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2025/12/23 11:58:01 网站建设 项目流程

ReKnoS是浙江大学提出的新型知识图谱推理框架,通过"超关系"概念解决大模型处理知识图谱的高非检索率问题。该框架能同时表示多条关系路径,扩展搜索空间而不丢弃潜在连接,显著提高检索效率和准确性。实验表明,ReKnoS在九个真实数据集上平均准确率提升2.92%,且效率优于传统方法,为复杂知识图谱推理提供了新思路。


笔记整理:吕恬雯,浙江大学研究生,研究方向为大语言模型、AI for Science

论文链接:https://openreview.net/pdf?id=rTCJ29pkuA

发表会议:ICLR 2025

1. 动机

大型语言模型(LLMs)在处理知识图谱(KGs)方面取得了进展,但现有的方法存在很高的非检索率(non-retrieval rate)。这种限制降低了基于知识图谱问答的准确性。

分析表明,贪婪搜索(greedy search)和前向推理(forward reasoning)的结合是导致此问题的主要原因。非检索失败的主要原因可分为三类:

(1)误导(Misdirection)(占68.8%):即正确的路径与检索到的路径并行,但模型在第一步选错后就很难再找到正确路径。

(2)深度限制(Depth Limitation)(占25.2%):正确路径的长度超过了最大允许的推理长度。

(3)路径缺失(Path Absence)(占6.0%)。

现有方法的共同限制:

(1)基于子图的检索(subgraph reasoning):结构化强但理解性弱。

(2)基于 LLM 的迭代推理(LLM reasoning,如 ToG):理解强但路径容易走偏。两者都依赖单一步的贪心策略,导致错误累积,无法解决误导和深度限制问题。

2. 贡献

本文的主要贡献有:

(1)设计:提出了超关系(super-relations)的概念,即特定领域内一组关系的集合。使用超关系可以通过包含大量关系来进行高效推理,同时增强推理路径的深度和宽度,以解决非检索问题。

(2)框架:提出了一个名为ReKnoS(Reason over Knowledge Graphs with Super-Relations)的新型推理框架。该框架集成了超关系,能同时表示多条关系路径,在不丢弃潜在连接的情况下显著扩展搜索空间。

(3)实验:在九个真实世界的数据集上进行了实验。结果表明,ReKnoS在检索成功率和搜索空间大小方面均显著优于传统方法,平均准确率提高了2.92%。

3. 方法

本文提出的ReKnoS框架旨在利用超关系来扩展搜索并提高检索效率。

(1)核心概念:超关系(Super-Relations)超关系被定义为一组更细粒度的、详细的关系的集合。例如,超关系 “music.featured_artist” 可以包括 “music.featured_artist.recordings” 和 “music.featured_artist.albums” 等具体关系。在Wikidata等知识图谱中,这种层级关系是固有的(例如,将第二级关系视为超关系)。

(2)ReKnoS 框架流程

框架最多包含 L 个推理步骤。

  • 步骤 0:分析器(Analyzer)
  • 从输入问题中提取查询实体(Topic Entity)。
  • 步骤 1…L:推理(Reasoning Steps)
  1. 候选选择(Candidate Selection):在第 步,框架首先确定候选超关系集 ,这些超关系必须与第 步选定的超关系集 中的至少一个超关系相连。
  2. 评分(Scoring):LLM 对 中的所有候选超关系进行评分(范围0到1)。然后,框架选择得分最高的 N 个超关系,组成新的超关系集 。
  3. 决策与实体提取(Decision & Entity Extraction):LLM 根据当前检索到的路径和实体,决定是(a)从当前实体中提取答案,还是(b)继续进行下一步推理。
  4. 路径选择(Path Selection):框架会从多条可能的“超关系路径”中,选出得分最高的 K 条路径 ,路径得分由其包含的超关系得分之和确定。
  5. 最终实体选择(Final Entity Selection):提取满足这 K 条最优超关系路径的最终实体集 。
  • 步骤 L+1:积分器(Integrator)
  • LLM 汇总所有收集到的推理路径和最终实体,生成最终答案。

(3)效率优势与 ToG 等基线方法相比,ReKnoS 的效率更高。ToG 需要评估的路径数随深度 呈指数增长()。而 ReKnoS 在每一步中,LLM 评估的超关系数量最多为 N(即候选集大小),与深度无关,显著减少了LLM的调用次数。

4. 实验

(1)数据集和基线

  • 数据集:使用了9个数据集,涵盖多种KGQA任务,如GrailQA、CWQ、WebQSP、SimpleQA,以及T-REx、HotpotQA等。
  • 基线:包括IO、CoT、Self-Consistency,以及SOTA的KG推理方法:StructGPT、Think-on-Graph (ToG) 和 KG-Agent。
  • 度量标准:主要是 Hits@1(精确匹配准确率)。

(2)核心结果

  • 性能对比:ReKnoS 在大多数数据集上均优于所有基线,尤其是在需要复杂推理的数据集上(如GrailQA和CWQ) 。例如,在GrailQA上,使用GPT-3.5时,ReKnoS (71.9%) 优于 KG-Agent (68.9%);使用GPT-40-mini时,ReKnoS (80.5%) 优于 KG-Agent (77.5%) 。

  • 超关系分析:ReKnoS 具有明显更大的搜索空间。在GrailQA上,其平均搜索空间大小(即搜索过程中遇到的事实三元组数量)比 KG-Agent 和 ToG 分别高出 42% 和 55%。这使得ReKnoS更有可能检索到正确的答案三元组。

  • 效率分析:ReKnoS 在保持卓越性能的同时,实现了最低的平均LLM调用次数。例如,在WebQSP上,ReKnoS 平均调用 3.7 次,而 ToG 为 15.3 次。ReKnoS的调用次数()与搜索宽度 N 无关,而 ToG 的调用次数()则依赖于 N。

  • 超参数分析:增加搜索宽度 N 和最大长度 L 均能带来性能提升。当 N 从 3 降到 1 时,性能显著下降(例如 L=3 时,Hits@1 从 81.1% 降至 76.2%),表明 N(即搜索宽度)对框架性能至关重要。

5. 总结

本文提出了 ReKnoS 框架,该框架利用“超关系”在知识图谱推理过程中包含大量关系。通过实现多关系路径的同时表示和探索,ReKnoS 显著扩展了KG的推理搜索空间,同时避免了有价值信息的丢失。大量实验证明,ReKnoS 的性能超越了现有的SOTA基线,展示了超关系在推进复杂KG推理任务方面的潜力。

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