自学教程：基于医疗知识图谱的问答系统源码详解

承接上一篇系统搭建和遇到的问题，本篇解析系统功能的实现，并做了部分修改。

项目是找的中科院软件所刘焕勇老师在github上的开源项目，基于知识图谱的医药领域问答项目QABasedOnMedicaKnowledgeGraph。

该项目立足医药领域，以垂直型医药网站为数据来源，以疾病为核心，构建起一个包含7类规模为4.4万的知识实体，11类规模约30万实体关系的知识图谱。
原始数据包含8000多种病，和肝病相关的有200多种病。

原项目地址：https://github.com/liuhuanyong/QASystemOnMedicalKG
修改版项目地址（详细注释）：https://github.com/vivianLL/QASystemOnHepatopathyKG

项目介绍：医药领域知识图谱快速及医药问答项目
系统搭建过程参考：医疗知识图谱问答系统探究（一）
系统搭建过程中踩的坑：基于医疗知识图谱的问答实践中遇到的问题

一、项目介绍

该项目的数据来自垂直类医疗网站寻医问药，使用爬虫脚本data_spider.py，以结构化数据为主，构建了以疾病为中心的医疗知识图谱，实体规模4.4万，实体关系规模30万。schema的设计根据所采集的结构化数据生成，对网页的结构化数据进行xpath解析。

项目的数据存储采用Neo4j图数据库，问答系统采用了规则匹配方式完成，数据操作采用neo4j声明的cypher。

项目的不足之处在于疾病的引发原因、预防等以大段文字返回，这块可引入事件抽取，可将原因结构化表示出来。

项目主要文件目录如下：

├── QASystemOnMedicalKG
    ├── answer_search.py               # 问题查询及返回
    ├── build_medicalgraph.py          # 将结构化json数据导入neo4j
    ├── chatbot_graph.py               # 问答程序脚本
    ├── QASystemOnMedicalKG/data
        ├── hepatopathy.json           # 肝病知识数据
        ├── medical.json               # 全科知识数据
    ├── QASystemOnMedicalKG/dict
        ├── check.txt                  # 诊断检查项目实体库
        ├── deny.txt                   # 否定词库
        ├── department.txt             # 医疗科目实体库
        ├── disease.txt                # 疾病实体库
        ├── drug.txt                   # 药品实体库
        ├── food.txt                   # 食物实体库
        ├── producer.txt               # 在售药品库
        ├── symptom.txt                # 疾病症状实体库
    ├── QASystemOnMedicalKG/prepare_data
        ├── build_data.py              # 数据库操作脚本
        ├── data_spider.py             # 数据采集脚本
        ├── max_cut.py                 # 基于词典的最大前向/后向匹配
    ├── question_classifier.py         # 问句类型分类脚本
    ├── question_parser.py             # 问句解析脚本

二、爬虫部分

爬虫部分我没有实际操作，简单看了一下源码。
数据来源为寻医问药网的疾病百科 http://jib.xywy.com/ 。点入具体的疾病页面如下：

爬取疾病介绍页的简介、病因、预防、症状、检查、治疗、并发症、饮食保健等详情页的内容。
爬虫模块使用的是urllib库，数据存在MongoDB数据库中。
其中并发症使用了自己写的max_cut匹配脚本中的双向最大向前匹配max_biward_cut。

三、知识库部分

知识库包含7类规模为4.4万的知识实体，11类规模约30万实体关系，具体如下：

（注意：belongs_to包括 科室属于科室 和 疾病属于科室 两种关系）

（注意：疾病的属性还包括cure_department）
知识库的构建是通过build_medicalgraph.py脚本实现。

build_medicalgraph.py

该脚本构建了一个MedicalGraph类，定义了Graph类的成员变量g和json数据路径成员变量data_path。

class MedicalGraph:
    def __init__(self):
        cur_dir = '\\'.join(os.path.abspath(__file__).split('\\')[:-1])   # 获取当前绝对路径的上层目录 linux中应用'/'split和join
        self.data_path = os.path.join(cur_dir, 'data\hepatopathy.json')   # 获取json文件路径
        self.g = Graph(
            host="127.0.0.1",  # neo4j 搭载服务器的ip地址，ifconfig可获取到
            http_port=7474,  # neo4j 服务器监听的端口号
            user="neo4j",  # 数据库user name，如果没有更改过，应该是neo4j
            password="******")

