CN109033260B - 基于rdf的知识图谱交互式可视化查询方法 - Google Patents
基于rdf的知识图谱交互式可视化查询方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于RDF的知识图谱交互式可视化查询方法，将用户的查询分为三类：基于实体查询、基于模式匹配查询、基于正则路径查询，然后将查询结果进行可视化。本发明根据RDF和SPARQL标准的特点以及现代交互设计理念设计了知识图谱交互可视化方法，能够帮助用户从RDF图数据库中查询实体和关系，利用模式匹配查询和正则路径查询的特性完成较复杂的查询，并且基于前端技术和React框架实现了该设计。
Description
技术领域
本发明涉及RDF图数据领域，特别涉及基于RDF的知识图谱交互式可视化查询方法。
背景技术
资源描述框架(Resource Description Framework，缩写RDF)是由万维网联盟(WorldWide Web Consortium，缩写W3C)定义的一系列规范。语义网提供了一个能让数据跨越应用、平台、组织的限制被共享和使用的框架。使用RDF能让实体及其之间的关系在语义网中被很好地储存和使用。RDF作为语义网中的关键数据格式，近些年来成为了构建知识图谱事实上的标准。RDF将数据组织为有向图能够更好地表现出结点与边所代表的资源的关系，所以非常适合作为知识图谱的数据模型。随着Linked Data的发展，目前语义网已经积累了大量数据。近几年涌现出了一些涵盖多个领域不同规模的RDF数据库，并且这些数据库提供了SPARQL endpoint支持使用SPARQL进行查询。SPARQL的出现提供了一种RDF数据查询的方法但同时也带来了新的问题。因为RDF是基于XML的结构化数据并且使用SPARQL需要一定背景知识所以普通用户难以在RDF数据库中进行查询，而且现有数据库查询结果基于结构化的文本可读性较低不够直观，所以为了能够提高现有RDF图数据和知识图谱的易用性，设计实现一种交互可视化方法是非常有必要的。
LinkedData的提出促进了各个RDF图数据库的发展，无论是在通用领域还是在专业领域都有了规模可观的图数据库。目前通用领域具有代表性的RDF图数据库有DBpedia、YAGO和WikiData，生命科学和生物信息学作为RDF图数据应用较为广泛的领域，大规模的图数据库有EBI-RDF、UniPort、CTD等，这些数据库普遍使用Virtuoso作为DBMS。在众多LinkedData中最具代表性的是DBpedia，它是由社区推动的一个通过众包从***中提取结构化RDF图数据的项目，目前规模达到4,580,000个实体以及125种语言。DBpedia使用Virtuoso提供的基于网页的SPARQL endpoint支持多种格式的结果如JSON、XML等。
对于知识图谱的可视化通常采用有向图的可视化方法来展现实体及其之间的关系。例如在生物信息学领域使用RDF图数据来表示基因、蛋白质、化合物之间的关系并且通过可视化来发掘一些信息。但是目前对于通用领域的RDF图数据库并没有很好的可视化应用，而且现有的可视化方法的交互性不足导致用户在使用时存在一些不便。另一方面，在W3C关于SPARQL的规范中定义了多种查询模式例如模式匹配查询和正则路径查询，而这两种查询模式并没有被很好的支持导致用户无法将自己的需求通过交互式界面输入并得到想要的结果。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，根据RDF和SPARQL标准的特点以及现代交互设计理念，提供一种基于RDF的知识图谱交互式可视化查询方法，能够帮助用户从RDF图数据库中查询实体和关系，利用模式匹配查询和正则路径查询的特性完成较复杂的查询，并且基于前端技术和React框架实现了该设计。
本发明所采用的技术方案是：一种基于RDF的知识图谱交互式可视化查询方法，包括以下步骤：
步骤1：使用React构建项目框架，生成工程目录，包括配置文件、组件和公共静态资源，其中，所述组件包括父组件和子组件，所述父组件为App.js，所述子组件包括查询组件、可视化组件、信息栏组件、简介栏组件；所述的App.js作为根组件，将所有子组件整合封装并定义了页面布局和Bootstrap样式选择器；
