Μία κατηγοριο-θεωρητική προσέγγιση για τη διάδοση της γνώσης σε δίκτυα ευθυγραμμισμένων οντολογιών

Abstract

Next generation Information Technology applications have to deal with real worldscenarios involving collaboration that requires the use of heterogeneous anddistributed knowledge, which can be encoded in semantically rich structures, such asontologies. The dynamic unification of a set of ontologies linked by semantic links(called alignments) comprises a network of aligned ontologies.This thesis presents theoretical well-founded contributions to the area of networks ofaligned ontologies, aiming at improving practical research directions and solvingspecific implementation problems. Specifically it provides some methodologicalguidelines for engineering networks of aligned ontologies, taking into considerationthe features of their constituent components (i.e., ontologies and alignments) and itproposes a formalism, based on Category Theory and specifically on contravariantrepresentable functors, in order to provide a mathematical model, which considers thecomposable relations induced in networks of aligned ontologies, for propagating localknowledge through the network. This contributes in detecting semanticinconsistencies, that is, conceptual errors in order to revise the knowledge emergingfrom the whole network.On the one hand, constructing networks of aligned ontologies must comply with thecommon situation where ontologies are developed independently and the alignmentsare computed separately, usually by automated matchers. In this perspective, weprovide (a) a task-based ontology engineering approach with emphasis on theavailability of knowledge resources to be used and on the expertise of participants tothe development process, and (b) an ontology alignment strategy with emphasis onthe selection of the suitable matchers and the involvement of a “trusted third party” inorder to ensure the generation of reliable alignments.On the other hand, a network of aligned ontologies is a distributed system, whosecomponents (constituent ontologies) are interacting and interoperating, the result ofthis interaction being, either the extension of local assertions, which are valid withineach individual ontology, to global assertions holding between remote ontologyentities through a network path, or to local assertions holding between local entities ofan ontology, but induced by remote ontologies, through a cycle in the network. Themechanism for achieving this interaction is the composition of relations. In thisperspective, (a) we introduce the notions of Local Composable Relations (LCRs),which relate ontological entities belonging to the same ontology, Remotely InducedComposable Relations (RICRs), which relate ontological entities belonging to remoteontologies through a path of ontologies and alignments in the network, and NetworkInduced Local Composable Relations (NILCRs), which relate ontological entities belonging to the same ontology, but through a path of ontologies and alignmentsforming a cycle starting and ending at the same ontology, to characterize the logicalconsequences extracted from a network of aligned ontologies, and (b) we propose acategory-based methodology for detecting semantic inconsistencies in networks ofaligned ontologies, which is based on contravariant representable functors and on thedefinition of two composition operators suitable for propagating local knowledgethrough the network.

