Przegląd zastosowań mediacji pomiędzy ontologiami

Pełen tekst

(1)Zeszyty Naukowe nr. 838. 2010. Uniwersytetu Ekonomicznego w Krakowie. Grażyna Paliwoda-Pękosz Katedra Informatyki. Przegląd zastosowań mediacji pomiędzy ontologiami Streszczenie. W artykule zaprezentowano przegląd zastosowań mediacji pomiędzy ontologiami. Wyodrębniono trzy podstawowe obszary zastosowań, związane z przedsiębiorstwem, sieciami oraz inżynierią ontologii. W podsumowaniu zaprezentowano kierunki dalszych badań w tej dziedzinie. Słowa kluczowe: miary podobieństwa, ontologie, mediacja, integracja informacji, integracja danych.. 1. Wprowadzenie Ontologię można zdefiniować jako „jawną konceptualizację rzeczywistości”, przy czym konceptualizacja rozumiana jest jako „abstrakcyjna, uproszczona wizja świata, którą chcemy przedstawić w jakimś celu” [Gruber 1993, s. 199]. Ontologie ujmują słownictwo specyficzne dla danej dziedziny. W ujęciu formalnym, ale uproszczonym, ontologia składa się ze zbioru klas (abstrakcyjnych pojęć), relacji (związków pomiędzy klasami), atrybutów (właściwości klas) oraz instancji (konkretnych obiektów lub jednostek opisywanych przez ontologię). Formalną definicję ontologii można znaleźć np. w [Stumme i in. 2003]. Mediacja1 pomiędzy ontologiami to poszukiwanie semantycznych związków pomiędzy ontologiami i znajdowanie reguł odpowiedniości pomiędzy elementami ontologii, np. równoważność klas lub relacji w dwóch ontologiach, zawieranie się, rozłączność. Jeżeli po znalezieniu tych reguł nie łączy się ontologii, mówi się jedynie o ich mapowaniu. 1. Zagadnienia omawiane w artykule stanowią stosunkowo nowy obszar badań, w którym terminologia nie jest jeszcze ujednolicona. Niektórzy autorzy, np. J. Euzenat i P. Shvaiko [2007], używają terminu „dopasowanie ontologii” (ontology matching)..

(2) 80. Grażyna Paliwoda-Pękosz. (ontology mapping), którego wynikiem jest tzw. dopasowanie ontologii (ontology alignment) [Semantic Web Technologies… 2006], zob. rys. 1..

(3)

(4) . . . .

(5).

(6). Rys. 1. Mapowanie ontologii Źródło: opracowanie własne na podstawie [Semantic Web Technologies… 2006, s. 98].. b). a). import O1. Ontologia pomostowa. O1 Aksjomaty. O2 import O2. Rys. 2. Łączenie ontologii – a) całkowite połączenie, b) tworzenie ontologii pomostowej Źródło: opracowanie własne na podstawie [Semantic Web Technologies… 2006, s. 103].. Łączenie ontologii (ontology merging) jest to tworzenie jednej ontologii z wielu (rys. 2). Proces ten może wyglądać tak, jak przedstawiono to na rys. 2a – wynikiem łączenia jest ontologia zawierająca ontologie wejściowe – lub tak jak na rys. 2b – wynikiem połączenia jest nowa ontologia, tzw. ontologia pomostowa,.

