Ontology-Alignment. Konzepte, Werkzeuge und Anwendungen


Projektarbeit, 2016

16 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Abstract

Mit der Vorstellung von Semantischen Systemen ist die Bedeutung von Ontologien durch ihre formale Wissensrepräsentation stark angestiegen. Sie erlauben die Durchführung logischer Schlussfolgerungen zur Laufzeit, sodass weiteres Wissen durch explizit vorliegende Informationen abgeleitet werden kann. Durch den zunehmenden Einsatz Cyber-Physischer Systeme können Ontologien eingesetzt werden, um die semantische Interoperabilität unabhängiger und heterogener Systeme zu gewährleisten. Neben der Vielzahl an Ontologien unterschiedlicher Wissensgebiete, koexistieren ebenso welche, die für denselben Zweck entworfen wurden und somit ein nahezu identisches Wissensgebiet abdecken. Um dabei ein gemeinsames Informationsnetz zu schaffen, müssen sich vorhandene Ontologien aufeinander abbilden lassen. Diese Arbeit fasst verschiedene Forschungsergebnisse aus unterschiedlichen Literaturquellen zusammen und zeigt vorhandene Konzepte, Anwendungsgebiete und Werkzeuge zum Themengebiet Ontologie-Alignment.

Keywords - Ontology Alignment, Ontology Matching Tools, Cyber Physical Systems, Ontological Engineering

I. Einleitung

Nach Jérôme Euzenat und Pavel Shvaiko stellt eine Ontologie ein beschreibendes Vokabular einer bestimmten Domäne und eine Spezifikation der Bedeutung der Begriffe dieses Vokabulars zur Verfügung [14].

Daraus lässt sich schließen, dass eine Ontologie stets nur ein Teilgebiet (Domäne) des Wissens repräsentieren kann. Dabei handelt es sich um sogenannte lokale Ontologien. Ausnahmen bilden hier domänenunabhängige oder auch globale[1] Ontologien, die äußerst abstrakte Konzepte beschreiben und damit domänenübergreifend Anwendung finden können. Für das jeweilige Teilgebiet wird eine Terminologie definiert, die während der Kommunikation von Wissen Verwendung findet. Eine Ontologie legt sowohl Begriffe als auch deren Semantik fest, sodass ein Begriff über verschiedene Systeme hinweg seine Bedeutung beibehält. Zudem erlaubt es der formale Charakter von Ontologien, logische Schlussfolgerungen zu berechnen und neues Wissen abzuleiten [21].

Klassen sind dabei der sogenannte Grundstock jeder Ontologie. Sie beschreiben Konzepte aus dem Themengebiet. Weiterhin können Klassen Unterklassen besitzen, die Konzepte repräsentieren, welche spezifischer sind als die Oberklasse. Die Klassen, Instanzen und Relationen können sich je nach Ontologie unterscheiden und individuell definiert werden.

Abb. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Ontologie eines Unternehmens. Diese soll verdeutlichen, dass sich Ontologien je nach Themengebiet unterscheiden und sie je nach Verwendungszweck komplexere Dimensionen annehmen können. Um lokale Ontologien systemübergreifend nutzen zu können, müssen sich diese aufeinander abbilden lassen. Erst diese Abbildung macht es möglich, dass verschiedene heterogene Systeme untereinander Informationen austauschen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Ausschnitt einer Ontologie eines Unternehmens

A. Terminologie

Im Zusammenhang mit Ontologie-Alignment existieren verschiedene Begriffe, die voneinander abgegrenzt werden müssen. Daher wird zwischen Ontologie-Matching, Ontologie-Alignment, Ontologie-Mapping, Ontologie-Merging und Ontologie-Integration unterschieden. In der Literatur finden sich dazu zum Teil unterschiedliche Definitionen und Sichtweisen, die in Tabelle 1 dargestellt werden. Dabei ist zu erkennen, dass unter dem Begriff Ontologie-Alignment einerseits das Ergebnis eines Matching-Prozesses [13] und andererseits ein Matching-Prozess selbst [10][16] verstanden wird.