类中的函数如下：

read_nodes函数： 读取数据文件

• 定义节点变量（list类型）
  disease_infos包含了所有的疾病信息，为元素为disease_dict（dict类型）的list

• 定义节点实体关系变量（list类型）

• 逐行读取json数据，每行一个disease_dict（dict类型），包含疾病的各种属性（注意：除上述8种属性还有cure_department和symptom两种实体也列入疾病dict里）

  • 对于json里的字典键，如果是疾病的属性，则加入disease_dict中：

    disease_dict['desc'] = data_json['desc']
    

  • 如果和疾病有关系，则加入对应的关系列表：

     for acompany in data_json['acompany']:
     	rels_acompany.append([disease, acompany])
    

  • 如果是某个其他实体，则加入对应的实体列表：

    check = data_json['check']
    checks += check
    

  注意：

  • symptoms既是疾病的属性，又有疾病—症状的关系。

  • cure_department在json中有两种形式，除了添加cure_department属性到disease_dict实体字典里和departments实体列表里。还需要提取关系，如果只有一个科室则直接提取疾病—科室关系（rels_category），如果有两个科室，还需要提取科室—科室关系（rels_department）。

            if 'cure_department' in data_json:
                cure_department = data_json['cure_department']
                if len(cure_department) == 1:
                     rels_category.append([disease, cure_department[0]])
                if len(cure_department) == 2:
                    big = cure_department[0]
                    small = cure_department[1]
                    rels_department.append([small, big])      # 提取科室——科室关系
                    rels_category.append([disease, small])
    
                disease_dict['cure_department'] = cure_department
                departments += cure_department
    

  • drug_details的形式为"drug_detail" : [ "惠普森穿心莲内酯片(穿心莲内酯片)", "北京同仁堂百咳静糖浆(百咳静糖浆)"]，即包括药品名和生产厂商，因为字符串和括号的原因，提取药品—在售药品的关系的方式略有不同：

            if 'drug_detail' in data_json:
                drug_detail = data_json['drug_detail']
                producer = [i.split('(')[0] for i in drug_detail]
                rels_drug_producer += [[i.split('(')[0], i.split('(')[-1].replace(')', '')] for i in drug_detail]
                producers += producer
    

• 函数返回set去重后的所有实体、疾病属性信息和实体间关系。

create_graphnodes函数：创建知识图谱实体节点类型schema

首先调用read_nodes函数得到存储实体和实体间关系的变量。
知识图谱中主要包含两类节点，一类为中心疾病节点，包含各种疾病属性；一类为普通实体节点，即药品、食物等，不包含属性，分别调用以下两个函数创建：

create_diseases_nodes函数：创建知识图谱中心疾病的节点

对每一条disease_infos，调用py2neo库中Graph类的create函数，在neo4j中创建label为"Disease"的Node，disease_dict中的属性即为节点中的属性。

node = Node("Disease", name=disease_dict['name'], desc=disease_dict['desc'],
                        prevent=disease_dict['prevent'] ,cause=disease_dict['cause'],
                        easy_get=disease_dict['easy_get'],cure_lasttime=disease_dict['cure_lasttime'],
                        cure_department=disease_dict['cure_department']
                        ,cure_way=disease_dict['cure_way'] , cured_prob=disease_dict['cured_prob'])
self.g.create(node)

create_node函数：创建普通实体节点模块

对每一类实体，在neo4j中创建label为实体类别，name为具体实体名称的节点。

        for node_name in nodes:
            node = Node(label, name=node_name)
            self.g.create(node)

create_graphrels函数：创建实体关系边

同样调用read_nodes函数得到存储实体和实体间关系的变量。
再对模块函数create_relationship传入不同的变量参数，创建11类实体关系边。

create_relationship函数：创建实体关联边模块

首先对存储实体关系的list变量进行去重，因为实体关系为形如[[“a”,“b”],[“c”,“d”]]的嵌套list，无法直接用set去重，所以先将嵌套内层的list转为字符串，再用set。
去重后调用py2neo库中Graph类的run函数，使用Cypher语言直接执行Neo4j CQL语句，对每一对实体关系在neo4j里创建边：