(7) Przegląd zastosowań mediacji…. 81. do której zostały zaimportowane ontologie wejściowe, a połączenia między tymi ontologiami są zdefiniowane poprzez odpowiednie aksjomaty. Najważniejszą rolę w procesach mediacji pomiędzy ontologiami odgrywają miary podobieństwa. Klasyfikację i przegląd takich miar można znaleźć np. w [Paliwoda-Pękosz 2007]. Należy nadmienić, że istnieją już gotowe narzędzia do mapowania ontologii. Zestawienie tych narzędzi zawiera np. opracowanie [Euzenat i Shvaiko 2007], ale jest to zagadnienie na tyle złożone, że wciąż stanowi interesujący problem badawczy. Celem artykułu jest zaprezentowanie obecnych i przyszłych zastosowań metod mediacji pomiędzy ontologiami. Najogólniej można je określić jako integrację danych i informacji. Zagadnienie to jest fragmentem bardziej ogólnej i szeroko ujmowanej w literaturze przedmiotu problematyki integracji systemów informacyjnych (zob. np. [Haas 2007; Ziegler i Dittrich 2004]. Na potrzeby niniejszego artykułu wydzielono obszary zastosowań mediacji związane bezpośrednio z przedsiębiorstwem (punkt 2), sieciami (punkt 3) oraz inżynierią ontologii (punkt 4). Inne ujęcie dziedzin zastosowań można znaleźć np. w [Euzenat i Shvaiko 2007; Ziegler i Dittrich 2004]. 2. Przedsiębiorstwo 2.1. Integracja struktur baz danych i integracja danych. Integrację danych można zdefiniować jako „łączenie danych z różnych źródeł i dostarczenie ich użytkownikowi w zunifikowanej postaci” [Lenzerini 2002, s. 233]. Wraz z rozpowszechnianiem się technologii baz danych od końca lat 60. zwiększała się potrzeba stworzenia metod integracji heterogenicznych baz danych. Pierwsze takie systemy, tzw. wielobazowe, powstały w latach 80. [Ziegler i Dittrich 2004]. Aby można było dokonać integracji danych, konieczne jest rozwiązanie problemów wynikających z heterogeniczności źródeł informacji, która objawia się, między innymi, na płaszczyznach [Sheth 1999]: – syntaktycznej – różnorodność formatów danych, – strukturalnej – struktury lub schematy baz danych, – semantycznej – różne pojmowanie znaczenia nazw, w szczególności występowanie synonimów, hiperonimów, holonimów i homonimów. W rozwiązaniu problemów semantycznej heterogeniczności baz danych mogą pomóc narzędzia do mapowania ontologii. W semantycznej integracji danych tylko dane o podobnym znaczeniu będą połączone. W podejściu bazującym na ontologiach zakłada się, że nazwy występujące w opisie struktury bazy danych są elementami ontologii. W takim przypadku znajdowanie semantycznej odpowiedniości pomiędzy atrybutami baz danych można sprowadzić do mapowania.

(8) 82. Grażyna Paliwoda-Pękosz. ontologii (rys. 3). Może ono polegać na znajdowaniu odpowiedniości pomiędzy elementami ontologii lub mapowaniu ontologii do ontologii globalnej [Ziegler i Dittrich 2004]. Problemy byłyby możliwe do uniknięcia, gdyby w momencie projektowania baz danych uwzględniano słownictwo z jednej ontologii, ale niestety jest to założenie nierealne.. Równoważność elementów ontologii. O1. O2. Równoważność atrybutów. a1. a2. a3. a4. b1. b2. b3. Tabela 1 Tabela 2 a1, a2, a3: atrybuty b1, b2, b3: atrybuty O1, O2 – ontologie opisujące atrybuty odpowiednio z tabeli 1 i 2. Rys. 3. Mapowanie struktury bazy danych jako mapowanie ontologii Źródło: opracowanie własne.. Integracja struktur baz danych jest konieczna np. w przypadku łączenia przedsiębiorstw dysponujących bazami danych o różnej strukturze. Integracji danych dokonuje się natomiast dla potrzeb systemów informacji gospodarczej (business intelligence), raportowania o działalności biznesowej, OLAP (online analytical processing), systemów CRM [Ziegler i Dittrich 2004]. 2.2. Zarządzanie procesami biznesowymi. Proces biznesowy można zdefiniować jako „zbiór połączonych procedur lub działań, które razem realizują cel biznesowy, zazwyczaj w obrębie struktury organizacyjnej definiującej funkcjonalne role i związki” (ais.its.psu.edu/easy_reengineering/media/glossary.doc). Zagadnienie modelowania procesów biznesowych można rozpatrywać od strony usług sieciowych (web services) oraz od strony reprezentacji procesów biznesowych w postaci sieci Petriego. Oba te podejścia.

