基于知识图谱的交互式智能儿童玩具设计研究

周君豪　李源枫　金明晖　励雨晴

摘  要：知识图谱利用可视化的图谱结构构建不同领域的知识库，为相关领域知识的应用提供数据支持。研究基于知识图谱的交互式智能儿童玩具构建方式，即通过图数据库技术进行知识提取，能够构建知识图谱的实体关系，并实现数据库的迭代更新。阐述基于知识图谱的交互式智能儿童玩具个性化设计，以及知识图谱在儿童学习指导玩具上的应用，可以针对儿童玩具的娱乐性进行更深入地分析。

关键词：知识图谱;儿童玩具;人工智能;数据库;个性化

一、知识图谱概念阐述

随着通信技术及计算机技术的发展，人类社会进入了信息时代，自此，信息数据呈爆炸性增长。信息的爆炸性增长既为人类带来了丰富的信息阅览体验，也使人类迷失在海量的与人类需求有关或无关的信息中。为了解决信息过载的问题，“语义网络”作为一种全新的知识表达方式被提出，并逐步发展为“知识图谱”。

（一）知识图谱的定义

知识图谱是以图的形式表现客观世界中的实体（概念）及其之间关系的知识库[1]。2012年5月，Google在其官方网站发布Introducing the Knowledge Graph： Thing， not Strings， 首次提出了知识图谱（Knowledge Graph）的概念[2]。随着科学技术的发展，知识图谱在很多方面取得了跨越性的进步，尤其是数据库应用及图像识别技术，这些技术的发展使得知识图谱能够涉及到人类生活的各个方面。

知识图谱由数据层 （data layer） 和模式层 （schema layer） 两部分构成[3]。（如图1）数据层主要是由一系列的事实组成，而知识将以事实为单位进行存储;模式层构建在数据层之上，是知识图谱的核心，通常采用本体库来管理知识图谱的模式层[4]。模式层对数据层起到约束作用，利用两者的联系来支持知识图谱中庞大的知识网络，其中包含繁杂的知识库，它通常利用本体（ontology）对其进行分类。本体可以采用人工编辑的方式手动构建（借助本体编辑软件），也可以以数据驱动的自动化方式构建本体[5]。在本体的作用下，知识图谱在不断地收集、整合数据库的执行效率更高。

（二）知识图谱的应用意义和必要性

从知识图谱的覆盖范围划分，知识图谱可以分为行业内的领域知识图谱和面向全领域的开放域知识图谱，并分别起到精准指导和常识性指导的作用。知识图谱利用其可视化的特征将复杂的网络结构组织和海量互联网数据转化成易理解的表达方式，严密地反映出实体与概念间的联系。知识图谱的建立，能够对相关领域的内容进行智能化和全面化的多维度分析，并客观地为相关科研方向指出发力点和落脚点。

在信息与技术的发展下，网络数据不断地扩大与更新。面对庞大的数据库，其分类与管理成为目前大数据时代的主要问题。早期的知识图谱主要应用于搜索引擎，用户能够通过他们所描述的特征得到相关反馈，其反馈程度与用户所描述内容详细程度呈正相关。它与传统的搜索引擎相比，具有更强大的知识表达能力与数据储备能力，并根据用户特征进行个性化搜索，数据结果更具相关性。因此知识图谱于当前大数据模式有很大的发展空间与优势。

（三）交互式儿童玩具与知识图谱的联系

近几年，儿童玩具的智能化趋势日益明显。儿童玩具的设计不仅重在提升其本身的可玩度，也是作为儿童启蒙式教育的方式。因此未来的玩具将以智能、交互为主要设计方向，玩具设计更具人性化。

知识图谱的应用促进了当前人工智能技术的发展，本文中交互式智能儿童玩具作为载体将知识图谱应用其中，相关功能包括语意搜索、智能问答、个性化推荐等。通过知识图谱的知识采集、知识融合、知识存储等技术对使用者进行相关性分析，并利用可视化的表达方式，将反馈结果以最有效的方式呈现给用户。其中，在语意搜索及智能问答应用中，交互式智能儿童玩具利用数据分析条件与儿童搭建交互关系，在执行过程中采集、分析儿童的数据并传输至玩具数据库中，使其不断得到迭代更新。

