Διαχείριση βάσεων γνώσης αναιρέσιμης λογικής στο σημασιολογικό ιστό

Abstract

Defeasible reasoning, a kind of non-monotonic reasoning, constitutes a simple rule-based approach to reasoning with incomplete and conflicting information. When compared to other types of mainstream non-monotonic reasoning, its two main advantages are enhanced representational capabilities coupled with low computational complexity. Although defeasible reasoning does not constitute a novel idea, the rapid development of the evolving Semantic Web now turns it into a promising technology, as it turns out to be particularly useful for a range of applications, like ontology merging, agent negotiations, brokering scenarios as well as a variety of other applications involving rule exceptions and reasoning on incomplete information.Nevertheless, the development of defeasible logic rule-based applications for the Semantic Web can be a tedious task, since this type of logic (as well as other types of monotonic and non-monotonic logics) features a syntax and semantics that might seem obscure, especially for the end user. Additionally, the interplay between various technologies and languages involved in such applications impose a demand for using multiple, diverse tools (XML, RuleML, ontology languages, inference), which is a high burden even for developers.This dissertation studies the existing methodologies and applications for managing defeasible logic rule bases in the Semantic Web environment, as well as researches and develops new methods and technologies. The novel methodologies and techniques developed are applied to the deployment of an integrated reasoning system on Semantic Web data, which is called VDR-DEVICE. The basis of the implemented system is DR-DEVICE, a defeasible reasoner developed at the Programming Languages and Software Engineering Lab (PLaSE) of the Aristotle University of Thessaloniki. The VDR-DEVICE system consists of:•A software module for developing and managing defeasible logic rule bases over RDF Schema ontologies that represents the rule base as an XML tree. Every tree node has distinct semantics and is dealt with differently by the rule editor, preventing potential semantical and syntactical errors.•Two software tools that offer supplementary functionality regarding the development of RDF/S ontologies and the visualization of RDF documents, which are deployed by the DR-DEVICE engine.•A software module for visually developing and representing defeasible logic rule bases, which is based on the DRVgraph proposed framework for visualizing defeasible logic elements. The application utilizes a novel algorithm for visually stratifying DRVgraph elements, namely, automatically positioning graph elements, in order to achieve the best aesthetic and functional outcome. •A software tool for visualizing defeasible logic proofs and inference steps that integrates a hybrid approach for representing proofs. The latter combines advantages from the most popular proof representation approaches.•A DR-DEVICE extension that allows reasoning on modal defeasible logic rule bases.Additionally, the dissertation also presents the integration of DR-DEVICE as a reasoning service in two different Semantic Web multi-agent systems.Overall, the scope of the dissertation lies in contributing methodologies and tools specifically for the Logic, Proof and Application layers of the Semantic Web architecture, in order to strengthen its infrastructure, but, most importantly, to bring closer the realization of the Semantic Web vision.