(9) Przegląd zastosowań mediacji…. 83. można sprowadzić do reprezentacji procesów biznesowych w jednym z języków ontologii, np. OWL, OWL-S, a znajdowanie podobieństwa pomiędzy tymi procesami do znajdowania podobieństwa pomiędzy elementami z różnych ontologii, czyli mediacji pomiędzy ontologiami [Ehrig i in. 2007]. Wykorzystując technologie usług sieciowych, procesy biznesowe można opisywać w języku WS-BPEL [Web Services Business Process… 2007] opartym na WSDL [Web Services Description Language 1.1, 2001]. WS-BPEL opisuje zmiany stanu procesu z wykorzystaniem grafu skierowanego, ale nie ma on możliwości opisu semantyki. Można stworzyć ontologie do opisu działalności biznesowej, co umożliwi monitorowanie tych procesów przez agenty programowe [Manoj i in. 2005]. Procesy biznesowe mogą być opisywane za pomocą sieci Petriego. Sieci te nie uwzględniają jednak semantyki nazw elementów procesu, a zatem łączenie różnych procesów jest utrudnione. Konieczna jest możliwość rozpoznawania synonimów i uwzględniania homonimów w nazwach elementów procesu. W pracy [Ehrig, Koschmider i Oberweis 2007] zaprezentowano metodę transformacji procesów opisanych przez sieci Petriego do reprezentacji w języku OWL. Następnie przedstawiono wykorzystanie miar podobieństwa syntaktycznego, lingwistycznego oraz strukturalnego do znajdowania podobieństwa pomiędzy procesami biznesowymi. Ogólnie można mówić o semantycznych modelach procesów biznesowych wykorzystujących ontologie do opisu nazw elementów procesu. Nie rozwiązuje to jednak w pełni problemu poszukiwania automatycznego porównywania procesów biznesowych oraz tzw. kompozycji procesów biznesowych. W celu rozwiązania tych problemów konieczne jest skonstruowanie miar podobieństwa pomiędzy ontologiami wykorzystywanymi do opisu tych procesów i mediacji pomiędzy ontologiami. Obszary zastosowań miar podobieństwa pomiędzy semantycznymi procesami biznesowymi można podzielić na dwa rodzaje [Ehrig, Koschmider i Oberweis 2007]: – znajdowanie semantycznych powiązań pomiędzy procesami biznesowymi, – znajdowanie podobieństw pomiędzy danym procesem a procesem wzorcowym – zastosowanie w narzędziach wspomagających automatyczne modelowanie procesów biznesowych. 3. Sieci 3.1. Wyszukiwanie informacji w Sieci Semantycznej i sieci ukrytej. Obecne wyszukiwarki sieci WWW charakteryzują się małą precyzją (dostarczają informacji nieistotnych) oraz tzw. niskim wskaźnikiem pełności odpowiedzi (recall), czyli nie dostarczają wszystkich informacji istotnych. Rozwiązaniem tego.