步骤2：App.js作为根组件的作用是利用React的状态和属性完成跨组件参数传递；在查询组件和可视化组件中使用节点集合和边集合存储数据，在查询组件和可视化组件之间使用状态保持数据的一致性，在查询过程中查询组件更新App.js中的查询结果状态，App.js中更新的查询结果状态作为可视化组件的属性也会同时更新，显示可视化结果，而且当前实体的状态更新会使信息栏组件中的简介和相关图片发生更新；其中，子组件更新父组件是通过调用父组件传递到子组件的回调函数实现；
步骤3：基于将用户的查询分为基于实体查询、基于模式匹配查询和基于正则路径查询，所述查询组件由实体查询组件、模式匹配查询组件和正则路径查询组件组成；基于实体查询属于基本查询模式，基于模式匹配查询和基于正则路径查询属于高级查询模式，用户根据需求采用第一按钮对基本查询模式和高级查询模式进行切换；
(1)基于实体查询
实体查询组件使用基于AJAX技术的提示补全，当输入内容发生更新时调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询以输入内容开头的实体，当获取到查询结果后进行处理得到节点集合和边集合，然后调用父组件传递的回调函数更新可视化组件和简介栏组件的内容使得查询结果同步更新；
(2)基于模式匹配查询
模式匹配查询组件和正则路径查询组件是查询组件的子组件，其中包括切换主语/宾语按钮和添加条件按钮；
输入三元组：使用(1)基于实体查询中的方法实现实体的输入，并根据切换主语/宾语按钮设置该实体在三元组条件中的位置，根据实体在三元组条件中的位置，调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询该实体拥有的属性和关系，并将查询结果在下拉列表中显示给用户，用户可以输入部分关键词从中快速选取；
三元组条件使用状态进行存储，实现用户界面和数据的双向绑定，用户点击添加条件按钮即可添加该三元组条件，点击该三元组条件右侧减号可以移除该该三元组条件，同时状态也会发生更新，当点击查询按钮时，查询函数会将查询条件进行字符串拼接生成SPARQL查询语句使用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询；
遍历查询结果将三元组条件和查询结果进行组合生成边集合和节点集合，使用父组件传递的回调函数更新状态，使得可视化组件即时更新可视化结果。
(3)基于正则路径查询
基于正则路径查询和基于模式匹配查询使用第二按钮进行切换，当处在基于正则路径查询模式下，主语或宾语的输入方式不变，而谓语使用表达式树进行构建；
使用(2)基于模式匹配查询中输入三元组的方法，在下拉列表中设置正则运算符，选择一个运算符后点击添加按钮即可在右侧表达式树添加一个节点，若该运算符是一元运算符则添加一个节点，若是二元运算符则添加两个节点，用户点击节点使用(1)基于实体查询中的的实体查询组件的提示补全功能选择一个节点；
点击添加条件按钮，则对表达式树进行中序遍历，生成三元组谓语，然后将三元组进行字符串拼接得到SPARQL查询语句向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询；
遍历查询结果将三元组条件和查询结果进行组合生成边集合和节点集合，使用父组件传递的回调函数更新状态，使得可视化组件即时更新可视化结果；
步骤4：在信息拦组件中调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询当前状态的实体在***中的简介和相关图片，并用查询结果更新信息框的状态，实时更新显示内容，以确保状态数据和渲染内容的一致性；
步骤5：在可视化组件中绑定鼠标点击事件，当鼠标单击节点时，更新父组件当前状态为该实体，因为该状态作为信息拦组件的属性，所以状态的更新会触发信息拦组件的更新，以显示该实体在***中简介和相关图片；当鼠标双击节点时，调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询该节点的属性和关系，并将查询结果加入到可视化结果中，以实现拓展节点的功能。
本发明的有益效果是：本发明根据RDF和SPARQL标准的特点以及现代交互设计理念设计了知识图谱交互可视化方法，能够帮助用户从RDF图数据库中查询实体和关系，利用模式匹配查询和正则路径查询的特性完成较复杂的查询，并且基于前端技术和React框架实现了该设计。
附图说明
图1是本发明中基于实体查询的流程图。
图2是本发明中基于模式匹配查询的流程图。
图3是本发明中基于正则路径查询的流程图。
图4是本发明使用React框架实现的用户界面效果图。
图5是本发明中基于实体查询的用户界面效果图。
