手把手教你快速入门知识图谱 - Neo4J教程

Posted 2022-04-09 零度anngle

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前言

       今天，我们来聊一聊知识图谱中的Neo4J。首先，什么是知识图谱？先摘一段百度百科：知识图谱（Knowledge Graph），在图书情报界称为知识域可视化或知识领域映射地图，是显示知识发展进程与结构关系的一系列各种不同的图形，用 可视化技术描述知识资源及其载体，挖掘、分析、 构建、绘制和显示知识及它们之间的相互联系。 知识图谱是通过将应用数学、 图形学、信息可视化技术、 信息科学等学科的理论与方法与计量学引文分析、共现分析等方法结合，并利用可视化的图谱形象地展示学科的核心结构、发展历史、 前沿领域以及整体知识架构达到多学科融合目的的现代理论。它能为学科研究提供切实的、有价值的参考。

       简单说来，知识图谱就是通过不同知识的关联性形成一个网状的知识结构，而这个知识结构，恰好就是人工智能AI的基石。当前AI领域热门的计算机图像、语音识别甚至是NLP，其实都是AI的感知能力，真正AI的认知能力，就要靠知识图谱。

       知识图谱目前的应用主要在搜索、智能问答、推荐系统等方面。知识图谱的建设，一般包括数据获取、实体识别和关系抽取、数据存储、图谱应用都几个方面。本文着眼于数据存储这块，给大家一个Neo4J的快速教程。

Neo4J简介

知识图谱由于其数据包含实体、属性、关系等，常见的关系型数据库诸如mysql之类不能很好的体现数据的这些特点，因此知识图谱数据的存储一般是采用图数据库（Graph Databases）。而Neo4j是其中最为常见的图数据库。

Neo4J安装

首先在 https://neo4j.com/download/ 下载Neo4J。Neo4J分为社区版和企业版，企业版在横向扩展、权限控制、运行性能、HA等方面都比社区版好，适合正式的生产环境，普通的学习和开发采用免费社区版就好。

在Mac或者Linux中，安装好jdk后，直接解压下载好的Neo4J包，运行bin/neo4j start即可

Neo4J使用

Neo4J提供了一个用户友好的web界面，可以进行各项配置、写入、查询等操作，并且提供了可视化功能。类似ElasticSearch一样，我个人非常喜欢这种开箱即用的设计。

打开浏览器，输入http://127.0.0.1:7474/browser/，如下图所示，界面最上方就是交互的输入框。

Cypher查询语言

Cypher是Neo4J的声明式图形查询语言，允许用户不必编写图形结构的遍历代码，就可以对图形数据进行高效的查询。Cypher的设计目的类似SQL，适合于开发者以及在数据库上做点对点模式（ad-hoc）查询的专业操作人员。其具备的能力包括： - 创建、更新、删除节点和关系 - 通过模式匹配来查询和修改节点和关系 - 管理索引和约束等

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Neo4J实战教程

直接讲解Cypher的语法会非常枯燥，本文通过一个实际的案例来一步一步教你使用Cypher来操作Neo4J。

这个案例的节点主要包括人物和城市两类，人物和人物之间有朋友、夫妻等关系，人物和城市之间有出生地的关系。

1. 首先，我们删除数据库中以往的图，确保一个空白的环境进行操作：

MATCH (n) DETACH DELETE n

这里，MATCH是匹配操作，而小括号()代表一个节点node（可理解为括号类似一个圆形），括号里面的n为标识符。

2. 接着，我们创建一个人物节点：

CREATE (n:Person name:'John') RETURN n

CREATE是创建操作，Person是标签，代表节点的类型。花括号代表节点的属性，属性类似Python的字典。这条语句的含义就是创建一个标签为Person的节点，该节点具有一个name属性，属性值是John。

如图所示，在Neo4J的界面上可以看到创建成功的节点。

3. 我们继续来创建更多的人物节点，并分别命名：

CREATE (n:Person name:'Sally') RETURN n
CREATE (n:Person name:'Steve') RETURN n
CREATE (n:Person name:'Mike') RETURN n
CREATE (n:Person name:'Liz') RETURN n
CREATE (n:Person name:'Shawn') RETURN n

如图所示，6个人物节点创建成功

4. 接下来创建地区节点

CREATE (n:Location city:'Miami', state:'FL')
CREATE (n:Location city:'Boston', state:'MA')
CREATE (n:Location city:'Lynn', state:'MA')
CREATE (n:Location city:'Portland', state:'ME')
CREATE (n:Location city:'San Francisco', state:'CA')

可以看到，节点类型为Location，属性包括city和state。

如图所示，共有6个人物节点、5个地区节点，Neo4J贴心地使用不用的颜色来表示不同类型的节点。

5. 接下来创建关系

MATCH (a:Person name:'Liz'), 
      (b:Person name:'Mike') 
MERGE (a)-[:FRIENDS]->(b)

