A semantic based approach for knowledge management, discovery and service composition applied to 3D scientific objects

Abstract

Sharing resources over the Internet has become vital for scientific or business success. People are relying on the Web for knowledge and information reuse but also as a mean to facilitate communication and support of collaborative e-Science environments. There are two distinct streams of progress that have particularly well defined philosophies, communities and manifestations the Semantic Web and Web Services. The Semantic Web is an effort to extend the current web and to represent knowledge in a machine processable form, while Web Services are transforming the Web into a distributed device of data and computational resources. By merging both streams of progress we come closer to the goal of fostering the next generation of semantically-enabled systems and services, and collaborative working environments. Semantically enriched information and computational models can be effectively retrieved, shared, exploited, and used to construct new knowledge, thus changing the way knowledge and services are consumed and provided over the Web. Knowledge technologies are a key element for achieving interoperability and integration at a semantic level by sharing rich conceptualizations of specific scientific domains. In recent years, 3D content has become widespread and has massive impact in many application areas like culture heritage, education, medicine and bioinformatics, entertainment, computer-aided design etc. 3D resources hold a high knowledge value, either due to the specialized skills and expertise needed to design and manipulate them or to the scientific information carried. This thesis presents a knowledge-based approach to 3D resource management, discovery and service composition, by making explicit and sharable the knowledge embedded in 3D resources from a representational and implementational perspective. It also provides groundwork for the technical realization of an e-Science environment and demonstrates the potential of such a platform in terms of establishing a novel, knowledge-based and semantically enriched problem solving environment dealing with scientific content. The main contributions of this thesis are: • to demonstrate the usefulness of knowledge management technologies to support the formal representation, retrieval and reuse of expert knowledge by developing an ontological framework for representing shape resources; • to design and implement an ontology-driven knowledge base for storing querying and reasoning with such machine processable information and for supporting a semantic searching framework; • to prove that semantically enriched Web Services can improve the efficiency of knowledge-intensive and computationally-complex application areas like 3D processing; • to propose a prototype e-Science architecture in terms of an operational, distributed and web based software system capable of supporting the conceptual search and retrieval of scientific resources, as well as the definition and execution of scientific workflows for shape processing.