图6是本发明中基于模式匹配查询的用户界面效果图。
图7是本发明中基于模式匹配查询的查询条件示例效果图。
图8是本发明中基于模式匹配查询的查询结果可视化示例效果图。
图9是本发明中基于正则路径查询的用户编辑表达式树界面效果图。
图10是本发明中基于正则路径查询根据表达式树生成的正则路径效果图。
图11是本发明中基于正则路径查询的查询结果示例效果图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明基于RDF的知识图谱交互式可视化查询方法分为查询生成层、数据可视化层、用户交互层三部分：
(一)查询生成层
查询生成层的作用在于将用户输入转换为SPARQL语句。用户无需直接输入SPARQL语句，而是使用交互式操作如输入关键词、选择候选项、点击等操作进行查询。其中将用户的查询分为三类：基于实体查询、基于模式匹配查询、基于正则路径查询。
1)基于实体查询
a)用户输入要查询的实体的关键词；
b)在RDF图数据库中对关键词进行查询，获取包含关键词的实体名生成候选列表返回给用户；
c)用户从候选列表中选择实体进行查询。
2)基于模式匹配查询
a)用户输入要查询的实体的关键词；
b)***在RDF图数据库中对关键词进行查询，获取包含关键词的实体名生成候选列表返回给用户；
c)用户从候选列表中选择实体并指定该实体作为三元组主语或宾语；
d)用户从候选列表中选择一个属性；
e)用户添加该三元组作为条件；
f)用户可以继续添加条件或进行查询；
3)基于正则路径查询
a)用户输入要查询的实体的关键词；
b)***在RDF图数据库中对关键词进行查询，获取包含关键词的实体名生成候选列表返回给用户；
c)用户从候选列表中选择实体并指定该实体作为三元组主语或宾语；
d)用户从列表中选择运算符添加到表达式树的叶节点
e)用户输入要查询的属性的关系，并从候选列表中选择属性，将其添加到表达式树的叶节点；
f)用户添加该三元组作为条件，中序遍历表达式树生成正则路径；
g)用户可以继续添加条件或进行查询；
(二)数据可视化层
数据可视化层的作用是查询生成层所生成的SPARQL发送到SPARQL endpoint进行查询，并将JSON格式的查询结果进行处理，转换为便于数据可视化的数据结构。对于不同的查询模式，需要使用不同的查询结果处理算法。
1)基于实体查询
基于实体查询的查询结果是与查询目标实体有关的实体及其之间的关系。因此需要将查询目标作为图的起点，查询结果实体作为图的终点，两者间的关系为两点间的有向边。
2)基于模式匹配查询
基于模式匹配查询的查询结果是满足条件的实体的列表，因此需要将查询条件和查询结果组合成有向图进行可视化。
3)基于正则路径查询
基于正则路径查询的查询结果为有向图，因此需要将查询条件和查询结果合并进行可视化。
本发明基于RDF的知识图谱交互式可视化查询方法，具体实施步骤如下：
步骤1：使用React构建项目框架，生成工程目录，包括配置文件、组件和公共静态资源，其中，所述组件包括父组件和子组件，所述父组件为App.js，所述子组件包括查询组件、可视化组件、信息栏组件、简介栏组件；所述的App.js作为根组件，将所有子组件整合封装并定义了页面布局和Bootstrap样式选择器；
步骤2：App.js作为根组件的作用是利用React的状态和属性完成跨组件参数传递；在查询组件和可视化组件中使用节点集合和边集合存储数据，在查询组件和可视化组件之间使用状态保持数据的一致性，在查询过程中查询组件更新App.js中的查询结果状态，App.js中更新的查询结果状态作为可视化组件的属性也会同时更新，显示可视化结果，而且当前实体的状态更新会使信息栏组件中的简介和相关图片发生更新；其中，子组件更新父组件是通过调用父组件传递到子组件的回调函数实现；
步骤3：基于将用户的查询分为基于实体查询、基于模式匹配查询和基于正则路径查询，所述查询组件由实体查询组件、模式匹配查询组件和正则路径查询组件组成；基于实体查询属于基本查询模式，基于模式匹配查询和基于正则路径查询属于高级查询模式，用户根据需求采用第一按钮对基本查询模式和高级查询模式进行切换；
(1)基于实体查询
实体查询组件使用基于AJAX技术的提示补全，当输入内容发生更新时调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询以输入内容开头的实体，当获取到查询结果后进行处理得到节点集合和边集合，然后调用父组件传递的回调函数更新可视化组件和简介栏组件的内容使得查询结果同步更新；