(10) 84. Grażyna Paliwoda-Pękosz. problemu wydaje się Sieć Semantyczna, której koncepcja została zaprezentowana w artykule [Berners-Lee, Hendler i Lassila 2001]. Jej istota polega na łączeniu danych z różnych źródeł dzięki zastosowaniu ontologii jako modelu danych. Zastosowanie ontologii do opisu danych nie jest jednak wystarczające do przeprowadzania semantycznego przeszukiwania sieci. Aktualnie znajduje się w niej już ponad 10 000 ontologii (http://swoogle.umbc.edu) opisujących różne dziedziny, a czasami wiele ontologii tworzonych przez różne ośrodki opisuje tę samą dziedzinę. W celu dostarczenia użytkownikowi sensownych, pod względem semantycznym, wyników wyszukiwania konieczne jest porównywanie ontologii, w szczególności zastosowanie metod mapowania ontologii. W przypadku sieci ukrytej (deep Web) zastosowanie mapowania ontologii umożliwi tworzenie zapytań i odpowiedzi na zapytania do heterogenicznych baz danych umieszczonych w sieci, których struktura może być opisana z wykorzystaniem wielu ontologii. 3.2. Integracja katalogów. Terminem „integracja katalogów” określa się dopasowywanie informacji o produktach firmy znajdujących się w jej lokalnych bazach do katalogów firm już istniejących w sieci WWW, np. Amazon, eBay [Euzenat i Shvaiko 2007]. W tym przypadku również niezbędne staje się mapowanie ontologii opisujących dane lokalne i dane w katalogach globalnych. 3.3. Semantyczne usługi sieciowe. World Wide Web Consortium [Web Services Architecture 2004] definiuje usługę sieciową jako system oprogramowania zaprojektowany w celu umożliwienia interakcji pomiędzy komputerami w sieci. Semantyczne usługi sieciowe są połączeniem technologii sieci semantycznych, w których najważniejszą rolę odgrywają ontologie umożliwiające interpretację danych przez maszyny, z technologią usług sieciowych skoncentrowaną na automatycznym odkrywaniu, selekcji i wykonywaniu usług w sieci. Semantyczne usługi sieciowe stanowią wizję WWW następnej generacji. W funkcjonowaniu usług sieciowych można wyróżnić następujące etapy [Stollberg i in. 2006]: – umieszczenie usługi (deployment) – tworzenie i publikowanie usługi w sieci, – odkrywanie (discovery) – znajdowanie usługi przez inne usługi, – kompozycja (composition) – łączenie wielu usług, tak aby osiągnąć zamierzony cel, – selekcja (selection) – wybór najbardziej odpowiedniej usługi,.

(11) Przegląd zastosowań mediacji…. 85. – mediacja (mediation) – rozwiązanie problemów związanych z heterogenicznością danych i protokołów, – wykonanie usługi (execution). Podstawą semantycznych usług sieciowych są ontologie, które wykorzystuje się do opisu usług sieciowych. W3C proponuje i definiuje standardy technologii, które będą wykorzystywane w Sieci Semantycznej, między innymi w opisach usług sieciowych. Trzema pierwszymi propozycjami do opisu semantycznych usług sieciowych były: – OWL-S (Ontology Web Language for Services), 22.11.2004 (http://www. w3.org/Submission/OWL-S/), – WSMO (Web Service Modeling Ontology), 3.06.2005 (http://www.w3.org/ Submission/WSMO/), – SWSO (Semantic Web Services Ontology), 9.09.2005 (http://www.w3.org/ Submission/SWSF-SWSL/). Po nich rekomendowano standard SAWSDL (Semantic Annotations for WSDL and XML Schema, http://www.w3.org/TR/sawsdl). Jest to język służący do semantycznej adnotacji usług sieciowych oparty na WSLD – języku do opisu usług sieciowych. SAWSDL zapewnia szkielet do semantycznej adnotacji usług sieciowych, którą można przeprowadzić z wykorzystaniem dowolnego języka opisu ontologii. Jedynym wymaganiem jest, aby semantyczne koncepty były identyfikowane przez URI. Wykorzystanie jednego standardu do opisu usług sieciowych, umożliwiającego korzystanie z różnych języków opisu ontologii oraz różnych ontologii, nie rozwiązuje całkowicie problemu automatycznego znajdowania usług i kompozycji. W przypadku usług sieciowych publikowanych przez różnych dostarczycieli usług, wykorzystujących różne ontologie, konieczne będzie zastosowanie mechanizmów mapowania ontologii, aby umożliwić znalezienie usług spełniających określone semantyczne kryteria oraz łączenie usług w celu sprostania wymaganiom klienta. 3.4. Autonomiczne systemy komunikacji. Terminem „autonomiczne systemy komunikacji” określa się agenty programowe działające w systemach wieloagentowych oraz tzw. wszechobecne skomputeryzowanie (ambient computing) [Euzenat i Shvaiko 2007]. Agenty programowe, w odróżnieniu od zwykłych programów, charakteryzują się autonomią, zdolnościami adaptacyjnymi do środowiska, w którym działają, oraz cechami społecznymi umożliwiającymi im oddziaływanie z innymi agentami z wykorzystaniem określonego języka komunikacji [Franklin i Graesser 1996]. Szerszą charakterystykę agentów można znaleźć np. w [Paliwoda-Pękosz 2010]. W celu wymiany komunikatów w środowisku wieloagentowym opracowano języki komunikacji agentów, np. FIPA Agent Communication Language (http://www.fipa.org/.

