A Contextual Approach to Ontology Reuse: Methodology, Methods and Tools for the Semantic Web

Abstract

The realization of the envisioned Semantic Web is conditioned by a real operationalized sharing and reuse of formally represented knowledge models, so-called ontologies. However, because of the open, distributed nature of Web environment and the inherent limitations of achieving highly reusable, commonly agreed domain conceptualizations, the current state of the art in the ontology engineering field states the need for additional techniques to aid ontology designers and users in evaluating and manipulating existing ontological sources for reuse purposes. The first goal of this work is to identify the major factors which influence the feasibility of current ontology reuse processes. We perform this risk analysis by means of a comprehensive literature survey complemented by two case studies situated in typical application scenarios in the Semantic Web field. The results of this analysis are aligned to specific contextual dimensions: features of the ontologies to be reused and of the corresponding ontology application scenarios, as well as parameters of the reuse engineering process. Accounting for the conclusions of the feasibility study, we advocate that the success of reuse endeavors is fundamentally influenced by factors situated at these dimensions and design an context-sensitive ontology reuse methodology implementing this finding. Our second goal is to provide methods and tools assisting ontology engineers and domain experts in operating reuse. On the basis of the requirements derived from the case studies and from the proposed methodology we develop a metadata model for the description of Semantic Web ontologies. This model represents reuse-relevant characteristics of ontologies in a semantically precise, machine-processable, interoperable and extendable manner. We elaborate on the context-sensitive usage of metadata information for human- driven ontology evaluation and exemplify it on a further sub-task of the reuse process, the matching between heterogeneous ontologies as often encountered on the current Semantic Web. We also address the issue of metadata management: we propose a suite of heuristics to automatically derive and detect metadata information related to ontologies, thus minimizing the need for a manual annotation of the resources. The methods are prototypically implemented in a dedicated ontology reuse platform. In order to validate our research from different perspectives, we apply multiple evaluation approaches. The case study methodology provides us the theoretical foundations for comparing the operation of reuse processes in real-world situations with and without our context-oriented methodological approach, and for demonstrating its practicability. Professional reviews estimate the technical quality, originality and impact of the proposed solution. Using the goal-free evaluation methodology we are able to situate the results of this thesis in the actual ontology reuse field, emphasizing the scenarios in which they can be optimally applied. The implementation is evaluated against method-specific quality criteria on representative test sets. The experimental results demonstrate that for a representative class of Semantic Web applications information retrieval and semantic annotation our approach improves ontology reuse with respect to the invested efforts, the user-perceived process operation efficiency and the fitness of use of the reuse outcomes.

Die Semantic Web Initiative verfolgt die Idee, Web Ressourcen unter Verwendung von Methoden der Wissensrepräsentation zu erweitern, damit sie maschinell leichter gefunden, besser genutzt und individuell zusammengestellt werden können. Die Realisierung des Semantic Web setzt voraus, dass Wissen einerseits explizit und maschinenlesbar dargestellt, andererseits nutzungsgerecht wiederverwendet und ausgetauscht werden kann. Ontologien, als explizite und formale Spezifikation einer gemeinsamen Konzeptualisierung , spielen dabei eine zentrale Rolle. Obwohl Ontologien mittlerweile in vielen Anwendungen aus Biowissenschaften, Wissensmanagement oder eCommerce verwendet werden, wird ihre Wiederverwendung gerade in offenen, verteilten Umgebungen wie das Web von einer Reihe von Faktoren entscheidend beeinflusst. Neben der allgemeinen Fragestellung der Realisierung einer allgemein gültigen und beliebig einsetzbaren Domnenkonzeptualisierung, wird der Prozess der Wiederverwendung durch den Mangel an ausgereiften Verfahren und Werkzeugen fr die Evaluierung und Nutzung existierender ontologischer Quellen vor zusätzlichen Herausforderungen gestellt. Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit ist die Identifizierung und Analyse der Hauptfaktoren, welche aktuell die Durchführbarkeit von Ontologiewiederverwendungsprozessen beeinflussen. Zu diesem Zweck werden existierende Ansätze in diesem Forschungsbereich untersucht und in Hinsicht auf angewendete Verfahren und Methoden, sowie erzielte Ergebnisse ausgewertet. Diese Literaturrecherche wird durch eigene umfassende Fallstudien vervollständigt. Die Machbarkeitsstudie deutet darauf hin, dass Kontext- Aspekte einen entscheidenden Beitrag bei der effizienten Wiederverwendung von Ontologien leisten. Das erste Ziel dieser Arbeit ist ein Vorgehensmodell fr die Durchführung von Ontologiewiederverwendungsprozessen zu entwerfen, das auf den Ergebnissen dieser Studie aufbaut und explizit den kontext-sensitiven Charakter solcher Prozesse nutzt um ihre Effizienz zu steigern. Die zweite Zielstellung der Arbeit ist Methoden und Verfahren bereitzustellen, welche den Ontologieentwickler und -nutzer darin unterstützen, Ontologien wiederzuverwenden und die systematische Anwendung unseres Vorgehensmodells erleichtern. Als Grundlage für die Entwicklung dieser Verfahren wird ein Metadaten-Schema fr die Beschreibung von Ontologien vorgestellt. Dieses Model erfasst wiederverwendungsrelevante Eigenschaften von Ontologien auf semantisch präzise, maschienlesbare, und erweiterbare Art und Weise. Die kontext- sensitive Nutzung von Metadaten- Informationen wird in Zusammenhang mit zwei Kernschritten eines Ontologiewiederverwendungs- prozesses, der Evaluierung von Ontologien und ihrer Zusammenführung zu einer Zielontologie, ausführlich behandelt. Weiterhin wird auf die Problematik der Metadaten-Erstellung und -verwaltung eingegangen. Es wird eine Reihe von Heuristiken eingeführt, welche eine automatische Generierung und Ableitung von ontologiebezogene Metadaten ermöglichen und damit den manuellen Aufwand für die Bereitstellung dieser Informationen reduzieren. Die Verfahren sind prototypisch umgesetzt. Die Arbeit wird multiperspektivisch evaluiert. Das Fallstudien- Evaluierungsverfahren bildet die theoretische Grundlage um die Durchführung von Ontologiewiederverwendungsprozessen durch Anwendung unseres Lösungsvorschlags mit bestehenden Ansätzen zu vergleichen. Gleichzeitig zeigen die Fallbeispiele den praktischen Nutzen der Methodologie. Das expertenbasierte Evaluierungsverfahren bewertet die technische Qualität, Originalität und die Implikationen der vorgeschlagenen Lösung für das Forschungsgebiet. Die merkmalsbasierte Evaluierungsmethode ermöglicht es die Ergebnisse der Arbeit in das Forschungsumfeld der Ontologiewiederverwendung einzuordnen, und hebt hervor für welche Anwendungsgebiete die vorgeschlagene Arbeit am besten geeignet ist. Die prototypische Implementierung wird auf einem nutzungsrelevanten Datensatz anhand methodenspezifischer Qualitätsparameter getestet. Die Evaluierungsergebnisse zeigen, dass der in dieser Arbeit verfolgten Ansatz Ontologiewiederverwendungsprozesse, wie sie im Kontext des Semantic Web auftreten, deutlich vereinfacht und verbessert.