这里的方括号[]即为关系，FRIENDS为关系的类型。注意这里的箭头-->是有方向的，表示是从a到b的关系。 如图，Liz和Mike之间建立了FRIENDS关系，通过Neo4J的可视化很明显的可以看出：

6. 关系也可以增加属性

MATCH (a:Person name:'Shawn'), 
      (b:Person name:'Sally') 
MERGE (a)-[:FRIENDS since:2001]->(b)

在关系中，同样的使用花括号来增加关系的属性，也是类似Python的字典，这里给FRIENDS关系增加了since属性，属性值为2001，表示他们建立朋友关系的时间。

7. 接下来增加更多的关系

MATCH (a:Person name:'Shawn'), (b:Person name:'John') MERGE (a)-[:FRIENDS since:2012]->(b)
MATCH (a:Person name:'Mike'), (b:Person name:'Shawn') MERGE (a)-[:FRIENDS since:2006]->(b)
MATCH (a:Person name:'Sally'), (b:Person name:'Steve') MERGE (a)-[:FRIENDS since:2006]->(b)
MATCH (a:Person name:'Liz'), (b:Person name:'John') MERGE (a)-[:MARRIED since:1998]->(b)

如图，人物关系图已建立好，有点图谱的意思了吧？

8. 然后，我们需要建立不同类型节点之间的关系-人物和地点的关系

MATCH (a:Person name:'John'), (b:Location city:'Boston') MERGE (a)-[:BORN_IN year:1978]->(b)

这里的关系是BORN_IN，表示出生地，同样有一个属性，表示出生年份。

如图，在人物节点和地区节点之间，人物出生地关系已建立好。

9. 同样建立更多人的出生地

MATCH (a:Person name:'Liz'), (b:Location city:'Boston') MERGE (a)-[:BORN_IN year:1981]->(b)
MATCH (a:Person name:'Mike'), (b:Location city:'San Francisco') MERGE (a)-[:BORN_IN year:1960]->(b)
MATCH (a:Person name:'Shawn'), (b:Location city:'Miami') MERGE (a)-[:BORN_IN year:1960]->(b)
MATCH (a:Person name:'Steve'), (b:Location city:'Lynn') MERGE (a)-[:BORN_IN year:1970]->(b)

建好以后，整个图如下

10. 至此，知识图谱的数据已经插入完毕，可以开始做查询了。我们查询下所有在Boston出生的人物

MATCH (a:Person)-[:BORN_IN]->(b:Location city:'Boston') RETURN a,b

结果如图

11. 查询所有对外有关系的节点

MATCH (a)-->() RETURN a

注意这里箭头的方向，返回结果不含任何地区节点，因为地区并没有指向其他节点（只是被指向）

12. 查询所有有关系的节点

MATCH (a)--() RETURN a

结果如图

13. 查询所有对外有关系的节点，以及关系类型

MATCH (a)-[r]->() RETURN a.name, type(r)

结果如图

14. 查询所有有结婚关系的节点

MATCH (n)-[:MARRIED]-() RETURN n

结果如图

15. 创建节点的时候就建好关系

CREATE (a:Person name:'Todd')-[r:FRIENDS]->(b:Person name:'Carlos')

结果如图

16. 查找某人的朋友的朋友

MATCH (a:Person name:'Mike')-[r1:FRIENDS]-()-[r2:FRIENDS]-(friend_of_a_friend) RETURN friend_of_a_friend.name AS fofName

返回Mike的朋友的朋友：

从图上也可以看出，Mike的朋友是Shawn，Shawn的朋友是John和Sally

17. 增加/修改节点的属性

MATCH (a:Person name:'Liz') SET a.age=34
MATCH (a:Person name:'Shawn') SET a.age=32
MATCH (a:Person name:'John') SET a.age=44
MATCH (a:Person name:'Mike') SET a.age=25

这里，SET表示修改操作

18. 删除节点的属性

MATCH (a:Person name:'Mike') SET a.test='test'
MATCH (a:Person name:'Mike') REMOVE a.test

删除属性操作主要通过REMOVE

19. 删除节点

MATCH (a:Location city:'Portland') DELETE a

删除节点操作是DELETE

20. 删除有关系的节点

MATCH (a:Person name:'Todd')-[rel]-(b:Person) DELETE a,b,rel

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总结

本文重点针对常见的知识图谱图数据库Neo4J进行了介绍，并且采用一个实际的案例来说明Neo4J的查询语言Cypher的使用方法。

当然，类似MySQL一样，在实际的生产应用中，除了简单的查询操作会在Neo4J的web页面进行外，一般还是使用Python、Java等的driver来在程序中实现。后续会继续介绍编程语言如何操作Neo4J。