(12) 86. Grażyna Paliwoda-Pękosz. spec/fipa0037), ale aby agenty mogły interpretować znaczenie tych komunikatów, muszą wykorzystywać ontologie do kodowania ich treści. Z uwagi na możliwość wykorzystywania różnych ontologii przez agenty istnieje potrzeba wykorzystania mapowania ontologii. Częścią wizji Sieci Semantycznej zarysowanej przez T. Bernersa-Lee [Berners-Lee, Hendler i Lassila 2001] jest wszechobecna sieć – połączenie urządzeń codziennego użytku w sieć i ich komunikacja, np. gdy kuchenka mikrofalowa komunikująca się z usługą internetową dostarczającą informacji, jak rozmrażać produkty. Aby ta wizja mogła zostać zrealizowana, konieczny jest semantyczny opis funkcji urządzeń. Ponieważ nie jest realne stworzenie jednej ontologii do opisu wszystkich urządzeń i serwisów, są tutaj również potrzebne metody mediacji pomiędzy ontologiami. 3.5. Sieci P2P. Sieci P2P charakteryzują się możliwością dzielenia danych przez użytkowników sieci. W celu ułatwienia znajdowania odpowiednich zasobów w takich sieciach zasoby poszczególnych użytkowników powinny być semantycznie oznaczone. W przypadku systemów wymuszających na użytkownikach konieczność wykorzystania jednej ontologii do opisu zasobów mediacja nie jest potrzebna. Jeżeli jednak użytkownicy korzystają z wielu ontologii, konieczny jest proces mediacji pomiędzy ontologiami użytkowników [Euzenat i Shvaiko 2007]. 4. Inżynieria ontologii Inżynieria ontologii jest stosunkowo nową dziedziną nauki, zajmującą się zagadnieniami związanymi z projektowaniem i zarządzaniem ontologiami. Mediacja pomiędzy ontologiami jest konieczna w procesach [Euzenat i Shvaiko 2007]: – tworzenia z wielu ontologii dziedzinowych jednej ontologii (łączenie ontologii), czyli agregacji danych z jednej dziedziny, – zarządzania różnymi wersjami jednej ontologii (mapowanie ontologii), – wspomagania budowania ontologii w trybie rozproszonym (mapowanie i łączenie ontologii). 5. Podsumowanie i wnioski W artykule przedstawiono zarys obszarów zastosowań metod mediacji pomiędzy ontologiami. Wyodrębniono trzy podstawowe obszary zastosowań: przedsiębiorstwo, sieć oraz inżynierię ontologii. Już z tego skrótowego przeglądu wynika.