(2)基于模式匹配查询
模式匹配查询组件和正则路径查询组件是查询组件的子组件，其中包括切换主语/宾语按钮和添加条件按钮；
输入三元组：使用(1)基于实体查询中的方法实现实体的输入，并根据切换主语/宾语按钮设置该实体在三元组条件中的位置，根据实体在三元组条件中的位置，调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询该实体拥有的属性和关系，并将查询结果在下拉列表中显示给用户，用户可以输入部分关键词从中快速选取；
三元组条件使用状态进行存储，实现用户界面和数据的双向绑定，用户点击添加条件按钮即可添加该三元组条件，点击该三元组条件右侧减号可以移除该该三元组条件，同时状态也会发生更新，当点击查询按钮时，查询函数会将查询条件进行字符串拼接生成SPARQL查询语句使用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询；
遍历查询结果将三元组条件和查询结果进行组合生成边集合和节点集合，使用父组件传递的回调函数更新状态，使得可视化组件即时更新可视化结果。
(3)基于正则路径查询
基于正则路径查询和基于模式匹配查询使用第二按钮进行切换，当处在基于正则路径查询模式下，主语或宾语的输入方式不变，而谓语使用表达式树进行构建；
使用(2)基于模式匹配查询中输入三元组的方法，在下拉列表中设置正则运算符，选择一个运算符后点击添加按钮即可在右侧表达式树添加一个节点，若该运算符是一元运算符则添加一个节点，若是二元运算符则添加两个节点，用户点击节点使用(1)基于实体查询中的的实体查询组件的提示补全功能选择一个节点；
点击添加条件按钮，则对表达式树进行中序遍历，生成三元组谓语，然后将三元组进行字符串拼接得到SPARQL查询语句向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询；
遍历查询结果将三元组条件和查询结果进行组合生成边集合和节点集合，使用父组件传递的回调函数更新状态，使得可视化组件即时更新可视化结果；
步骤4：在信息拦组件中调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询当前状态的实体在***中的简介和相关图片，并用查询结果更新信息框的状态，实时更新显示内容，以确保状态数据和渲染内容的一致性；
步骤5：在可视化组件中绑定鼠标点击事件，当鼠标单击节点时，更新父组件当前状态为该实体，因为该状态作为信息拦组件的属性，所以状态的更新会触发信息拦组件的更新，以显示该实体在***中简介和相关图片；当鼠标双击节点时，调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询该节点的属性和关系，并将查询结果加入到可视化结果中，以实现拓展节点的功能。
参见图1，对基于实体查询结果进行可视化使用如下算法：
算法1：实体查询结果处理
输入：查询实体s,查询结果L
输出：点集N,边集E
参见图2，对基于模式匹配查询结果进行可视化使用如下算法：
算法2：实体查询结果处理
输入：条件C,查询结果L
输出：点集N,边集E
参见图3，对基于正则路径查询结果进行可视化使用如下算法：
算法3：实体查询结果处理
输入：条件C,查询结果L
输出：点集N,边集E
参见图4，对本方法使用React框架和Bootstrap库进行实现。
参见图5，展示了基于实体查询的用户界面。用户输入待查询实体的部分关键词，即可获得自动补全，然后选择一项进行查询。图中左侧即为查询结果可视化，右侧为所查询实体在***中的简介和相关图片。
参见图6，展示了基于模式匹配查询的用户界面。用户输入待查询实体和关系的部分关键词即可从自动补全列表中选择一项作为条件，用户可以添加任意数量的条件进行查询，如图7所示。
参见图8，展示了基于模式匹配查询的查询结果，使用算法2处理查询结果进行可视化即可得到该结果。
参见图9，在基于正则路径查询中用户编辑表达式树以避免直接输入正则路径，当完成表达式树后对其使用如下算法即可得到正则路径，如图10所示。
算法4：实体查询结果处理
输入：表达式树T
输出：正则路径p
