基于neo4j的課程知識(shí)圖譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱家樂(lè)　陳銳

關(guān)鍵詞：知識(shí)圖譜；neo4j；VUE；G6；SpringBoot

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）08-0040-03

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，人工智能的技術(shù)應(yīng)用迎來(lái)了爆發(fā)性的增長(zhǎng)。知識(shí)圖譜作為人工智能的重要分支，可以構(gòu)建復(fù)雜的行業(yè)知識(shí)庫(kù)，在教育、醫(yī)療、金融和政府管理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以教育領(lǐng)域?yàn)槔?，知識(shí)圖譜可有效輔助教師授課并幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)，知識(shí)圖譜教學(xué)方法能夠顯著提高教學(xué)效果[1]。課程知識(shí)圖譜包含課程領(lǐng)域的所有知識(shí)點(diǎn)及知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系，可以很好地進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)和學(xué)習(xí)路徑的相關(guān)推理[2]。隨著系統(tǒng)解耦的需要，前后端分離技術(shù)已成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)[3]?；谖⒎?wù)的知識(shí)圖譜平臺(tái)架構(gòu)，通過(guò)合理的微服務(wù)劃分，可以保證平臺(tái)的可用性和可擴(kuò)展性[4]。綜上所述，知識(shí)圖譜在教育領(lǐng)域已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始深入融合。本文設(shè)計(jì)了一種基于neo4j的課程知識(shí)圖譜系統(tǒng)，能夠進(jìn)行課程知識(shí)圖譜的管理和查看。系統(tǒng)采用前后端分離架構(gòu)，并完成開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建和原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

1 知識(shí)圖譜介紹

知識(shí)圖譜（Knowledge Graph） 是人工智能的重要分支技術(shù)，是結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)義知識(shí)庫(kù)，用于以符號(hào)形式描述物理世界中的概念及其相互關(guān)系。其基本組成單位是“實(shí)體—關(guān)系—實(shí)體”三元組[5]。如圖1所示：

知識(shí)圖譜可以用圖數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢分析。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)在進(jìn)行圖數(shù)據(jù)的查詢時(shí)，需要進(jìn)行多張表的關(guān)聯(lián)，效率非常低。圖數(shù)據(jù)庫(kù)是一種NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，以點(diǎn)、邊為基礎(chǔ)存儲(chǔ)單元，以高效存儲(chǔ)、查詢圖數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)原理，非常適用于進(jìn)行知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢分析。neo4j是業(yè)界主流的圖數(shù)據(jù)庫(kù)，分為社區(qū)版和企業(yè)版，其中社區(qū)版是免費(fèi)版，基于GPLv3 協(xié)議開(kāi)源，但功能受限。本文采用neo4j社區(qū)版，其三元組模型如下：

1） 節(jié)點(diǎn)：用于描述領(lǐng)域的實(shí)體。可以有零個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽，來(lái)定義它們是什么類型的節(jié)點(diǎn)。

2） 關(guān)系：描述源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的連接，總是有一個(gè)方向。關(guān)系必須具有一種類型來(lái)定義它們是什么類型的關(guān)系。

