[論文レビュー] Ontology-based Representation and Reasoning on Process Models: A Logic Programming Approach

Fabrizio Smith, Maurizio Proietti|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Business Process Modeling and Analysis参考文献 66被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、論理プログラミングに基づくフレームワークを提示し、OWL 2 RL オントロジーと統合されたビジネスプロセスモデリングを実現する。BPMNプロセスの意味論とOWL 2 RL オントロジーを統合することで、手続き的知識とドメイン知識の統合的推論を可能にする。目的指向の評価手順により、整合的で完全かつ効率的な推論を達成し、動作可能なプラットフォームと実験的検証によって裏付けられている。

ABSTRACT

We propose a framework grounded in Logic Programming for representing and reasoning about business processes from both the procedural and ontological point of views. In particular, our goal is threefold: (1) define a logical language and a formal semantics for process models enriched with ontology-based annotations; (2) provide an effective inference mechanism that supports the combination of reasoning services dealing with the structural definition of a process model, its behavior, and the domain knowledge related to the participating business entities; (3) implement such a theoretical framework into a process modeling and reasoning platform. To this end we define a process ontology coping with a relevant fragment of the popular BPMN modeling notation. The behavioral semantics of a process is defined as a state transition system by following an approach similar to the Fluent Calculus, and allows us to specify state change in terms of preconditions and effects of the enactment of activities. Then we show how the procedural process knowledge can be seamlessly integrated with the domain knowledge specified by using the OWL 2 RL rule-based ontology language. Our framework provides a wide range of reasoning services, including CTL model checking, which can be performed by using standard Logic Programming inference engines through a goal-oriented, efficient, sound and complete evaluation procedure. We also present a software environment implementing the proposed framework, and we report on an experimental evaluation of the system, whose results are encouraging and show the viability of the approach.

研究の動機と目的

• 既存のBPMツールにおけるビジネスプロセスモデルとドメイン知識の間の形式的統合の欠如に対処する。
• 統一された形式的枠組みを用いて、プロセス構造、動作、意味的アノテーションの統合的推論を可能にする。
• 実世界のBPM応用に適した、実用的で効率的かつ整合的な論理プログラミングに基づく推論システムを開発する。
• 手続き的ワークフローモデリング（BPMN）と意味的知識表現（OWL 2 RL）の間のギャップを埋める。
• 単一で整合的なフレームワーク内で、CTLモデルチェックなどの高度な検証タスクを支援する。

提案手法

• 論理プログラミングに裏打ちされた、BPMN 2.0の関連断片を対象とするルールベースの手続き的意味論としてのBPALの改訂版を定義する。
• アクティビティの事前条件と効果を指定するため、フレーバント計算にインspiredされたアプローチを用いて、状態遷移系としてプロセス動作をモデル化する。
• 共通の形式的基盤を通じて、OWL 2 RL オントロジーを論理プログラミングフレームワークに統合し、共有推論を可能にする。
• 標準の論理プログラミング推論エンジンを用いて、クエリおよび検証タスクの目的指向的で、整合的かつ完全な評価を実行する。
• プロセスモデルの意味的アノテーションと推論サービスの実行を支援するソフトウェアプラットフォームを実装する。
• クエリ最適化技術とトップダウン評価を適用してパフォーマンスを向上させ、プログラム変換によるさらなる向上も可能性を有する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、手続き的意味論を保持したまま、ビジネスプロセスモデルをオントロジーからの意味的アノテーションで正式に拡張できるか？
• RQ2 統一された論理プログラミングフレームワークは、プロセス構造、動的動作、ドメイン知識の推論を効果的に統合できるか？
• RQ3 標準の論理プログラミングエンジンは、アノテートされたプロセスモデルの文脈において、CTLモデルチェックのような高度な検証タスクをどの程度サポートできるか？
• RQ4 実際の運用において、特に大規模または複雑なプロセスモデルに対して、提案された推論アプローチの効率性とスケーラビリティはどの程度か？
• RQ5 実際の組織的環境において、意味的アノテーションはプロセスの検索、検証、再利用にどのような実用的影響を及ぼすか？

主な発見

• フレームワークは、共通の論理プログラミング基盤を通じて、BPMNプロセスモデルとOWL 2 RL オントロジーを効果的に統合し、統合的推論を可能にした。
• 標準の推論エンジンを用いて、CTLモデルチェックを含む幅広い推論サービスをサポートし、整合的かつ完全な評価が実現された。
• 実験的評価により、このアプローチの実現可能性と実用性が裏付けられ、代表的なプロセスモデルにおいて期待されるパフォーマンスが得られた。
• プラットフォームは、オントロジー概念の選択による効率的なアノテーションを可能にし、大規模なプロセスリポジトリに対してもユーザー負担を軽減した。
• 最小限のオントロジー（例：同義語辞書や階層的用語集）であっても、低アノテーションオーバーヘッドで基本的な推論が可能であるため、アプローチは依然として有効である。
• フレームワークのトレース意味論とモジュラ設計のおかげで、実行時クエリ、ログベース分析、サービスコンポジションへの今後の拡張が可能である。