Im weiteren Verlauf dieses Dokuments wird auf die Definition von [13] zurückgegriffen, sodass folgende Terminologie für das Verständnis der weiteren Kapitel festgelegt wurde:

Ontologie-Matching. Bezeichnet den Prozess, der zwischen Entitäten verschiedener Ontologien passende Beziehungen oder Korrespondenzen findet. Dabei sollen semantische Abbildungen zwischen ontologischen Entitäten identifiziert werden.

Ontologie-Alignment. Bezeichnet das Ergebnis eines Ontologie-Matching-Prozesses. Ein Alignment besteht aus einer Menge von Beziehungen und Korrespondenzen zwischen gematchten Ontologien.

Ontologie-Mapping. Bezeichnet die gerichtete Variante eines Ontologie-Alignments. Die Elemente der Quellontologie werden auf die Elemente der Zielontologie abgebildet und kommen mindestens einmal vor.

Demnach wird der Prozess, der für die Ermittlung von Übereinstimmungen verschiedener Ontologien verwendet wird, als Ontologie-Matching bezeichnet. Das Resultat dieses Matching-Prozesses stellt dann ein Ontologie-Alignment dar, welches die Menge gefundener Übereinstimmungen repräsentiert. Mithilfe der Alignments ist dann beispielsweise eine Überführung beider Ontologien in die jeweils andere möglich. Die Ontologien selbst bleiben vom Matching-Prozess unangetastet. Beim Ontologie-Mapping ist im Gegensatz zum Ontologie-Alignment die Richtung der Abbildungsvorschrift vorgegeben und nicht umkehrbar.

B. Herausforderung

Zur Berechnung eines Alignments zwischen Ontologien werden unterschiedliche Matching-Techniken eingesetzt. Je nach strategischem Schwerpunkt ergeben sich spezielle Herausforderungen, die beim Matching-Prozess gelöst werden müssen:

Heterogenität. Ontologien können selbst dann Unterschiede aufweisen, wenn diese für dieselbe Anwendung entworfen wurden. Dabei lassen sich verschiedene Arten von Heterogenität unterscheiden [14]:

- Terminologische Heterogenität. Gleiche Klassen können unterschiedliche Namen besitzen. So könnte nach Abb. 1 ein Mitarbeiter in einer anderen Ontologie als Angestellter bezeichnet werden. Durch Homonyme können gleiche Bezeichnungen verschiedene Begriffe verkörpern und die Verwendung von Abkürzungen oder Multilingualität führen zu weiteren Unterschieden in der Bezeichnung.
- Konzeptuelle Heterogenität. Durch Unterschiede in der Abdeckung können konzeptuelle Probleme auftauchen. Beispielsweise decken Ontologien häufig nur einen bestimmten Bereich von Instanzen ab. Daneben kann sich die Granularität der Strukturierung von Klassen, Instanzen und Relationen stark unterscheiden und unterschiedlich detaillierte Formen annehmen. Zudem können sich Ontologien durch verschiedene Perspektiven unterscheiden, obwohl diese denselben Themenbereich mit demselben Detailgrad abbilden.

Redundanz. Instanzen einer Ontologie sind meist mehreren Klassen zugeordnet, was die Verwendung durch verbesserte Auffindbarkeit zwar deutlich vereinfacht aber das Auffinden der korrekten Korrespondenzen erschwert.

Multiontologie-Matching-Problem. Wenn die Hierarchien vollständig überlappend sind, kann eine Ontologie in mehrere Teilontologien zerlegt werden, die dieselben Instanzen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten abbilden. Daneben kann es auf Klassenebene Redundanzen geben, sodass diese an mehreren Stellen innerhalb der Ontologien auftauchen.