3） 節(jié)點(diǎn)和關(guān)系可以具有屬性，這些屬性是鍵值對(duì)，可以進(jìn)一步描述它們。

各個(gè)云服務(wù)廠商也提供了各自的圖數(shù)據(jù)庫(kù)云服務(wù)，可在線使用。阿里云開(kāi)發(fā)的圖數(shù)據(jù)庫(kù)（Graph Data?base，簡(jiǎn)稱GDB） ，是一種支持Property Graph圖模型、用于處理高度連接數(shù)據(jù)查詢與存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)、可靠的在線數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。華為云開(kāi)發(fā)的知識(shí)圖譜服務(wù)（Knowl?edge Graph，簡(jiǎn)稱KG） ，提供一站式知識(shí)圖譜全生命周期管理服務(wù)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能包括5個(gè)模塊，分別為系統(tǒng)首頁(yè)、課程管理、圖譜管理、賬號(hào)管理和關(guān)于。系統(tǒng)首頁(yè)是系統(tǒng)的主體部分，用戶通過(guò)點(diǎn)擊菜單進(jìn)入不同的功能模塊。課程管理負(fù)責(zé)課程信息的管理和維護(hù)，包括課程列表的展示、查看單個(gè)課程和課程的增刪改。圖譜管理負(fù)責(zé)課程圖譜的管理和維護(hù)，包括圖譜列表的展示、查看單個(gè)圖譜和圖譜的增刪改。圖譜管理模塊和課程管理模塊通過(guò)課程數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，即圖譜的課程數(shù)據(jù)來(lái)源于課程管理模塊。賬號(hào)管理負(fù)責(zé)用戶的注冊(cè)、登錄、退出和認(rèn)證等。關(guān)于模塊主要維護(hù)系統(tǒng)的幫助信息和系統(tǒng)的版本信息等。系統(tǒng)功能如圖2所示：

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)包括4個(gè)部分：用戶端、系統(tǒng)前端、系統(tǒng)后端、數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)采用前后端分離架構(gòu)，前端負(fù)責(zé)頁(yè)面展示，后端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理并提供接口，前后端數(shù)據(jù)交互采用HTTP協(xié)議和JSON數(shù)據(jù)格式。前后端可以獨(dú)立部署，有利于系統(tǒng)功能的分解和解耦。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

3.1 系統(tǒng)前端

用戶使用瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)前端，支持PC、移動(dòng)終端等多種設(shè)備。系統(tǒng)前端采用響應(yīng)式布局技術(shù)，針對(duì)不同尺寸的屏幕采用適合的頁(yè)面布局，從而支持多種類型終端訪問(wèn)。系統(tǒng)前端使用當(dāng)前流行的VUE作為前端Web基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)框架。VUE是一套構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式Web開(kāi)發(fā)框架，具有豐富的生態(tài)系統(tǒng)，可以整合大量的前端組件。VUE 使用MVVM（Model-View-ViewModel） 開(kāi)發(fā)模式，支持?jǐn)?shù)據(jù)在視圖和模型之間雙向綁定；使用VUE Router進(jìn)行路由管理，根據(jù)URL分配到對(duì)應(yīng)的處理程序，完成URL到組件的綁定；選用Element UI作為頁(yè)面開(kāi)發(fā)的UI組件庫(kù)，提供了配套設(shè)計(jì)UI資源，包括基礎(chǔ)布局、導(dǎo)航、表格、表單、文件上傳等基礎(chǔ)組件，開(kāi)箱即用；使用G6 作為圖可視化引擎，提供了圖的繪制、布局、分析、交互、動(dòng)畫等圖可視化的基礎(chǔ)能力，可以快速搭建自己的圖分析或圖編輯應(yīng)用；使用VUE AXOS進(jìn)行HTTP接口的請(qǐng)求，封裝前端依賴的所有HTTP接口，與系統(tǒng)后端進(jìn)行交互。