Ο διαμοιρασμός πόρων στο Διαδίκτυο έχει καταστεί ζωτικής σημασίας για την επιτυχία σεεπιστημονικό ή επιχειρηματικό επίπεδο. Οι άνθρωποι στηρίζονται στον Παγκόσμιο Ιστό για να επαναχρησιμοποιήσουν γνώσεις και πληροφορίες αλλά και για να επικοινωνήσουν και να συμμετάσχουν σε συνεργατικά περιβάλλοντα e-Science. Υπάρχουν δύο διακριτά ρεύματα προόδου με καλά καθορισμένες φιλοσοφίες, κοινότητες και εκδηλώσεις: ο Σημασιολογικός Ιστός (Semantic Web) και οι Διαδικτυακές Υπηρεσίες (Web Services). Ο Σημασιολογικός Ιστός είναι μια προσπάθεια να επεκταθεί ο Παγκόσμιος Ιστός και να αναπαρασταθεί η γνώση σε μια μορφή επεξεργάσιμη από τον υπολογιστή, ενώ οι Διαδικτυακές Υπηρεσίες μετατρέπουν τον Παγκόσμιο Ιστό σε μια κατανεμημένη συσκευή από δεδομένα και υπολογιστικούς πόρους. Με την σύγκλιση των δύο ρευμάτων προόδου ερχόμαστε πιο κοντά στο στόχο της προώθησης σημασιολογικά ενεργοποιημένων συστημάτων και υπηρεσιών και συνεργατικών εργαλείων νέας γενιάς. Η ανάκτηση, ο διαμοιρασμός και η εκμετάλλευση των σημασιολογικά εμπλουτισμένων δεδομένων και υπολογιστικών μοντέλων μπορούν να επιτευχθούν πιο αποτελεσματικά και να χρησιμοποιηθούν για την δημιουργία νέας γνώσης, αλλάζοντας έτσι τον τρόπο που παρέχουμε και εκμεταλλευόμαστε γνώσεις και υπηρεσίες μέσα από τον Ιστό. Οι τεχνολογίες Γνώσης αποτελούν ένα στοιχείο-κλειδί για την επίτευξη διαλειτουργικότητας και ενοποίησης σε σημασιολογικό επίπεδο, διαμοιράζοντας μια πλούσια εννοιολογική αποτύπωση κάποιου συγκεκριμένου επιστημονικού πεδίου. Τα τελευταία χρόνια, η χρήση τρισδιάστατου περιεχομένου είναι πολύ διαδεδομένη και βρίσκει σημαντικές εφαρμογές σε πολλά επιστημονικά πεδία όπως στην πολιτιστική κληρονομιά, την εκπαίδευση, την ιατρική και βιο-πληροφορική, τη διασκέδαση, τον τεχνικό σχεδιασμό μέσω υπολογιστή κλπ. Τα τρισδιάστατα αντικείμενα και οι σχετικοί με αυτά πόροι έχουν μεγάλη γνωστική άξια είτε λόγω των ειδικών δεξιοτήτων και γνώσεων που χρειάζονται για το σχεδιασμό και τον χειρισμό τους είτε λόγω του όγκου των επιστημονικών πληροφοριών που εμπεριέχουν. Η διατριβή αυτή παρουσιάζει μια γνωσιολογική προσέγγιση για την διαχείριση, αναζήτηση και δημιουργία υπηρεσιών σχετικά με τρισδιάστατα αντικείμενα και υπολογιστικούς πόρους. Με αυτό τον τρόπο αναπαρίσταται η γνώση που εμπεριέχεται σε τρισδιάστατους πόρους και υλοποιείται ένα πλαίσιο στο οποίο η γνώση αυτή γίνεται συγκεκριμένη και εύκολα διαμοιράσιμη. Επίσης παρέχει τα θεμέλια για μια τεχνική υλοποίηση ενός περιβάλλοντος e-Science και επιδεικνύει τις δυνατότητες μιας τέτοιας πλατφόρμας θεσπίζοντας ένα καινοτόμο βασισμένο στη γνώση και σημασιολογικά εμπλουτισμένο περιβάλλον λύσης προβλημάτων επιστημονικού περιεχομένου. Οι κυρίες συνεισφορές αυτής της διατριβής είναι: • να επιδείξει την χρησιμότητα των τεχνολογιών διαχείρισης γνώσης για την υποστήριξη μιας τυπικής αναπαράστασης, ανάκτησης και επαναχρησιμοποίησης εξειδικευμένης γνώσης αναπτύσσοντας ένα οντολογικό πλαίσιο για την αναπαράσταση τρισδιάστατων πόρων • να σχεδιάσει και να υλοποιήσει μια βάση γνώσης βασισμένη σε οντολογίες για την αποθήκευση επερώτηση και λογική αναζήτηση πληροφοριών επεξεργάσιμων από τον υπολογιστή και να υποστηρίξει ένα σημασιολογικό πλαίσιο αναζήτησης • να αποδείξει ότι οι σημασιολογικά εμπλουτισμένες Διαδικτυακές Υπηρεσίες μπορούν να βελτιώσουν την αποδοτικότητα των εφαρμογών που έχουν να κάνουν με γνωστικά και υπολογιστικά πολύπλοκους τρισδιάστατους επιστημονικούς υπολογισμούς • να προτείνει μια πρωτότυπη αρχιτεκτονική e-Science από την άποψη ενός λειτουργικού κατανεμημένου και βασισμένου στον Ιστό λογισμικού συστήματος το οποίο μπορεί να υποστηρίξει την εννοιολογική αναζήτηση και ανάκτηση επιστημονικών πόρων, όπως επίσης και τον ορισμό και εκτέλεση ροών εργασίας που σχετίζονται με επιστημονικούς υπολογισμούς τρισδιάστατων μοντέλων.