二、交互式智能儿童玩具的知识图谱构建

知识图谱的构建对交互式智能儿童玩具的个性化设计至关重要。个性化设计是交互式智能儿童玩具保持新颖性、流行性与易用性的重要手段，其被运用到儿童玩具的各个功能或非功能模块，将增加儿童对儿童玩具的亲和性，减少排斥，强化儿童玩具的使用效果，扩大儿童玩具的受众范围。知识图谱的构建包括知识提取、知识图谱架构、知识层面应用。儿童玩具领域的知识图谱的构建基于上述步骤，并对领域内知识分析从简单实体间关系分析推进到多维复杂关系分析。

（一）交互式智能儿童玩具的知识图谱分析

在对儿童玩具领域内实体、关系和属性进行提取的基础上，综合领域本体的数据模式和知识网络的结构关系，借助图数据库技术，从研究中所采集的数据中提取实体、关系、属性。通过对儿童玩具领域相关知识的分析和研究，总结出以下两个基本要素：儿童基本信息和玩具基本信息。这些基本信息是组成交互式智能儿童玩具知识图谱的实体集合，并从两个实体向外延伸出多维度的复杂关系。在此基础上，对知识图谱在交互式智能儿童玩具的应用途径进行探索。

根据交互式智能儿童玩具的知识图谱需求和应用途径，功能设定上可能涉及不同的技术，包括知识获取、知识存储、知识推理等。知识获取主要应用于前期的框架构建阶段，是对儿童玩具知识领域的实体抽取和关系定义;知识存储是构成知识图谱本题库的关键技术，它包括将获取的知识进行融合，并对其进行数据处理分析;知识推理是实现知识图谱在交互式智能儿童玩具应用的基本方式，其主要利用OWL语言对构成的知识体系进行语意理解，并获取新的知识及结论。

（二）交互式智能儿童玩具的知识图谱构建

知识图谱的构建方式主要有两种：自顶向下和自底向上。为了实现知识的完整性和延续性，本研究采取两者结合的方式进行本题库的搭建。这种混合的方式主要建立在知识抽取的基础上归纳构建模式层，并使其在运行过程中對新的知识和数据进行再归纳，从而迭代更新模式层，并对基于更新后的模式层进行新一轮的更新。

基于知识图谱数据库规模和结构的复杂程度，可以采用图数据库作为基本存储方式。图数据库的基本含义是以“图”这种数据结构存储和查询数据，以节点和边来体现主要数据模型[6]，图中的节点表示知识图谱中的实体，图中的边表示知识图谱中的实体间的关系或实体的属性。通过各节点之间的联系，我们可以模拟儿童的各种交互场景，有儿童与玩具间的交互行为，有儿童与他人的活动过程，甚至有更多其他的场景。图2是简单实体间的关系，展示了儿童与玩具两大实体间的交互关系，并通过它们扩展出的实体信息来构建其属性和关系。

三、知识图谱在交互式智能儿童玩具上的应用

不同种类的玩具功能结构的设定不同，知识图谱与其他功能结构的结合方式需要以具体玩具功能需求为依据。基于儿童玩具的应用领域将知识图谱的应用在个性化设计、教育指导、娱乐性三个方面进行阐述，列举知识图谱在交互式儿童玩具上的具有优势的部分应用方式。

（一）基于知识图谱的儿童玩具个性化设计

知识图谱是单纯的知识库，只有实物语义理解与知识储存的功能，本身不带有反馈属性，但是基于知识图谱，并使用个性化推荐技术可构建推荐系统，通过基于知识图谱的推荐系统与儿童进行交互，可构建儿童的个性化行为特征模型。儿童行为特征模型的主要功能是对儿童在玩具实际使用过程中的行为特征信息进行收集整合。儿童行为特征模型对儿童玩具的个性化设计具有指导作用，即通过分析模型数据，分析出儿童的个性化需求，并建立儿童玩具的设计需求模型，从而实现儿童玩具的个性化设计。儿童行为特征模型依据儿童行为模式的变化修改，通过分析儿童行为特征模型，对儿童玩具的操作方式与功能进行修改，可实现基于知识图谱的儿童玩具迭代设计。