3.2 系統(tǒng)后端

系統(tǒng)后端使用Java、SpringBoot作為基礎(chǔ)框架，便于集成常用的開(kāi)源組件。SpringBoot是基于Spring開(kāi)發(fā)的全新框架，擁有豐富的生態(tài)系統(tǒng)，可以方便第三方軟件集成，最大的特點(diǎn)是約定優(yōu)于配置，自動(dòng)配置，簡(jiǎn)化了軟件初始搭建以及開(kāi)發(fā)過(guò)程，支持Spring原生的依賴注入、控制反轉(zhuǎn)特性。后端接口全部定義在Controller文件中，同時(shí)使用Swagger完成接口文檔的定義，支持在線查閱接口文檔、在線調(diào)測(cè)。系統(tǒng)使用Spring Data完成數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)操作。Spring Data是基于Spring框架的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，可以方便地操作關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)如MySQL、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)如neo4j。用戶只需聲明持久層的接口，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作，Spring Data會(huì)自動(dòng)完成對(duì)象關(guān)系映射。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)根據(jù)不同業(yè)務(wù)模塊的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，使用了不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)neo4j。系統(tǒng)使用MySQL存儲(chǔ)關(guān)系型數(shù)據(jù)，比如：用戶賬號(hào)信息、課程信息等；使用neo4j存儲(chǔ)圖數(shù)據(jù)庫(kù)，如課程圖譜。MySQL 和系統(tǒng)后端采用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通信，neo4j 和系統(tǒng)后端采用bolt協(xié)議進(jìn)行交互。Bolt 是一種二進(jìn)制協(xié)議（protocol） ，是專為數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的高效、輕量級(jí)的客戶端-服務(wù)器協(xié)議，是訪問(wèn)遠(yuǎn)程neo4j服務(wù)器的首選方式。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證

基于上述系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)行了開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建和系統(tǒng)初步開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)主要包括如下組件：系統(tǒng)前端、系統(tǒng)后端、MySQL、neo4j，系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程及命令如下：

1） 啟動(dòng)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)

D：＼tools＼mysql-8.0.11-winx64＼bin＼mysqld -console?mysqld （mysqld 8.0.11） starting as process 17740mysqld： ready for connections. Version： '8.0.11'socket： '' port： 3306 MySQL Community Server - GPL.

2） 啟動(dòng)neo4j

D： ＼tools＼neo4j＼neo4j-community-4.4.8＼bin＼neo4j.bat console

Starting...

This instance is ServerId{fc67b811} （fc67b811-7f62-4dec-aa0a-a100d407485b）

======== Neo4j 4.4.8 ========

Performing postInitialization step for component 'security-users' with version 3 and status CURRENT

Updating the initial password in component 'security-users'

Bolt enabled on 127.0.0.1：7687.

Remote interface available at http：//localhost：7474/

id： B69DA4915E2A7C016FE4C0EF2589C04D63B 16328B2A1D4BC83E868A5285D80A4

name： system

creationDate： 2022-07-12T11：46：25.086Z Started.

3） 啟動(dòng)系統(tǒng)后端

java -jar kg-backend-0.0.1-SNAPSHOT.jar

Tomcat started on port（s）： 8081 （http） with contextpath ''

Started KGBackendApplication in 1.449 seconds （JVM running for 1.747）

4） 啟動(dòng)系統(tǒng)前端

npm run serve

DONE Compiled successfully in 16946ms

11：02：09

App running at：

- Local： http：//localhost：8080/

- Network： http：//10.21.26.211：8080/

5） 核心功能頁(yè)面

訪問(wèn)網(wǎng)址http：//localhost：8080/ 即可查看系統(tǒng)頁(yè)面。以計(jì)算思維課程為例，可以直觀地展示出各個(gè)章節(jié)、知識(shí)點(diǎn)及其之間的聯(lián)系。課程知識(shí)圖譜如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在知識(shí)圖譜在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越重要的背景下，結(jié)合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，完成了一種基于neo4j的課程知識(shí)圖譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文章討論了系統(tǒng)的整體架構(gòu)，描述了系統(tǒng)前端、系統(tǒng)后端、數(shù)據(jù)庫(kù)及各組件之間的交互方式。系統(tǒng)采用前后端分離架構(gòu)，保證了系統(tǒng)解耦。經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建和系統(tǒng)的初步開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了課程知識(shí)圖譜的展示和管理，驗(yàn)證了該架構(gòu)的可行性，對(duì)于知識(shí)圖譜在教育領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的參考意義。下一步計(jì)劃進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)的易用性，探索前端頁(yè)面圖可視化引擎的性能優(yōu)化。