query = "match(p:%s),(q:%s) where p.name='%s'and q.name='%s' create (p)-[rel:%s{name:'%s'}]->(q)" % (
                start_node, end_node, p, q, rel_type, rel_name)
try:
    self.g.run(query)
    count += 1
    print(rel_type, count, all)
except Exception as e:
    print(e)

export_data函数：导出数据到txt

调用read_nodes函数得到存储实体和实体间关系的变量。
逐行写入各变量对应的txt。

四、问答部分

问答系统支持的问答类型

本项目的问答系统完全基于规则匹配实现，通过关键词匹配，对问句进行分类，医疗问题本身属于封闭域类场景，对领域问题进行穷举并分类，然后使用cypher的match去匹配查找neo4j，根据返回数据组装问句回答，最后返回结果。
问答框架的构建是通过chatbot_graph.py、answer_search.py、question_classifier.py、question_parser.py等脚本实现。

chatbot_graph.py

首先从需要运行的chatbot_graph.py文件开始分析。
该脚本构造了一个问答类ChatBotGraph，定义了QuestionClassifier类型的成员变量classifier、QuestionPase类型的成员变量parser和AnswerSearcher类型的成员变量searcher。

class ChatBotGraph:
    def __init__(self):
        self.classifier = QuestionClassifier()
        self.parser = QuestionPaser()
        self.searcher = AnswerSearcher()

该问答类的成员函数仅有一个chat_main函数

chat_main函数

首先传入用户输入问题，调用self.classifier.classify进行问句分类，如果没有对应的分类结果，则输出模板句式。如果有分类结果，则调用self.parser.parser_main对问句进行解析，再调用self.searcher.search_main查找对应的答案，如果有则返回答案，如果没有则输出模板句式。

def chat_main(self, sent):
    answer = '您好，我是肝病问答小助手，希望可以帮到您。祝您身体棒棒！'
    res_classify = self.classifier.classify(sent)
    if not res_classify:
        return answer
    res_sql = self.parser.parser_main(res_classify)
    final_answers = self.searcher.search_main(res_sql)
    if not final_answers:
        return answer
    else:
        return '\n'.join(final_answers)

由此可以看出，问答框架包含问句分类、问句解析、查询结果三个步骤，具体一步步分析。

首先是问句分类，是通过question_classifier.py脚本实现的。

question_classifier.py

该脚本构造了一个问题分类的类QuestionClassifier，定义了特征词路径、特征词、领域actree、词典、问句疑问词等成员变量。
特征词除了7类实体还包括由全部7类实体词构成的领域词region_words、否定词库deny_words。
构建领域actree通过调用self.build_actree实现。
构建词典通过调用self.build_wdtype_dict()实现。
问句疑问词包含了疾病的属性和边相关的问题词，参考上文中问答系统支持的问答类型。

build_actree函数

该函数构建领域actree，加速过滤。通过python的ahocorasick库实现。
ahocorasick是一种字符串匹配算法，由两种数据结构实现：trie和Aho-Corasick自动机。
Trie是一个字符串索引的词典，检索相关项时时间和字符串长度成正比。
AC自动机能够在一次运行中找到给定集合所有字符串。AC自动机其实就是在Trie树上实现KMP，可以完成多模式串的匹配。
具体ahocorasick用法非本文重点，可参考https://blog.csdn.net/pirage/article/details/51657178等博文。

    def build_actree(self, wordlist):
        actree = ahocorasick.Automaton()         # 初始化trie树
        for index, word in enumerate(wordlist):
            actree.add_word(word, (index, word))     # 向trie树中添加单词
        actree.make_automaton()    # 将trie树转化为Aho-Corasick自动机
        return actree

build_wdtype_dict函数

该函数根据7类实体构造 {特征词：特征词对应类型} 词典。

wd_dict = dict()
for wd in self.region_words:
    wd_dict[wd] = []
    if wd in self.disease_wds:
        wd_dict[wd].append('disease')
        ...