(13) Przegląd zastosowań mediacji…. 87. to, jak ważną rolę odgrywają i będą odgrywać te metody. Ontologie wydawały się środkiem rozwiązania problemu semantycznej heterogeniczności danych, ale niestety nie udało się tego dokonać, przeniosły jedynie problem na inny poziom: heterogeniczności ontologii, stąd konieczność badań nad metodami mediacji pomiędzy ontologiami. Wprawdzie są one już od wielu lat przedmiotem zainteresowania naukowców, jednak jest to zagadnienie na tyle złożone, że stanowi wciąż otwarty problem badawczy. Dalsze badania będą skoncentrowane na opracowaniu metody mapowania ontologii uwzględniającej specyfikę języka polskiego. Literatura Berners-Lee T., Hendler J., Lassila O. [2001], The Semantic Web, „Scientific American”, May. Communicative Act Library Specification, Foundation for Intelligent Physical Agents (FIPA), http://www.fipa.org/spec/fipa0037 (data dostępu: 9.02.2008). Ehrig M., Koschmider A., Oberweis A. [2007], Measuring Similarity between Semantic Business Process Models, Proceedings of the Fourth Asia-Pacific Conference on Conceptual Modelling (APCCM2007), Ballarat, Australia, vol. 67. Euzenat J., Shvaiko P. [2007], Ontology Matching, Springer-Verlag, Berlin–Heidelberg. Franklin S., Graesser A. [1996], Is It an Agent, or Just a Program? A Taxonomy for Autonomous Agents, Proceedings of the Third International Workshop on Agent Theories, Architectures, and Languages, Springer-Verlag, Berlin–Heidelberg. Gruber T. [1993], A Translation Approach to Portable Ontologies, „Knowledge Acquisition”, vol. 5, nr 2. Haas L.M. [2007], Beauty and the Beast: The Theory and Practice of Information Integration, ICDT, Lecture Notes in Computer Science 4353, Springer-Verlag, Berlin– –Heidelberg. Lenzerini M. [2002], Data Integration: A Theoretical Perspective, Proceedings of the Twenty-first ACM SIGMOD-SIGACT-SIGART Symposium on Principles of Database Systems, Madison, USA. Manoj T. i in. [2005], A Semantic Approach to Monitor Business Process Performance, Communications of the ACM, vol. 48, nr 12, New York. Ontology Web Language for Services, W3C Submission, 22 November 2004, http://www. w3.org/Submission/OWL-S/. Paliwoda-Pękosz G. [2007], Miary podobieństwa jako narzędzie mediacji pomiędzy ontologiami [w:] Metody sztucznej inteligencji, modelowania i symulacji komputerowych w badaniu procesów i analizie danych w systemach ekonomicznych, badania statutowe Katedry Informatyki pod kierunkiem J. Wołoszyna, Uniwersytet Ekonomiczny w Krakowie, Kraków. Paliwoda-Pękosz G. [2010], Wykorzystanie technologii agentów w usługach sieciowych, Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Ekonomicznego w Krakowie, Kraków, nr 814. Semantic Annotations for WSDL and XML Schema W3C Recommendation, 28 August 2007, http://www.w3.org/TR/sawsdl..

(14) 88. Grażyna Paliwoda-Pękosz. Semantic Web Services Ontology, W3C Submission, 9 September 2005, http://www. w3.org/Submission/SWSF-SWSL/. Semantic Web Technologies, Trends and Research in Ontology Based Systems [2006], ed. J. Davies, R. Studer, P. Warren, John Wiley & Sons, Chichester. Sheth A.P. [1999], Changing Focus on Interoperability in Information Systems: From System, Syntax, Structure to Semantics [w:] Interoperating Geographic Information Systems, ed. M.F. Goodchild i in., Kluwer. Stollberg M. i in. [2006], Semantic Web Services, Tutorial at the 21st National Conference on Artificial Intelligence (AAAI2006), 17 July, Boston, USA, http://www.wsmo.org/ TR/d17/tutorials/aaai06-tutorialMAP4.html. Stumme G. i in. [2003], The Karlsruhe View on Ontologies. Technical Report, University of Karlsruhe, Institute AIFB. Web Services Architecture [2004], W3C Working Group Note, 11 February, http://www. w3.org/TR/ws-arch/. Web Services Business Process Execution Language Version 2.0 [2007], OASIS Standard, 11 April, http://docs.oasis-open.org/wsbpel/2.0/wsbpel-v2.0.pdf. Web Services Description Language 1.1 [2001], W3C Note, 15 March, http://www.w3.org/ TR/wsdl. Web Service Modeling Ontology, W3C Submission, 3 June 2005, http://www.w3.org/ Submission/WSMO/. Ziegler P., Dittrich K.R. [2004], Three Decades of Data Integration – All Problems Solved?, vol. 12: Building the Information Society, ed. R. Jacquart, 18th IFIP World Computer Congress (WCC 2004), Toulouse, France, August 22–27. A Review of Applications of Mediations between Ontologies The paper submits a review of applications of mediations performed between ontologies. Three basic areas of such applications, connected with an enterprise, nets and ontology engineering, have been indicated. In a summary, directions of further research in this field have been proposed. Key words: similarity measures, ontology, mediation, information integration, data integration..

(15)