Μέθοδοι και τεχνικές ανακάλυψης γνώσης στο σημαντικό ιστό: παραγωγική απόκτηση γνώσης από οντολογικά έγγραφα και η τεχνική της σημασιακής προσαρμογής

Abstract

Semantic Web is a combination of technologies and standards in order to give Web information strictly defined semantic structure and meaning. Its aim is to enable Web users and automated agents to process, manage and utilize properly described information in intelligent and efficient ways. Nevertheless, despite the various techniques that have been proposed, there is no clear method such that, by taking advantage of Semantic Web technologies, to be able to retrieve information deductively, i.e. to infer new and implicit information based on explicitly expressed facts. In order to address this situation, the problem of Semantic Web Knowledge Discovery (SWKD) is first specified and introduced. SWKD takes advantage of the semantic underpinnings and semantic descriptions of information, organized in a logic theory (i.e. ontologies expressed in OWL). Through the use of appropriate automated reasoning mechanisms, SWKD makes then possible to deduce new and unexpressed information that is only implied among explicit facts. The question as to whether and to what extent do Semantic Web technologies and logic theory contribute efficiently and expressively enough to the SWKD problem is evaluated through the establishment of a SWKD methodology, which builds upon recent theoretical results, as well as on the qualitative and experimental comparison of some popular inference engines, based on Description Logics. It is shown that the efficiency and expressivity of this method depends on specific theoretical, organizational and technical limitations. The experimental verification of this methodology is achieved through the development and demonstration of the Knowledge Discovery Interface (KDI), a web-distributed service that has been successfully applied on experimental data. The results taken through the KDI confirm, to a certain extent, the assumptions made mostly about expressivity and motivate the examination and investigation of the newly proposed extensions to the Semantic Web logic theory, namely the OWL 1.1 language. In order to strengthen the expressivity of knowledge discovery in the case of particular knowledge domains a new technique is introduced, known as Semantic Profiling. This technique evolves traditional Metadata Application Profiling from a flat aggregation and mixing of schemata and metadata elements to the substantial extension and semantic enhancement and enrichment of the model on which it is applied. Thus, semantic profiling actually profiles an ontological model for a particular application, not only by bringing together vocabularies from disparate schemata, but also through the semantic intension and semantic refinement of the initial model. This technique and its results are experimentally verified through its application on the CIDOC-CRM cultural heritage information model and it is shown that, through appropriate methods, the general applicability of the model can be preserved. However, for SWKD to be of much value, it requires the availability of rich and detailed resource descriptions. Even though information compatible with the Semantic Web logic theory are not always readily available, there are plenty of data organized in flat metadata schemata. To this end, it is investigated whether SWKD can be efficiently and expressively applied on such semi-structured knowledge models, as is the case for example with the Dublin Core metadata schema. It is shown that this problem can be partially reduced to applying semantic profiling on such models and, in order to retain interoperability and resolve potential ambiguities, the OWL 1.1 punning feature is investigated, based on which a name definition may have variable semantic interpretation depending on the ontological context. In conclusion, these newly proposed methods can improve the SWKD problem in terms of expressive strength, while keeping complexity as low as possible. They also contribute to the creation of expressive descriptions from existing metadata, suggesting a solution to the Semantic Web bootstrapping problem. Finally, they can be utilized as the basis for implementing more efficient techniques that involve distributed and incremental reasoning.