Instanzen. Wie auch bei Klassen kann es bei Instanzen zur terminologischen Heterogenität kommen, was nach Elmagarmid et al. ein eigenes Matching-Problem darstellt [12]. Das Auffinden von Instanzduplikaten verschiedener Klassen ist demnach nicht mit dem Auffinden von Klassenduplikaten vergleichbar. Rakesh Agrawal und Ramakrishnan Srikant [2] vertreten die Meinung, dass Instanzen lediglich bei den Blättern der Klassen vorhanden sind. Diese Sichtweise wird in dieser Arbeit nicht geteilt, sodass in diesem Fall der Sichtweise von Sabine Massmann [28] zugestimmt wird, dass jeder Klasse Instanzen zugeordnet sein können.

Tabelle I

Terminologie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

II. Matching-Techniken

Um einen Überblick verschiedener Ansätze zum Ontologie-Alignment zu erhalten, wird eine kurze Zusammenfassung der bisherigen Matching-Techniken gegeben. Dabei haben Otero-Cerdeira et al. in ihrer Literaturstudie zum Ontologie-Matching eine Klassifizierung verschiedener Matching-Techniken nach Euzenat und Shvaiko vorgenommen [13][30].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Klassifikation von Matching-Techniken [13, S. 77]

In Abb. 2 ist ersichtlich, dass sich je nach Leserichtung der Grafik zwei Klassifikationen extrahieren lassen. In Leserichtung von oben nach unten werden die Matching-Techniken durch zwei Ebenen (Element- und Struktur-Ebene) klassifiziert:

Element-Ebene. Ermittlung von Korrespondenzen durch isolierte Betrachtung von Entitäten innerhalb einer Ontologie. Dabei wird ignoriert, dass Entitäten ein Teil der Ontologie-Struktur sind.

Struktur-Ebene. Ermittlung von Korrespondenzen, indem analysiert wird, wie vorhandene Entitäten in der Ontologie-Struktur eingebaut sind.

Dahingegen lässt sich beim Lesen von unten nach oben eine Klassifikation in kontext- und inhaltsbasiert erkennen:

Kontextbasiert. Fokus auf interne Informationen, die aus den zu matchenden Ontologien extrahiert werden.

Inhaltsbasiert. Berücksichtigung von externen Informationen, die sich aus Relationen zwischen den Ontologien oder anderen Ressourcen (Kontext) ergeben.

Um eine Wiederholung zu vermeiden, kann eine weitere Unterteilung der verschiedenen Klassifizierungen aus [13] entnommen werden.

A. Definition Matching-Prozess

Je nach Werkzeug kommen verschiedene Matching-Algorithmen zum Einsatz, die den Matching-Prozess bestimmen. Um die Vorgehensweise eines Matching-Prozesses besser nachvollziehen zu können, werden im Folgenden drei mögliche Zusammenstellungen von Matchern nach Euzenat und Shavaiko beschrieben [14].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Matching-Prozess (in Anlehnung an [14, S. 44])

Abb. 3 zeigt zwei Input-Ontologien und und ein aus einem vorherigen Matching-Prozess. Als Ergebnis dieses Prozesses resultiert das . Zu erkennen ist, dass dem Matcher weitere Parameter und Ressourcen hinzugefügt werden, die hinterher das Ergebnis beeinflussen können. Um nun die Ergebnisse zu optimieren, werden verschiedene Strategien angewendet und weitere Matcher auf unterschiedliche Art und Weise miteinander kombiniert. Ein Beispiel sei in Abb. 4 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Sequentielle Zusammenstellung von Matchern (in Anlehnung an [14, S. 118])

[...]


[1] Top-Level-Ontologien (engl.: upper ontologies, foundation ontologies).

Ende der Leseprobe aus 16 Seiten

Details

Titel
Ontology-Alignment. Konzepte, Werkzeuge und Anwendungen
Hochschule
Hochschule Emden/Leer
Veranstaltung
Wissenschaftliches Seminar
Note
1,0
Autor
Jahr
2016
Seiten
16
Katalognummer
V346679
ISBN (eBook)
9783668362444
ISBN (Buch)
9783668362451
Dateigröße
1296 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Ontology Alignment, Ontology Matching, Cyber Physical Systems
Arbeit zitieren
Jannike Illing (Autor), 2016, Ontology-Alignment. Konzepte, Werkzeuge und Anwendungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/346679

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