check_medical函数

通过ahocorasick库的iter()函数匹配领域词，将有重复字符串的领域词去除短的，取最长的领域词返回。功能为过滤问句中含有的领域词，返回{问句中的领域词：词所对应的实体类型}。

def check_medical(self, question):
    region_wds = []
    for i in self.region_tree.iter(question):   # ahocorasick库 匹配问题  iter返回一个元组，i的形式如(3, (23192, '乙肝'))
        wd = i[1][1]      # 匹配到的词
        region_wds.append(wd)
    stop_wds = []
    for wd1 in region_wds:
        for wd2 in region_wds:
            if wd1 in wd2 and wd1 != wd2:
                stop_wds.append(wd1)       # stop_wds取重复的短的词，如region_wds=['乙肝', '肝硬化', '硬化']，则stop_wds=['硬化']
    final_wds = [i for i in region_wds if i not in stop_wds]     # final_wds取长词
    final_dict = {i:self.wdtype_dict.get(i) for i in final_wds}
    return final_dict

check_word函数

该函数检查问句中是否含有某实体类型内的特征词。

def check_words(self, wds, sent):
    for wd in wds:
        if wd in sent:
            return True
    return False

classify函数

该函数为分类主函数。
首先调用check_medical函数，获取问句中包含的领域词及其所在领域，并收集问句当中所涉及到的实体类型；
接着基于特征词进行分类，即调用check_word函数，看问句中是否包含某领域特征词，以及该领域是否在问句中包含的region_words的实体类型（types）里，以此来判断问句属于哪种类型。（好绕）
示例如下：

# 症状
if self.check_words(self.symptom_qwds, question) and ('disease' in types):
    question_type = 'disease_symptom'
    question_types.append(question_type)

if self.check_words(self.symptom_qwds, question) and ('symptom' in types):
    question_type = 'symptom_disease'
    question_types.append(question_type)

#已知食物找疾病
if self.check_words(self.food_qwds+self.cure_qwds, question) and 'food' in types:
    deny_status = self.check_words(self.deny_words, question)
    if deny_status:
        question_type = 'food_not_disease'
    else:
        question_type = 'food_do_disease'
    question_types.append(question_type)

如果没有查到若没有查到相关的外部查询信息，且类型为疾病，那么则将该疾病的描述信息返回（question_types = ['disease_desc']）；若类型为症状，那么则将该症状的对应的疾病信息返回（question_types = ['symptom_disease']）。
然后将分类结果进行合并处理，组装成一个字典返回。
注意：

• 食物相关的问题需要检查否定词self.deny_words来判断是do_eat还是not_eat。
• 已知食物找疾病和已知检查项目查相应疾病的时候，check_words需要加上self.cure_qwds。

question_parser.py

问句分类后需要对问句进行解析。
该脚本创建一个QuestionPaser类，该类包含三个成员函数。

build_entitydict函数

例如：从分类结果的{'args': {'头痛': ['disease', 'symptom']}, 'question_types': ['disease_cureprob']}中获取args，返回{'disease': ['头痛'], 'symptom': ['头痛']}的形式。

sql_transfer函数

该函数真的不同的问题类型，转换为Cypher查询语言并返回。
例如：

# 查询疾病的原因
if question_type == 'disease_cause':
    sql = ["MATCH (m:Disease) where m.name = '{0}' return m.name, m.cause".format(i) for i in entities]

# 查询疾病的忌口
elif question_type == 'disease_not_food':
    sql = ["MATCH (m:Disease)-[r:no_eat]->(n:Food) where m.name = '{0}' return m.name, r.name, n.name".format(i) for i in entities]