Η αναιρέσιμη λογική αποτελεί μέλος της οικογένειας των μη-μονότονων λογικών και αντιπροσωπεύει μια προσέγγιση συλλογιστικής με ελλιπείς, μεταβαλλόμενες αλλά και αλληλοσυγκρουόμενες πληροφορίες. Συγκριτικά με τους άλλους τύπους μη-μονότονης λογικής, τα πλεονεκτήματα της αναιρέσιμης λογικής εστιάζονται στην υψηλότερη εκφραστικότητα και στη χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα. Παρόλο που η αναιρέσιμη λογική δεν αποτελεί πρόσφατη ιδέα, η ραγδαία εξέλιξη του αναπτυσσόμενου Σημασιολογικού Ιστού την καθιστά πλέον πολύ επίκαιρη, καθώς αποδεικνύεται ιδιαιτέρως χρήσιμη για ένα πλήθος σχετικών εφαρμογών, όπως είναι η συγχώνευση οντολογιών, η διαπραγμάτευση πρακτόρων, τα σενάρια μεσιτείας και, γενικότερα, ένα πλήθος εφαρμογών που αφορούν κανόνες με εξαιρέσεις και εξαγωγή συμπερασμάτων από ανεπαρκή πληροφορία.Από την άλλη πλευρά, η ανάπτυξη εφαρμογών που βασίζονται στην αναιρέσιμη λογική αποτελεί επίπονη διαδικασία, καθώς αυτός ο τύπος λογικής (όπως, βέβαια, και πολλά άλλα είδη λογικών, μονότονων και μη) διαθέτει σύνταξη και σημασιολογία που μπορεί να φανούν δυσνόητες, ιδιαίτερα για τους τελικούς χρήστες. Επιπροσθέτως, η έντονη εναλλαγή ανάμεσα στις διάφορες γλώσσες και τεχνολογίες που εμπλέκονται σε εφαρμογές τέτοιου είδους επιβάλλει τη χρήση ποικιλίας εργαλείων και τεχνολογιών (π.χ. XML, RuleML, γλώσσες οντολογιών, συλλογιστική), γεγονός που αποτελεί επιπλέον επιβαρυντικό παράγοντα.Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη μελέτη των υπαρχουσών μεθοδολογιών και εφαρμογών για τη διαχείριση βάσεων γνώσης αναιρέσιμης λογικής στο περιβάλλον του Σημασιολογικού Ιστού, καθώς και την έρευνα και ανάπτυξη νέων μεθόδων και τεχνολογιών. Οι νέες μεθοδολογίες και τεχνικές που αναπτύχθηκαν εφαρμόζονται στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος συμπερασμού σε δεδομένα Σημασιολογικού Ιστού. Βάση του συστήματος αυτού αποτέλεσε το DR-DEVICE, μια μηχανή αναιρέσιμης συλλογιστικής που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Γλωσσών Προγραμματισμού και Τεχνολογίας Λογισμικού (PLaSE) του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το πλήρες ενοποιημένο περιβάλλον που αναπτύχθηκε πήρε την ονομασία VDR-DEVICE και αποτελείται από:•Μια εφαρμογή ανάπτυξης και διαχείρισης βάσεων γνώσης αναιρέσιμης λογικής επάνω από οντολογίες RDF Schema, η οποία αναπαριστά τη βάση κανόνων με δενδρική μορφή βασισμένη στην XML. Το λογισμικό χειρίζεται την υπό ανάπτυξη βάση γνώσης σαν ένα δένδρο XML, στο οποίο κάθε κόμβος έχει ξεχωριστή σημασιολογία και αντιμετωπίζεται ανάλογα από τον συντάκτη κανόνων, αποτρέποντας ενδεχόμενα συντακτικά και σημασιολογικά σφάλματα.•Δύο εργαλεία λογισμικού που προσφέρουν βοηθητική λειτουργικότητα αναφορικά με τη δημιουργία οντολογιών RDF/S και την οπτικοποίηση εγγράφων RDF, τα οποία χρησιμοποιούνται από τη μηχανή DR-DEVICE.•Μια εφαρμογή λογισμικού για την ανάπτυξη και οπτικοποίηση βάσεων γνώσης αναιρέσιμης λογικής που βασίζεται στο προτεινόμενο πλαίσιο οπτικής αναπαράστασης στοιχείων αναιρέσιμης λογικής DRVgraph. Η εφαρμογή ενσωματώνει αλγόριθμο οπτικής στρωματοποίησης για την αυτοματοποιημένη τοποθέτηση των στοιχείων μιας βάσης γνώσης αναιρέσιμης λογικής σε έναν γράφο του πλαισίου DRVgraph.•Ένα εργαλείο για την οπτικοποίηση αποδείξεων και βημάτων συμπερασμού κατά την εκτέλεση συνόλων κανόνων αναιρέσιμης λογικής, το οποίο ενσωματώνει μία υβριδική προσέγγιση αναπαράστασης των αποδείξεων που συνδυάζει πλεονεκτήματα από τις κύριες υπάρχουσες προσεγγίσεις αναπαράστασης αποδείξεων.•Μία επέκταση του DR-DEVICE που επιτρέπει εξαγωγή συμπερασμάτων από βάσεις γνώσης τροπικής αναιρέσιμης λογικής.Επίσης, στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η ενσωμάτωση του DR-DEVICE σαν υπηρεσία αναιρέσιμης συλλογιστικής σε δύο διαφορετικά πολυ-πρακτορικά συστήματα του Σημασιολογικού Ιστού.Σκοπό της διατριβής αποτελεί η συνεισφορά μεθοδολογιών και εργαλείων στα επίπεδα της Λογικής, των Αποδείξεων και των Γραφικών Περιβαλλόντων και Εφαρμογών της αρχιτεκτονικής του Σημασιολογικού Ιστού, ώστε να ενισχυθούν οι υποδομές του τελευταίου και να προσεγγιστεί περισσότερο το όραμα της τελικής πραγματοποίησής του.