（二）知识图谱在指导儿童学习上的应用

知识图谱是对人类认知层的模拟，拥有认知任何领域事物的功能，在推荐技术、指导方案推理技术与可理解化技术（语言、画面、情景模拟技术等）等辅助技术的支持下能为用户推荐任何领域问题的解决方案与学习性指导。推荐问题的解决方案与学习性指导的基础是对问题有所理解，而知识图谱正是能起到问题理解作用的知识分析、归纳工具。在具有一定重复性的问题上，用户将问题处理方案的原始信息开放给知识图谱学习，玩具通过知识图谱学习进而在已有知识范围内将可用的处理方案推荐给用户，达到降低用户思考负担与减少问题处理时间的目的。而在非重复性问题上，通过广大用户的问题处理方案原始信息上传，数据库中的方案资料也将逐渐丰富，玩具在了解儿童行为意图的情况下能够用最优化的问题处理方案指导儿童。知识图谱可学习的领域包括科学、艺术、语言、行为等所有人类能够认知的领域，因此知识图谱可以应用在任何领域的儿童学习指导上。知识图谱应用在指导儿童学习上将使儿童的学习效率得到提高。

（三）知识图谱在儿童玩具娱乐性上的应用

知识图谱使儿童玩具能负载更加智能化的娱乐方式，如儿童玩具能通过调用知识图谱中关于儿童与儿童、成人与儿童、动物与儿童等任何一种交互模式的知识网络，展现最真实的角色扮演，在如交互式绘画生成、交互式动画生成、游戏模拟等任何领域的智能化娱乐方式的功能运行过程中，知识图谱都能作为最完美的机器学习工具。另外，知识图谱可通过一定安全范围内的试错生成新的娱乐方式，也可通过试错使已有的娱乐方式的趣味性达到最高。知识图谱使儿童玩具的娱乐方式发展更加迅速。

四、结语

知识图谱是人工智能的基础，是人工智能认知与记忆的工具，其在交互式智能儿童玩具上的应用使交互式兒童玩具更加智能化，使交互式儿童玩具的设计更能配合不同儿童的情感和行为特征。知识图谱在交互式儿童玩具上的应用将使儿童玩具的功能领域在智能化的方向进一步扩展，使儿童玩具在诸如教育、娱乐等已有功能领域的效用更加深化，将使儿童玩具的发展进一步加速。值得进一步研究的工作有“知识图谱在儿童玩具上的应用对儿童玩具使用者产生的影响”与“知识图谱在儿童玩具上的应用限制”，这些研究工作将进一步确认知识图谱在儿童玩具上的应用价值，进一步规范知识图谱的应用方式，并避免研发资源浪费。近年来关于知识图谱的研究与应用蓬勃发展，可以预见的是知识图谱将以其强大的语义理解能力被应用在各种智能化设备中，成为未来智慧城市的重要组成部分。

参考文献：

[1]黄恒琪，于娟，廖晓，席运江.知识图谱研究综述[J].计算机系统应用，2019（6）：1-12.

[2]王思茗，孙熊兰，滕广青，叶心，栾宇.知识图谱在领域知识多维分析中的应用途径研究[J].探索与交流，2019（3）：18-27.

[3]徐增林，盛泳潘，贺丽荣，王雅芳.知识图谱技术综述[J].电子科技大学学报，2016（4）：589–606.

[4]中科天玑大数据.最全知识图谱的概念篇[EB/0L].[2018-02-17].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1592653047313321258&wfr=spider&for=pc

[5]深度练习.知识图谱在金融领域的作用[EBI0L].[2019-04-29].https：//www.cnblogs.com/chenyusheng0803/p/10792492.html.

[6]王一鸣.基于知识图谱的推荐技术研究及应用[D].成都：电子科技大学，2018.

作者简介：周君豪，浙江农林大学暨阳学院。

李源枫，硕士，浙江农林大学暨阳学院。

金明晖，浙江农林大学暨阳学院。

励雨晴，浙江农林大学暨阳学院。