注意：

• 查询可能为查询中心疾病节点的属性，也可能为查询关联边。
• 疾病的并发症需要双向查询。
• 建议吃的东西包括do_eat和recommand_eat两种关联边。
• 查询药品相关记得扩充药品别名，包括common_drug和recommand_durg两种关联边。

parser_main函数

该函数为问句解析主函数。
首先传入问句分类结果，获取问句中领域词及其实体类型。
接着调用build_entitydict函数，返回形如{'实体类型':['领域词'],...}的entity_dict字典。
然后对问句分类返回值中[‘question_types’]的每一个question_type，调用sql_transfer函数转换为neo4j的Cypher语言。
最后组合每种question_type转换后的sql查询语句。

answer_search.py

问句解析之后需要对解析后的结果进行查询。
该脚本创建了一个AnswerSearcher类。与build_medicalgraph.py类似，该类定义了Graph类的成员变量g和返回答案列举的最大个数num_list。
该类的成员函数有两个，一个查询主函数一个回复模块。

search_main函数

传入问题解析的结果sqls，将保存在queries里的[‘question_type’]和[‘sql’]分别取出。
首先调用self.g.run(query).data()函数执行[‘sql’]中的查询语句得到查询结果，
再根据[‘question_type’]的不同调用answer_prettify函数将查询结果和答案话术结合起来。
最后返回最终的答案。

answer_prettify函数

该函数根据对应的qustion_type，调用相应的回复模板。
示例如下：

elif question_type == 'disease_cause':
    desc = [i['m.cause'] for i in answers]
    subject = answers[0]['m.name']
    final_answer = '{0}可能的成因有：{1}'.format(subject, '；'.join(list(set(desc))[:self.num_limit]))

五、改进

1. 缺失实体填充

在用户连续提问的时候，缺失使用上轮对话的疾病，如：

用户:乙肝怎么治
小助手: 乙肝可以尝试如下治疗：药物治疗;支持性治疗;对症治疗
用户:那有什么忌口吗
小助手: 乙肝忌食的食物包括有：咸鱼；咸鸭蛋；鸭血(白鸭)；啤酒

这里用户的第二个问题没有疾病实体，默认采用上一轮的疾病实体。
方法是在question_classifier.py的check_medical函数里增加全局变量：

global diseases_dict
if final_dict:
    diseases_dict = final_dict

并在classify函数里判断：

if not medical_dict:
    if 'diseases_dict' in globals():    # 判断是否是首次提问，若首次提问，则diseases_dict无值
        medical_dict = diseases_dict
    else:
        return {}

2. 增加疾病属性can_eat

增加了一个疾病属性：can_eat，对应增加了一个问题分类：

# 推荐食品
if self.check_words(self.food_qwds, question) and 'disease' in types:
    deny_status = self.check_words(self.deny_words, question)
    if deny_status:
        question_type = 'disease_not_food'
    else:
        question_type = 'disease_do_food'
    if self.check_words(['能吃','能喝','可以吃','可以喝'], question):
        question_types.append('disease_can_eat')
    print(question_type)
    question_types.append(question_type)

从构建知识图谱到问句分类、问句解析、查询结果也需作出相应修改。

3.补充个别问句疑问词

使覆盖的问句更全，详见修改版github。

六、总结

基于规则的问答系统没有复杂的算法，一般采用模板匹配的方式寻找匹配度最高的答案，回答结果依赖于问句类型、模板语料库的覆盖全面性，面对已知的问题，可以给出合适的答案，对于模板匹配不到的问题或问句类型，经常遇到的有三种回答方式：
1、给出一个无厘头的答案；
2、婉转的回答不知道，提示用户换种方式去问；
3、转移话题，回避问题；

基于知识图谱的问答系统的主要特征是知识图谱，系统依赖一个或多个领域的实体，并基于图谱进行推理或演绎，深度回答用户的问题，基于知识图谱的问答系统更擅长回答知识性问题，与基于模板的聊天机器人有所不同的是它更直接、直观的给用户答案。对于不能回答、或不知道的问题，一般直接返回失败，而不是转移话题避免尴尬。

整个问答系统的优劣依赖于知识图谱中知识的数量与质量。也算是利弊共存吧！知识图谱图谱具有良好的可扩展性，扩展了知识图谱也就是扩展了问答系统的知识库。如果问句在射程范围内，可轻松回答，但如果不幸脱靶，则体验大打折扣。

从知识图谱的角度分析，大多数知识图谱规模不足，主要原因还是数据来源以及技术上知识的抽取与推理困难。