Semantic peer - to - peer systems

Abstract

As knowledge and data become more prevalent with the aim of achieving interoperability between distributed and decentralized systems, the problem of combining knowledge of individual reasoning chunks, and/or decomposing large ontologies becomes also important. This thesis contributes to:(a) Combining ontologies in expressive fragments of Description Logics in inherently distributed peer-to-peer settings with autonomous peers(b) Partitioning ontologies for efficient distributed reasoning(c) Providing a comprehensive toolset for distributed reasoning with distributed and/or large ontologies via modularization and combining local reasoning chunks in a peer-to-peer fashion.Specifically:(a) The E-SHIQ Representation framework for combining ontologies:Combining ontologies in expressive fragments of Description Logics in inherently distributed peer-to-peer settings with autonomous peers, is still a challenge in the general case. Although several modular ontology representation frameworks have been proposed for combining Description Logics knowledge bases, each of them has its own strengths and limitations. In this thesis we consider networks of peers, where each peer holds its own ontology within the SHIQ fragment of Description Logics, and subjective beliefs on how its knowledge can be coupled with the knowledge of others. To allow peers to reason jointly with their coupled knowledge, while preserving their autonomy on evolving their knowledge, data and subjective beliefs, we propose the E-SHIQ representation framework. E-SHIQ (i) provides constructors associated to link relations and correspondences between concepts of different ontologies, retaining the subjectiveness of specifications, (ii) offers expressiveness for combining multiple units that can be interpreted over overlapping and disjoint domains, (iii) supports distributed reasoning by combining local reasoning chunks in a peer-to-peer fashion, and (iv) inherently supports subsumption propagation between units. Each peer with a specific unit holds a part of a distributed tableau, which corresponds to a distributed model. The E-SHIQ distributed reasoner has been implemented as an extension of the Pellet reasoner. The thesis presents experimental results with the E-SHIQ distributed reasoner, on different distributed settings of particular interest. The results show that the reasoner achieves better performance than its centralized counterpart, although further optimizations may be applied.(b) Ontology modularization for efficient distributed reasoning:Ontology modularization methods aim either to extract modules from ontologies, or partition ontologies into sets of modules. Each module covers a specific part of the whole, and it should ``make sense'' as well as preserve additional properties. A variety of ontology modularization methods have been proposed to either extract modules from an ontology or partition an ontology into a set of modules, aiming to satisfy certain requirements depending on the modularization goals: Specifically, ontology modularization may aim at reusability of knowledge, reduction of complexity, efficient reasoning, and tooling support, e.g. for efficient ontology maintenance and evolution. This thesis proposes a generic framework for the modularization of SHIQ ontologies, towards the construction of distributed E-SHIQ knowledge bases. The aim is to compute decompositions for correct, complete and efficient distributed reasoning. The proposed framework combines graph-based modularization techniques with locality-based rules using a generic constraint problem solving framework. Experimental results show that the modularization task satisfies specific desiderata that contribute to increasing the performance of the distributed E-SHIQ reasoner (also in comparison to other well known reasoners and optimization methods).