参见图11，展示了基于正则路径查询的查询结果。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于RDF的知识图谱交互式可视化查询方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用React构建项目框架，生成工程目录，包括配置文件、组件和公共静态资源，其中，所述组件包括父组件和子组件，所述父组件为App.js，所述子组件包括查询组件、可视化组件、信息栏组件、简介栏组件；所述的App.js作为根组件，将所有子组件整合封装并定义了页面布局和Bootstrap样式选择器；
步骤2：App.js作为根组件的作用是利用React的状态和属性完成跨组件参数传递；在查询组件和可视化组件中使用节点集合和边集合存储数据，在查询组件和可视化组件之间使用状态保持数据的一致性，在查询过程中查询组件更新App.js中的查询结果状态，App.js中更新的查询结果状态作为可视化组件的属性也会同时更新，显示可视化结果，而且当前实体的状态更新会使信息栏组件中的简介和相关图片发生更新；其中，子组件更新父组件是通过调用父组件传递到子组件的回调函数实现；
步骤3：基于将用户的查询分为基于实体查询、基于模式匹配查询和基于正则路径查询，所述查询组件由实体查询组件、模式匹配查询组件和正则路径查询组件组成；基于实体查询属于基本查询模式，基于模式匹配查询和基于正则路径查询属于高级查询模式，用户根据需求采用第一按钮对基本查询模式和高级查询模式进行切换；
(1)基于实体查询
实体查询组件使用基于AJAX技术的提示补全，当输入内容发生更新时调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询以输入内容开头的实体，当获取到查询结果后进行处理得到节点集合和边集合，然后调用父组件传递的回调函数更新可视化组件和简介栏组件的内容使得查询结果同步更新；
(2)基于模式匹配查询
模式匹配查询组件和正则路径查询组件是查询组件的子组件，其中包括切换主语/宾语按钮和添加条件按钮；
输入三元组：使用(1)基于实体查询中的方法实现实体的输入，并根据切换主语/宾语按钮设置该实体在三元组条件中的位置，根据实体在三元组条件中的位置，调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询该实体拥有的属性和关系，并将查询结果在下拉列表中显示给用户，用户可以输入部分关键词从中快速选取；
三元组条件使用状态进行存储，实现用户界面和数据的双向绑定，用户点击添加条件按钮即可添加该三元组条件，点击该三元组条件右侧减号可以移除该该三元组条件，同时状态也会发生更新，当点击查询按钮时，查询函数会将查询条件进行字符串拼接生成SPARQL查询语句使用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询；
遍历查询结果将三元组条件和查询结果进行组合生成边集合和节点集合，使用父组件传递的回调函数更新状态，使得可视化组件即时更新可视化结果；
(3)基于正则路径查询
基于正则路径查询和基于模式匹配查询使用第二按钮进行切换，当处在基于正则路径查询模式下，主语或宾语的输入方式不变，而谓语使用表达式树进行构建；
使用(2)基于模式匹配查询中输入三元组的方法，在下拉列表中设置正则运算符，选择一个运算符后点击添加按钮即可在右侧表达式树添加一个节点，若该运算符是一元运算符则添加一个节点，若是二元运算符则添加两个节点，用户点击节点使用(1)基于实体查询中的的实体查询组件的提示补全功能选择一个节点；
点击添加条件按钮，则对表达式树进行中序遍历，生成三元组谓语，然后将三元组进行字符串拼接得到SPARQL查询语句向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询；
遍历查询结果将三元组条件和查询结果进行组合生成边集合和节点集合，使用父组件传递的回调函数更新状态，使得可视化组件即时更新可视化结果；
步骤4：在信息拦组件中调用Axios向SPARQL endpoint异步发送GET请求查询当前状态的实体在***中的简介和相关图片，并用查询结果更新信息框的状态，实时更新显示内容，以确保状态数据和渲染内容的一致性；
步骤5：在可视化组件中绑定鼠标点击事件，当鼠标单击节点时，更新父组件当前状态为该实体，因为该状态作为信息拦组件的属性，所以状态的更新会触发信息拦组件的更新，以显示该实体在***中简介和相关图片；当鼠标双击节点时，调用Axios向SPARQLendpoint异步发送GET请求查询该节点的属性和关系，并将查询结果加入到可视化结果中，以实现拓展节点的功能。
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