert werden kann, indem zusätzliche Metadaten zu einzelnen Aussagen genutzt werden, die oft in modernen Graphen verfügbar sind. Gestützt auf Ergebnisse einer groß angelegten experimentellen Studie präsentieren wir eine Analyse der Auswirkungen einzelner Komponenten von Modellen des maschinellen Lernens, z. B. der Interaktionsfunktion oder des Verlustkriteriums, auf die Aufgabe der Link Prediction. Außerdem stellen wir eine Softwarebibliothek vor, die die Implementierung und Untersuchung solcher Komponenten vereinfacht und sie einer breiten Forschungsgemeinschaft zugänglich macht, die von Forschern im Bereich des relationalen Lernens bis hin zu angewandten Bereichen wie den Biowissenschaften reicht. Schließlich schlagen wir eine neuartige Metrik für die Bewertung von Ranking-Ergebnissen vor, wie sie für beide Aufgaben verwendet wird. Sie ermöglicht eine einfachere Interpretation und einen leichteren Vergleich, insbesondere in Fällen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kandidaten, wie sie in den de-facto Standardbewertungsprotokollen für beide Aufgaben vorkommen

On the Ambiguity of Rank-Based Evaluation of Entity Alignment or Link Prediction Methods

In this work, we take a closer look at the evaluation of two families of methods for enriching information from knowledge graphs: Link Prediction and Entity Alignment. In the current experimental setting, multiple different scores are employed to assess different aspects of model performance. We analyze the informativeness of these evaluation measures and identify several shortcomings. In particular, we demonstrate that all existing scores can hardly be used to compare results across different datasets. Moreover, we demonstrate that varying size of the test size automatically has impact on the performance of the same model based on commonly used metrics for the Entity Alignment task. We show that this leads to various problems in the interpretation of results, which may support misleading conclusions. Therefore, we propose adjustments to the evaluation and demonstrate empirically how this supports a fair, comparable, and interpretable assessment of model performance. Our code is available at https://github.com/mberr/rank-based-evaluation

Query Embedding on Hyper-relational Knowledge Graphs

Multi-hop logical reasoning is an established problem in the field of representation learning on knowledge graphs (KGs). It subsumes both one-hop link prediction as well as other more complex types of logical queries. Existing algorithms operate only on classical, triple-based graphs, whereas modern KGs often employ a hyper-relational modeling paradigm. In this paradigm, typed edges may have several key-value pairs known as qualifiers that provide fine-grained context for facts. In queries, this context modifies the meaning of relations, and usually reduces the answer set. Hyper-relational queries are often observed in real-world KG applications, and existing approaches for approximate query answering cannot make use of qualifier pairs. In this work, we bridge this gap and extend the multi-hop reasoning problem to hyper-relational KGs allowing to tackle this new type of complex queries. Building upon recent advancements in Graph Neural Networks and query embedding techniques, we study how to embed and answer hyper-relational conjunctive queries. Besides that, we propose a method to answer such queries and demonstrate in our experiments that qualifiers improve query answering on a diverse set of query patterns

PyKEEN 1.0: A Python Library for Training and Evaluating Knowledge Graph Embeddings

Recently, knowledge graph embeddings (KGEs) received significant attention, and several software libraries have been developed for training and evaluating KGEs. While each of them addresses specific needs, we re-designed and re-implemented PyKEEN, one of the first KGE libraries, in a community effort. PyKEEN 1.0 enables users to compose knowledge graph embedding models (KGEMs) based on a wide range of interaction models, training approaches, loss functions, and permits the explicit modeling of inverse relations. Besides, an automatic memory optimization has been realized in order to exploit the provided hardware optimally, and through the integration of Optuna extensive hyper-parameter optimization (HPO) functionalities are provided