Καθώς η γνώση και τα δεδομένα διαδίδονται, με στόχο την διαλειτουργικότητα μεταξύ κατανεμημένων και αποκεντρωμένων συστημάτων, το πρόβλημα του συνδυασμού της γνώσης των επιμέρους τμημάτων συλλογισμού, ή/και η διάσπαση μεγάλων οντολογιών γίνεται ιδιαίτερα σημαντικό. Αυτή η διατριβή συμβάλλει στα εξής:(α) Το συνδυασμό οντολογιών σε ένα εκφραστικό τμήμα των Description Logics σε εγγενώς κατανεμημένα συστήματα αυτόνομων ομότιμων.(β) Την αρθρωματοποίηση οντολογιών με στόχο την αποτελεσματική κατανεμημένη συλλογιστική.(γ) Την παροχή ολοκληρωμένου συνόλου εργαλείων για κατανεμημένη συλλογιστική σε κατανεμημένες ή/και μεγάλες οντολογίες μέσω αρθρωματοποίησης, συνδυάζοντας τα τοπικά μέρη της γνώσης σε peer-to-peer αρχιτεκτονική.Συγκεκριμένα παρουσιάζονται:(α) Το E-SHIQ πλαίσιο αναπαράστασης γνώσης για το συνδυασμό οντολογιών:Ο συνδυασμός οντολογιών σε εκφραστικά κομμάτια των Description Logics σε εγγενώς κατανεμημένα δίκτυα αυτόνομων ομότιμων, εξακολουθεί να είναι μια πρόκληση για την γενική περίπτωση. Παρά το γεγονός ότι έχουν προταθεί αρκετά πλαίσια αναπαράστασης γνώσης για το συνδυασμό βάσεων γνώσεων σε Description Logics, καθένα από αυτά έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και περιορισμούς. Σε αυτήν τη διατριβή θεωρούμε δίκτυα ομότιμων, όπου κάθε ένας κατέχει μια οντολογία εκφρασμένη στο SHIQ μέρος των Description Logics, και διατηρεί υποκειμενικές αντιλήψεις για το πώς η γνώση του μπορεί να συνδυαστεί με την γνώση των άλλων. Επιτρέπουμε στους ομότιμους να συνδυάζουν από κοινού τη γνώση τους, διατηρώντας παράλληλα την αυτονομία τους στην διαχείριση της γνώσης, τα περιεχόμενα και τις υποκειμενικές πεποιθήσεις τους, προτείνοντας το πλαίσιο αναπαράστασης γνώσης E-SHIQ. Το E-SHIQ (i) παρέχει τελεστές που επιτρέπουν συνδέσεις (link relations) και συσχετισμούς μεταξύ εννοιών διαφορετικών οντολογιών, διατηρώντας την υποκειμενικότητα των ορισμών, (ii) προσφέρει υψηλή εκφραστικότητα για τις βάσεις γνώσης των ομότιμων, (iii) υποστηρίζει κατανεμημένη συλλογιστική με τον συνδυασμό των βάσεων γνώσης των ομότιμων ανεξάρτητα από το αν είναι ετερογενείς ή συμπληρωματικές σε μια peer-to-peer αρχιτεκτονική και (iv) υποστηρίζει εγγενώς τη διάδοση υπαγωγών εννοιών μεταξύ των ομότιμων. Κάθε ομότιμος με βάση γνώσης, κατέχει ένα μέρος ενός κατανεμημένου ταμπλώ, το οποίο αντιστοιχεί σε ένα κατανεμημένο μοντέλο. Ο μηχανισμός κατανεμημένης συλλογιστικής με E-SHIQ έχει υλοποιηθεί ως επέκταση του μηχανισμού συλλογιστικής Pellet. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα με τον κατανεμημένο μηχανισμό συλλογιστικής E-SHIQ, σε διάφορες κατανεμημένες βάσεις γνώσης με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο μηχανισμός κατανεμημένης συλλογιστικής επιτυγχάνει καλύτερες επιδόσεις από τον Pellet, ενώ και περαιτέρω βελτιστοποιήσεις μπορούν να εφαρμοστούν.(β) Αρθρωματοποίηση οντολογιών για αποτελεσματική κατανεμημένη συλλογιστική:Οι μέθοδοι αρθρωματοποίησης οντολογιών στοχεύουν είτε στην εξαγωγή κάποιου αρθρώματος από μια οντολογία, είτε τη κατάτμηση της οντολογίας σε ένα σύνολο από αρθρώματα. Κάθε άρθρωμα καλύπτει συγκεκριμένη θεματική ενότητα της αρχικής οντολογίας, και θα πρέπει να αποδίδει το νόημα των εννοιών, καθώς επίσης και να διατηρεί ιδιότητες που επιτρέπουν αποτελεσματική διεξαγωγή συλλογιστικής. Οι μέθοδοι αρθρωματοποίησης οντολογιών ενδέχεται να αποσκοπούν στην επαναχρησιμοποίηση της γνώσης, τη μείωση της πολυπλοκότητας, την αποτελεσματική συλλογιστική, αλλά και ως εργαλεία υποστήριξης, π.χ. για τη συντήρηση και την εξέλιξη της οντολογίας. Αυτή η διατριβή προτείνει ένα γενικευμένο πλαίσιο για την αρθρωματοποίηση SHIQ οντολογιών και την κατασκευή κατανεμημένων E-SHIQ βάσεων γνώσης, για την ορθή, πλήρη και αποτελεσματική κατανεμημένη συλλογιστική. Το προτεινόμενο πλαίσιο συνδυάζει στοιχεία από μεθόδους αρθρωματοποίησης που βασίζονται σε γράφους, με τους κανόνες locality, χρησιμοποιώντας ένα γενικευμένο πλαίσιο επίλυσης προβλημάτων περιορισμών. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η αρθρωματοποίηση ικανοποιεί τις συνθήκες που επιτρέπουν την καλή απόδοση του E-SHIQ μηχανισμού συλλογιστικής (και σε σύγκριση με άλλους γνωστούς μηχανισμούς συλλογιστικής και μεθόδους βελτιστοποίησης).