Αποδοτική αναγνώριση υπονοούμενων ιεραρχικών σχέσεων σε OWL οντολογίες

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η υλοποίηση ενός συστήματος αποθήκευσης και διαχείρισης οντολογιών, ικανού για τον υπολογισμό όλων των σχέσεων ιεραρχίας που υπονοούνται μεταξύ των εννοιών (κλάσεων) μιας οντολογίας με εκφραστικότητα περιορισμένη στο τμήμα (profile) EL της γλώσσας αναπαράστασης OWL. Βάση της υλοποίησής μας είναι ο συνδυασμός της τεχνική της Δομικής Υπαγωγής, μιας τεχνικής συλλογιστικής ανάλυσης βασισμένης στην επαναληπτική εφαρμογή κανόνων, με ένα Σχεσιακό Σύστημα Διαχείρισης Βάσεων Δεδομένων (DBMS) για την ταξινόμηση του TBox οντολογιών, με την εξ ολοκλήρου παράλειψη της Μηχανής Συλλογιστικής Ανάλυσης. Σε αντίθεση με το σύστημά μας τα περισσότερα συστήματα συλλογιστικής ανάλυσης χρησιμοποιούν Μηχανές Συλλογιστικές Ανάλυσης, οι οποίες λειτουργούν αποκλειστικά στην κύρια μνήμη. Επειδή οι υπάρχουσες πραγματικές οντολογίες μεγάλου όγκου που χρησιμοποιούνται αυτή τη στιγμή έχουν πολύ μεγάλα και πολύπλοκα TBoxes, τα προαναφερθέντα συστήματα δεν επιδεικνύουν καλή κλιμάκωση όσο ο όγκος του TBox αυξάνει, ενώ χρειάζονται και καταναλώνουν πολύ κύρια μνήμη. Το σύστημά μας αποφεύγει τα παραπάνω προβλήματα, επιτελώντας την ίδια λειτουργία, αλλά σε μικρότερους χρόνους και με καλύτερη εκμετάλλευση της κύριας μνήμης. Η λειτουργία του μπορεί να περιγραφεί με την χρήση τριών διακριτών σταδίων. Αρχικά επιτελείται η φόρτωση και κανονικοποίηση της οντολογίας (μετατροπή του TBox σε επιτρεπόμενους τύπους αξιωμάτων), ακολουθεί η ταξινόμησή της (υπολογισμός μεταβατικού κλεισίματος της οντολογίας) και τέλος ο υπολογισμός του transitive reduction (παραγωγή ταξονομίας που περιέχει μόνο άμεσες σχέσεις υπαγωγής μεταξύ ονομασμένων κλάσεων της οντολογίας). Η υλοποίηση του συστήματός μας έγινε στα πλαίσια επέκτασης του συστήματος DBRS που έχει αναπτυχθεί στο εργαστήριο, χρησιμοποιώντας την γλώσσα προγραμματισμού Java και στην παρούσα έκδοσή του, το Σχεσιακό Σύστημα Διαχείρισης Βάσεων Δεδομένων PostgreSQL.

The purpose of this paper is the development of an ontology store and management system, capable of computing all the implied hierarchy relations between the concepts (classes) of an ontology with expressiveness limited to the EL profile of the knowledge representation language OWL. The foundation of our work is the combination of the technique known as Structural Subsumption, a reasoning technique based on the iterative application of rules, with a Relational Database Management System, for the classification of ontology TBoxes, while entirely omitting the use of a Reasoner. Unlike our system most Reasoning Systems use Reasoners, which work exclusively in the main memory. Because today’s large real-world ontologies have very large and complicated TBoxes, the aforementioned systems don’t show good scaling (in relation with the size of the TBox) and they consume too much main memory. Our system avoids these problems and manages to complete the same task, but faster and with better usage of the main memory. Its function can be described with the usage of three distinct stages. At the first stage we load and normalize the ontology (TBox conversion into permitted types of axioms), at the second stage we classify it (transitive closure of the ontology) and then, at the final third stage, we produce its transitive reduction (a taxonomy which contains only direct subsumption relationships between named classes of the ontology). Our system was developed as an extension to the DBRS system which was developed in the lab, using the programming language Java and, in its current version, the Relational Database Management System PostgreSQL.