基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的師生關(guān)系挖掘算法

李愛濤 崔煥慶

摘要：為提高導(dǎo)師一學生關(guān)系挖掘精度，改善傳統(tǒng)判別算法準確率，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)師一學生關(guān)系判定算法。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中BP算法對導(dǎo)師一學生關(guān)系所依賴參數(shù)進行權(quán)重計算，加入判別函數(shù)計算相應(yīng)論文作者分數(shù)，再根據(jù)關(guān)系判別函數(shù)判斷兩者關(guān)系。對2 000組數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果表明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與論文的導(dǎo)師一學生關(guān)系挖掘算法能夠準確挖掘出導(dǎo)師一學生之間的關(guān)系，比傳統(tǒng)啟發(fā)式規(guī)則的準確率高出8%左右。

關(guān)鍵詞：師生關(guān)系挖掘;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);BP算法;知識圖譜

DOI： 10. 11907/rjdk.191876

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP312

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）001-0095-04

0 引言

隨著社交媒體的普及[1]，人們的日常生活已與網(wǎng)絡(luò)信息空間成功連接[2]，每個人都在某些領(lǐng)域與其他人存在明確的關(guān)系并相互聯(lián)系、相互影響。近年來，對這些關(guān)系的挖掘逐漸成為一大熱門[3]。不同類型的社會關(guān)系實質(zhì)上潛移默化地影響著人們生活的不同方面。例如，碩士研究生在讀期間的研究領(lǐng)域很大程度上受其導(dǎo)師影響。

如圖1所示，利用導(dǎo)師一學生關(guān)系構(gòu)建相應(yīng)社會網(wǎng)絡(luò)關(guān)系[4]。學生的研究方向受導(dǎo)師影響很大，不同學術(shù)水平的導(dǎo)師對學生的影響差異也非常大[5]，而導(dǎo)師和學生之間的關(guān)系就隱藏于學術(shù)大數(shù)據(jù)中[6]。出版物包含豐富的作者信息，包括論文題目、出版年份、出版單位等?？梢酝ㄟ^識別出版物中隱藏的這些信息，挖掘研究人員的學術(shù)合作關(guān)系[7]。因此，從出版物網(wǎng)絡(luò)中確定導(dǎo)師一學生關(guān)系非常重要。

1 相關(guān)工作

在挖掘?qū)熞粚W生合作關(guān)系與其他合作者關(guān)系的過程中面臨著一些挑戰(zhàn)。

（1）時間重要性。在導(dǎo)師一學生關(guān)系中，影響因素最大的就是時間。導(dǎo)師首次發(fā)表文獻的時間一般遠遠早于學生首次發(fā)表文獻的時間。再者，當一名研究生入學加入導(dǎo)師所在的科研團隊時，他們之間會建立一種導(dǎo)師一學生關(guān)系，但學生畢業(yè)后，該種聯(lián)系又會變得逐漸松散。

（2）關(guān)系兼具。在數(shù)據(jù)中存在學生畢業(yè)后留校擔任導(dǎo)師的情況，此時他/她與自己的導(dǎo)師既是合作關(guān)系，又存在導(dǎo)師一學生關(guān)系，本文將這種情況統(tǒng)一定為合作者關(guān)系。

（3）信息隱晦。在導(dǎo)師一學生、合作者關(guān)系出版刊物[8]中，只有期刊名稱、論文題目、作者姓名、出版年份和署名單位等信息，沒有明顯標識其合作關(guān)系相關(guān)信息。

在大數(shù)據(jù)時代，基于深度學習的挖掘越來越受到學術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注[9-10]。文獻[11]提出了關(guān)系學習，它采用基于網(wǎng)絡(luò)連通性的集體推理進行預(yù)測，提取基于網(wǎng)絡(luò)信息的潛在社會維度，并利用它們作為判別性學習特征，用來解決數(shù)據(jù)實例之間的相互依賴性;文獻[12]提出了一種聚類算法，利用異構(gòu)實體自身的屬性值和異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)¨副的結(jié)構(gòu)（路徑）信息進行關(guān)系挖掘;文獻[14]提出了一種新穎的協(xié)同過濾方法，用于預(yù)測網(wǎng)絡(luò)（或圖形）中具有拓撲和節(jié)點特征的未觀察到的鏈路。這種方法通過引入伯努利分布模型作為數(shù)據(jù)采樣掩模，改進基于壓縮感知的矩陣完成方法，作出更好的鏈接預(yù)測。文獻[15]提出了一種部分標記成對因子圖模型[16]和半監(jiān)督框架，通過跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)學習進行社會關(guān)系類型的分類;文獻[17]提出了一個時間約束的概率因子圖模型，將研究出版物網(wǎng)絡(luò)作為輸入，使用聯(lián)合可能性目標函數(shù)對導(dǎo)師一學生關(guān)系挖掘問題進行建模，設(shè)計了一種有效的學習算法以優(yōu)化目標函數(shù)，提高了準確率。

