A methodology for designing layered ontology structures

Abstract

Semantic ontologies represent the knowledge from different domains, which is used as a knowledge base by intelligent agents. The creation of ontologies by different developers leads to heterogeneous ontologies, which hampers the interoperability between knowledge-based applications. This interoperability is achieved through global ontologies, which provide a common domain representation. Global ontologies must provide a balance of reusability-usability to minimise the ontology effort in different applications. To achieve this balance, ontology design methodologies focus on designing layered ontologies that classify into abstraction layers the domain knowledge relevant to many applications and the knowledge relevant to specific applications. During the design of the layered ontology structure, the domain knowledge classification is performed from scratch by domain experts and ontology engineers in collaboration with application stakeholders. Hence, the design of reusable and usable ontologies in complex domains takes a significant effort. Software Product Line (SPL) design techniques can be applied to facilitate the domain knowledge classification by analysing the knowledge similarities/differences of existing ontologies. In this context, this thesis aims to define new methodological guidelines to design layered ontology structures that enable to classify the domain knowledge taking as reference existing ontologies, and to apply these guidelines to enable the development of reusable and usable ontologies in complex domains. The MODDALS methodology guides the design of layered ontology structures for reusable and usable ontologies. It brings together SPL engineering techniques and ontology design techniques to enable the classification of the domain knowledge by exploiting the knowledge similarities/differences of existing ontologies. MODDALS eases the design of the layered ontology structure. The MODDALS methodology was evaluated by applying it to design the layered structure of a reusable and usable global ontology for the energy domain. The designed layered structure was taken as reference to develop the ontology. The resulting ontology simplifies the ontology reuse process in different applications. In particular, it reduced the average ontology reuse time by 0.5 and 1.2 person-hours in in two different applications in comparison with a global energy ontology which does not follow a layered structure.

Ontologia semantikoak datu domeinu ezberdinen ezagutza irudikatzen dute, agente adimendunek jakintza oinarri bezala erabiltzen dutena. Ontologiak ingeniari desberdinek garatzen dituzte eta heterogeneoak dira, aplikazioen arteko komunikazioa oztopatuz. Komunikazio hau ontologia globalen bidez lortzen da, domeinuaren errepresentazio komun bat ematen baitute. Ontologia globalek berrerabilgarritasunerabilgarritasun oreka eman behar dute aplikazio desberdinetan berrerabiltzeko ahalegina murrizteko. Horretarako, ontologia diseinu metodologiek aplikazio askok erabiltzen duten eta aplikazio zehatzetarako garrantzitsua den ezagutza abstrakzio geruzetan sailkatzea proposatzen dute. Geruza egituraren diseinuan zehar, domeinuko adituek eta ontologiako ingeniariek hutsetik sailkatzen dute jakintza, domeinu konplexuetan ontologia berrerabilgarriak eta erabilgarrien diseinu ahalegina areagotuz. Software produktu lerroak diseinatzeko erabiltzen diren teknikak jakintza sailkatzea erraztu ahal dute, ontologien ezagutza antzekotasunak edo desberdintasunak aztertuz. Testuinguru honetan, honakoa da tesiaren helburua: ezagutza garatutako ontologien arabera sailkatzen duen ontologia berrerabilgarri eta erabilgarrien geruza egitura diseinatzeko metodologia bat garatzea; baita metodologia aplikatu ere, ontologia berrerabilgarri eta erabilgarriak domeinu konplexuetan garatu ahal izateko. MODDALS metodologiak ontologia berrerabilgarri eta erabilgarrien abstrakzio geruzak nola diseinatu azaltzen du. MODDALS-ek software produktu lerro eta ontologia diseinu teknikak aplikatzen ditu ezagutza garatuta dauden ontologien antzekotasunen/desberdintasunen arabera sailkatzeko. Planteamendu honek geruza egitura diseinua errazten du. MODDALS ebaluatu da energia domeinurako ontologia berrerabilgarri eta erabilgarri baten egitura diseinatzeko aplikatuz. Diseinatutako geruza egitura erreferentzia gisa hartu da ontologia gartzeko. Egitura onekin, garatutako ontologia berrerabiltzea errazten du aplikazio desberdinetan. Konkretuki, garatutako ontologiak berrerabilpen denbora 0.5 eta 1.2 pertsona-orduetan murriztu du bi aplikazioetan; geruza egitura jarraitzen ez duen ontologia batekin alderatuz.

Las ontologías semánticas representan el conocimiento de diferentes dominios, utilizado como base de conocimiento por agentes inteligentes. Las ontologías son desarrolladas por diferentes ingenieros y son heterogéneas, afectando a la interoperabilidad entre aplicaciones. Esta interoperabilidad se logra mediante ontologías globales que proporcionan una representación común del dominio, las cuales deben proporcionar un balance de reusabilidad-usabilidad para minimizar el esfuerzo de reutilización en diferentes aplicaciones. Para lograr este balance, las metodologías de diseño de ontologías proponen clasificar en capas de abstracción el conocimiento del dominio común a muchas aplicaciones y el que es relevante para aplicaciones específicas. Durante el diseño de la estructura de capas, el conocimiento se clasifica partiendo de cero por expertos del dominio e ingenieros de ontologías. Por lo tanto, el diseño de ontologías reusables y usables en dominios complejos requiere un gran esfuerzo. Las técnicas de diseño de líneas de producto de software pueden facilitar la clasificación del conocimiento analizando las similitudes/diferencias de conocimiento de ontologías existentes. En este contexto, el objetivo de la tesis es crear una metodología de diseño de la estructura de capas para ontologías que permita clasificar el conocimiento tomando como referencia ontologías existentes, y aplicar esta metodología para poder desarrollar ontologías reusables y usables en dominios complejos. La metodología MODDALS explica cómo diseñar estructuras de capas para ontologías reusables y usables. MODDALS adopta técnicas de diseño de líneas de producto en combinación con técnicas de diseño de ontologías para clasificar el conocimiento basándose en las similitudes/diferencias de ontologías existentes. Este enfoque facilita el diseño de la estructura de capas de la ontología. La metodología MODDALS se ha evaluado aplicándola para diseñar la estructura de capas de una ontología global reusable y usable para el dominio de la energía. La estructura de capas diseñada se ha tomado como referencia para desarrollar la ontología. Con esta estructura, la ontología resultante simplifica la reutilización de ontologías en diferentes aplicaciones. En concreto, la ontología redujo el tiempo de reutilización en 0.5 y 1.2 personas-hora en dos aplicaciones respecto a una ontología global que no sigue una estructura por capas.