Οι εφαρμογές Πληροφορικής επόμενης γενιάς αποσκοπούν στην υλοποίησησεναρίων του πραγματικού κόσμου, για την οποία απαιτείται συνεργασία ετερογενώνκαι κατενεμημένων πηγών γνώσης. Η γνώση είναι κωδικοποιημένη σεσημασιολογικά πλούσιες δομές, όπως οι οντολογίες. Η δυναμική ενοποίηση ενόςσυνόλου οντολογιών συνδεδεμένων μέσω σημασιολογικών συνδέσμων, πουκαλούνται ευθυγραμμίσεις, συνιστά ένα δίκτυο ευθυγραμμισμένων οντολογιών.Η παρούσα διδακτορική διατριβή συνεισφέρει ένα καλά καθορισμένο θεωρητικόυπόβαθρο στην περιοχή των δικτύων ευθυγραμμισμένων οντολογιών, έχοντας ωςστόχο τη βελτίωση πρακτικών έρευνας και την επίλυση εξειδικευμένωνπροβλημάτων υλοποίησης. Πιο συγκεκριμένα, παρέχει μεθοδολογικές κατευθύνσειςγια τη μηχανική δικτύων ευθυγραμμισμένων οντολογιών, λαμβάνοντας υπόψη ταχαρακτηριστικά των συνιστωσών τους (δηλαδή οντολογιών και ευθυγραμμίσεων) καιπροτείνει έναν κατάλληλο φορμαλισμό βασισμένο στη Θεωρία Κατηγοριών καιειδικότερα στους ανταλλοίωτους αναπαραστάσιμους συναρτητές, με σκοπό ναπαρέχει ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο λαμβάνει υπόψη τις συνθέσεις σχέσεωνπου προκύπτουν σε ένα δίκτυο ευθυγραμμισμένων οντολογιών, για τη διάδοση τηςγνώσης που κωδικοποιείται τοπικά μέσα σε κάθε οντολογία, μέσα στο δίκτυο. Μεαυτό τον τρόπο, συνεισφέρει στην ανίχνευση ασυνεπειών, δηλαδή εννοιολογικώνσφαλμάτων με σκοπό την αναθεώρηση της προκύπτουσας γνώσης στο καθολικόδίκτυο.Από τη μια πλευρά, η κατασκευή δικτύων ευθυγραμμισμένων οντολογιών πρέπει νασυμμορφούται με τη συνήθη κατάσταση σύμφωνα με την οποία οι οντολογίεςαναπτύσσονται ανεξάρτητα και οι ευθυγραμμίσεις υπολογίζονται ξεχωριστά συνήθωςμέσω αυτόματων αλγορίθμων ταιριάσματος. Υπό αυτή την προοπτική προτείνουμε:(α) μια προσέγγιση κατασκευής οντολογιών βασισμένη σε απαιτούμενες ενέργειες,δίνοντας έμφαση στη διαθεσιμότητα των πηγών γνώσης και στο επίπεδοεξειδίκευσης των συμμετεχόντων στη διαδικασία κατασκευής των οντολογιών και (β)μια στρατηγική ευθυγράμμισης οντολογιών η οποία δίνει έμφαση στην επιλογήκατάλληλων αλγορίθμων ταιριάσματος και στη συμμετοχή ενός «έμπιστου τρίτουμέρους» το οποίο θα εγγυηθεί την παραγωγή αξιόπιστων ευθυγραμμίσεων.Από την άλλη πλευρά, ένα δίκτυο ευθυγραμμισμένων οντολογιών είναι ένακατανεμημένο σύστημα, του οποίου τα συστατικά μέρη (συνιστώσες οντολογίες)αλληλεπιδρούν και συλλειτουργούν και το αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασηςείναι, είτε η επέκταση τοπικών ισχυρισμών οι οποίοι είναι έγκυροι εντός κάθεξεχωριστής οντολογίας σε καθολικούς ισχυρισμούς οι οποίοι ισχύουν μεταξύαπομακρυσμένων οντολογικών οντοτήτων συνδεόμενων μέσω ενός μονοπατιού στοδίκτυο, είτε η αλήθεια ισχυρισμών μεταξύ τοπικών οντοτήτων μιας οντολογίας, αλλάοι οποίοι επάγονται μέσω απομακρυσμένων οντολογιών διαμέσου ενός κύκλου του δικτύου. Ο μηχανισμός επίτευξης αυτής της αλληλεπίδρασης είναι η σύνθεσησχέσεων. Υπό αυτή την οπτική, (α) για να χαρακηρίσουμε τις λογικές συνεπαγωγές οιοποίες προκύπτουν σε ένα δίκτυο ευθυγραμμισμένων οντολογιών, εισάγουμε τιςέννοιες των Τοπικών Συνθέσιμων Σχέσεων (Local Composable Relations) πουσυνδέουν οντολογικές οντότητες όταν αυτές ανήκουν στην ίδια οντολογία, τωνΑπομακρυσμένων Προκυπτουσών Συνθέσιμων Σχέσεων (Remotely InducedComposable Relations) οι οποίες συσχετίζουν οντότητες που ανήκουν σεαπομακρυσμένες οντολογίες, διαμέσου ενός μονοπατιού οντολογιών καιευθυγραμμίσεων στο δίκτυο και των Απομακρυσμένα Προκυπτουσών ΤοπικώνΣυνθέσιμων Σχέσεων (Remotely Induced Local Composable Relations) πουσυσχετίζουν οντότητες της ίδιας οντολογίας, αλλά μέσω ενός μονοπατιού οντολογιώνκαι ευθυγραμμίσεων το οποίο σχηματίζει έναν κύκλο στο δίκτυο, ο οποίος ξεκινά καιτελειώνει στην ίδια οντολογία και (β) προτείνουμε μια μεθοδολογία βασισμένη σεΚατηγορίες για την ανίχνευση σημασιολογικών ασυνεπειών σε δίκτυαευθυγραμμισμένων οντολογιών, η οποία βασίζεται στους ανταλλοίωτουςαναπαραστάσιμους συναρτητές και στον ορισμό δύο τελεστών σύνθεσης κατάλληλωνγια τη διάδοση της τοπικής γνώσης στο δίκτυο.