基于以上背景，本文提出一種新的導(dǎo)師一學生關(guān)系挖掘算法。算法主要思想是對影響導(dǎo)師一學生的關(guān)鍵參數(shù)進行提取，利用BP（Back Propagation，誤差逆?zhèn)鞑ィ┥窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)確定影響因素的權(quán)重值，再通過權(quán)重值計算每位作者的量化結(jié)果，最后對可能存在導(dǎo)師一學生關(guān)系的兩位作者的量化值進行二次計算后判定其合作關(guān)系。

2 定義及算法實現(xiàn)

為了達到預(yù)期效果，需要先對數(shù)據(jù)進行清理和屬性提取，共提取如下信息：論文題目、刊物名稱、論文作者名單及出版日期。

BP算法通過迭代處理訓(xùn)練集。對比經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算后輸人層預(yù)測值與真實值之間的誤差，通過反向法（從輸出層到隱藏層再到輸入層）實現(xiàn)誤差最小化，從而實現(xiàn)權(quán)重更新，其中隱含層節(jié)點數(shù)是一個非常重要的參數(shù)，它的設(shè)置對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能影響很大[18]。

首先對各項數(shù)據(jù)進行編號，并作歸一化處理。采用min-max方法將數(shù)據(jù)歸一到[0，1]，如式（1）。

隨機選取100組訓(xùn)練集進行參數(shù)訓(xùn)練，將其轉(zhuǎn)換成機器可識別的矩陣形式從輸入層輸入，然后逐層傳遞到隱藏層和輸出層的神經(jīng)元中。本文隱藏層使用ReLu激勵函數(shù)[19]，輸出層使用Sigmoid激勵函數(shù)。原因在于ReLu激勵函數(shù)的梯度值大多數(shù)情況下是常數(shù)，有助于解決深層網(wǎng)絡(luò)的收斂問題，相比Sigmoid和Tanh更符合生物神經(jīng)元的特征;Sigmoid全程可導(dǎo)，且表達區(qū)間是[0，1]。ReLu與Sig-moid函數(shù)如下：

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的結(jié)果只是各神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元之間的關(guān)系[20]，需要對各神經(jīng)元之間的權(quán)重通過相關(guān)顯著性系數(shù)、相關(guān)指數(shù)和絕對影響系數(shù)加以處理，函數(shù)分別如式（4）-式（6）所示。

相關(guān)顯著系數(shù)：

上述3個相關(guān)系數(shù)中絕對影響系數(shù)S即為所求權(quán)重。運用上式得出各指標權(quán)重。對數(shù)據(jù)進行分析可知，作者首次發(fā)表論文的時間在導(dǎo)師一學生關(guān)系中影響因子最大。通過訓(xùn)練后，它獲得最大權(quán)重0.42，作者發(fā)表論文數(shù)量與合作數(shù)量影響較小，因此它們獲得的權(quán)重分別為0.35和0.22。

權(quán)重賦值完成后，通過個人得分函數(shù)進行個人分數(shù)計算：

3 實驗及結(jié)果分析

從百度文庫中抓取2 000組測試數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行清洗。實驗所用計算機CPU為Intel⑩Core TMi7-6500U.內(nèi)存為4GB，操作系統(tǒng)為Windows 10，算法采用Python和Java語言編寫，實驗環(huán)境為TensorFlow CPU版本、IntelliJIDEA 2018社區(qū)版。

通過實驗，當兩位作者之間的關(guān)系得分在70-99時，認為他們之間為導(dǎo)師一學生關(guān)系且作者1是作者2的導(dǎo)師，反之若兩位作者之間的得分為-30--1，認為作者2是作者1的導(dǎo)師，論文采用精確率衡量實驗結(jié)果，定義如下：

其中，TP表示把正類預(yù)測為正類、FP表示表示把負類預(yù)測為正類。

實驗結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于影響因子判斷導(dǎo)師一學生關(guān)系與其他合作關(guān)系的算法。算法利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定不同影響因子對各種合作關(guān)系影響的權(quán)重，進而計算每位作者的個人得分和兩位作者之間的關(guān)系得分。實驗表明，該預(yù)測算法能夠較準確地判斷出兩位作者的關(guān)系是導(dǎo)師一學生關(guān)系或是合作關(guān)系。該算法操作簡單，易于執(zhí)行，為導(dǎo)師學生關(guān)系挖掘提供了一種新思路。未來在挖掘出論文中存在的導(dǎo)師一學生關(guān)系后，建立現(xiàn)存關(guān)系知識圖譜，再進行下一步的導(dǎo)師推薦研究。

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（責任編輯：孫娟）

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0804406，2018YFC1406200）;山東省研究生導(dǎo)師指導(dǎo)能力提升項目（SDYY17040）

作者簡介：李愛濤（1994-），男，山東科技大學計算機科學與工程學院碩士研究生，研究方向為云計算與大數(shù)據(jù)處理;崔煥慶（1979-），男，博士，山東科技大學計算機科學與工程學院副教授，研究方向為云計算、位置服務(wù)。本文通訊作者：崔煥慶。