Ο Σημαντικός Ιστός (Semantic Web) είναι ένας συνδυασμός τεχνολογιών και προτύπων με σκοπό να προσδοθεί στη διαδικτυακή πληροφορία αυστηρά καθορισμένη σημασιακή δομή και ερμηνεία. Στόχος είναι να μπορούν οι χρήστες του Παγκόσμιου Ιστού καθώς και αυτοματοποιημένοι πράκτορες να επεξεργάζονται, να διαχειρίζονται και να αξιοποιούν την κατάλληλα χαρακτηρισμένη πληροφορία με τρόπο ευφυή και αποδοτικό. Ωστόσο, παρά τις τεχνικές που έχουν κατά καιρούς προταθεί, δεν υπάρχει ξεκάθαρη μέθοδος ώστε, αξιοποιώντας το φάσμα του Σημαντικού Ιστού, η διαδικτυακή πληροφορία να ανακτάται με τρόπο παραγωγικό, δηλαδή με βάση τα ήδη εκπεφρασμένα γεγονότα να συνάγεται νέα, άρρητη πληροφορία. Για την αντιμετώπιση αυτής της κατάστασης, αρχικά εισάγεται και προσδιορίζεται το πρόβλημα της Ανακάλυψης Γνώσης στο Σημαντικό Ιστό (Semantic Web Knowledge Discovery, SWKD). Η Ανακάλυψη Γνώσης στο Σημαντικό Ιστό εκμεταλλεύεται το σημασιακό υπόβαθρο και τις αντίστοιχες σημασιακές περιγραφές των πληροφοριών, όπως αυτές είναι θεμελιωμένες σε μια λογική θεωρία (οντολογίες εκφρασμένες σε γλώσσα OWL). Βάσει αυτών και με τη χρήση των κατάλληλων μηχανισμών αυτοματοποιημένου συλλογισμού μπορεί να συμπεραθεί νέα, άδηλη γνώση, η οποία, μέχρι τότε, μόνο υπονοούνταν στα ήδη υπάρχοντα δεδομένα. Για να απαντηθεί το ερώτημα αν και σε πιο βαθμό οι τεχνολογίες και η λογική θεωρία του Σημαντικού Ιστού συνεισφέρουν αποδοτικά και εκφραστικά στο πρόβλημα της SWKD καταρτίζεται μια πρότυπη Μεθοδολογία Ανακάλυψης Γνώσης στο Σημαντικό Ιστό, η οποία θεμελιώνεται σε πρόσφατα θεωρητικά αποτελέσματα, αλλά και στην ποιοτική και πειραματική συγκριτική αξιολόγηση διαδεδομένων μηχανισμών συμπερασμού (inference engines) που βασίζονται σε Λογικές Περιγραφής (Description Logics). H αποδοτικότητα και η εκφραστικότητα της μεθόδου αυτής δείχνεται ότι εξαρτώνται από συγκεκριμένους θεωρητικούς, οργανωτικούς και τεχνικούς περιορισμούς. Η πειραματική επαλήθευση της μεθοδολογίας επιτυγχάνεται με την κατασκευή και επίδειξη της Διεπαφής Ανακάλυψης Γνώσης (Knowledge Discovery Interface) μιας κατανεμημένης δηλαδή δικτυακής υπηρεσίας, η οποία έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε πειραματικά δεδομένα. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν με τη χρήση της διεπαφής επαληθεύουν, μέχρι ορισμένο βαθμό, τις υποθέσεις που έχουν γίνει σχετικά κυρίως με την παράμετρο της εκφραστικότητας και δίνουν το έναυσμα για την αναζήτηση και εξέταση της υποστήριξης των νέων προτεινόμενων επεκτάσεων της λογικής θεωρίας του Σημαντικού Ιστού, δηλαδή της γλώσσας OWL 1.1. Για την ενίσχυση της εκφραστικότητας της ανακάλυψης γνώσης στην περίπτωση συγκεκριμένων πεδίων γνώσης (knowledge domains) εισάγεται μια νέα τεχνική, αποκαλούμενη Σημασιακή Προσαρμογή. Η τεχνική αυτή εξελίσσει την Προσαρμογή Μεταδεδομένων Εφαρμογής (Metadata Application Profiling) από μια επίπεδη συρραφή και συγχώνευση σχημάτων και πεδίων μεταδεδομένων, σε μία ουσιαστική επέκταση και σημασιακή αναγωγή και εμπλουτισμό του αντίστοιχου μοντέλου στο οποίο εφαρμόζεται. Έτσι, η σημασιακή προσαρμογή εξειδικεύει ένα οντολογικό μοντέλο ως προς μια συγκεκριμένη εφαρμογή, όχι απλά με την προσθήκη λεξιλογίου από ετερογενή σχήματα, αλλά μέσω της σημασιακής εμβάθυνσης (semantic intension) και εκλέπτυνσης (semantic refinement) του αρχικού μοντέλου. Η τεχνική αυτή και τα αποτελέσματά της επαληθεύονται πειραματικά με την εφαρμογή στο μοντέλο πληροφοριών πολιτιστικής κληρονομιάς CIDOC-CRM και δείχνεται ότι, με τη χρήση κατάλληλων μεθόδων, η γενική εφαρμοσιμότητα του μοντέλου μπορεί να διαφυλαχθεί. Για να μπορεί όμως η Ανακάλυψη Γνώσης στο Σημαντικό Ιστό να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα, απαιτούνται όσο το δυνατόν πληρέστερες και αυξημένες περιγραφές των δικτυακών πόρων. Παρόλο που πληροφορίες άμεσα συμβατές με τη λογική θεωρία του Σημαντικού Ιστού δεν είναι ευχερείς, υπάρχει πληθώρα δεδομένων οργανωμένων σε επίπεδα σχήματα μεταδεδομένων (flat metadata schemata). Διερευνάται επομένως αν η SWKD μπορεί να εφαρμοστεί αποδοτικά και εκφραστικά στην περίπτωση τέτοιων ημιδομημένων μοντέλων γνώσης, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση του σχήματος μεταδεδομένων Dublin Core. Δείχνεται ότι το πρόβλημα αυτό ανάγεται μερικώς στην εφαρμογή της σημασιακής προσαρμογής στην περίπτωση τέτοιων μοντέλων, ενώ για τη διαφύλαξη της διαλειτουργικότητας και την επίλυση αμφισημιών που προκύπτουν εφαρμόζονται ανάλογες μέθοδοι και επιπλέον εξετάζεται η τεχνική της παρονομασίας (punning) που εισάγει η OWL 1.1, βάσει της οποίας ο ορισμός ενός ονόματος μπορεί να έχει κυμαινόμενη σημασιακή ερμηνεία ανάλογα με τα συμφραζόμενα. Συμπερασματικά, οι νέες μέθοδοι που προτείνονται μπορούν να βελτιώσουν το πρόβλημα της Ανακάλυψης Γνώσης στο Σημαντικό Ιστό ως προς την εκφραστικότητα, ενώ ταυτόχρονα η πολυπλοκότητα παραμένει η μικρότερη δυνατή. Επιτυγχάνουν επίσης την παραγωγή πιο εκφραστικών περιγραφών από υπάρχοντα μεταδεδομένα, προτείνοντας έτσι μια λύση στο πρόβλημα της εκκίνησης (bootstrapping) για το Σημαντικό Ιστό. Παράλληλα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βάση για την υλοποίηση πιο αποδοτικών τεχνικών κατανεμημένου και αυξητικού συλλογισμού.