[論文レビュー] SHARE: A Web Service Based Framework for Distributed Querying and Reasoning on the Semantic Web

Benjamin P. Vandervalk, Erin McCarthy+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2013

Biomedical Text Mining and Ontologies参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

SHAREは、Webサービスベースのフレームワークを導入し、SPARQLクエリエンジンおよびOWL推論エンジンを拡張することで、セマンティックウェブデータに対する分散型クエリおよび推論を可能にする。Webサービスの呼び出しをRDF三項組の生成とみなすとともに、逆方向サービスを活用して効率的なデータフィルタリングを実現することで、中央集権的なデータ集約を伴わず、大規模で分散型のバイオインフォマティクスデータセットにわたるスケーラブルで分散型の推論およびクエリ処理を実現する。

ABSTRACT

Here we describe the SHARE system, a web service based framework for distributed querying and reasoning on the semantic web. The main innovations of SHARE are: (1) the extension of a SPARQL query engine to perform on-demand data retrieval from web services, and (2) the extension of an OWL reasoner to test property restrictions by means of web service invocations. In addition to enabling queries across distributed datasets, the system allows for a target dataset that is significantly larger than is possible under current, centralized approaches. Although the architecture is equally applicable to all types of data, the SHARE system targets bioinformatics, due to the large number of interoperable web services that are already available in this area. SHARE is built entirely on semantic web standards, and is the successor of the BioMOBY project.

研究の動機と目的

• セマンティックウェブ上における分散型RDFデータセットに対するスケーラブルで分散型のクエリおよび推論インfra構築の不足を解消すること。
• 完全なデータセットのダウンロードを必要とする中央集権型SPARQLエンジンおよび推論エンジンの限界を克服すること。
• データの中央集権化を伴わず、異種で分散型のバイオインフォマティクスWebサービスにわたるセマンティックウェブ推論およびクエリ処理を可能にすること。
• BioMOBYフレームワークを基盤とし、独自のXMLフォーマットの代わりにW3Cセマンティックウェブ標準（RDF、OWL、SPARQL）への完全準拠を実現すること。
• ユーザーがOWLクラスを用いて高水準でモジュラーチェック可能なクエリを記述可能とし、Webサービス呼び出しにより自動的に解決されることを可能にすること。

提案手法

• 事前に取得したデータに依存せず、必要に応じてWebサービス呼び出しを発行するSPARQLエンジンを拡張し、各サービス呼び出しをRDF三項組の生成とみなす。
• 各Webサービスが入力（主語）と出力（目的語）の間の意味的関係（述語）をRDF三項組として定義する、述語ベースのマッピングを採用する。
• サービスの入力を事前に逆方向にマッピングしてキャッシュすることで、完全なクエリ実行の前に不要なデータを効率的にフィルタリングできる「逆方向サービス」を導入する。
• OWL推論エンジンを拡張し、複雑なクラス定義のためのプロパティ値を動的にWebサービスを呼び出して取得することで、プロパティ制限のテストを可能にする。
• すべての入出力をOWLクラスによって記述されたRDFドキュメントとして表現することで、標準的なセマンティックウェブ技術に完全に統合する。
• OWLクラス（例：'ParkinsonTranscriptionFactor'）をSPARQLに直接参照可能とし、インスタンス取得をサービス呼び出しによって駆動することで、モジュラーや合成可能なクエリをサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全なデータ複製を伴わず、Webサービスホスティング型の分散型RDFデータセットに対して、どのように効率的なSPARQLクエリ処理を拡張できるか？
• RQ2 プロパティ値の解決に動的なWebサービス呼び出しを用いることで、分散型データソースにわたるOWL推論を実現できるか？
• RQ3 大規模で分散型のバイオインフォマティクスデータに対して、スケーラブルな推論およびクエリ処理を実現するためのアーキテクチャパターンは何か？
• RQ4 既存のバイオインフォマティクスWebサービスを、統一的で標準準拠のクエリおよび推論フレームワークにどのように意味的に統合できるか？
• RQ5 逆方向サービスの使用が、分散環境におけるクエリエンジンおよび推論エンジンの計算負荷をどの程度低減できるか？

主な発見

• SHAREは、Webサービス呼び出しによる動的データ取得を活用することで、分散データセットにわたるSPARQLクエリ実行を可能にし、全データセットのダウンロードを不要にする。
• 逆方向サービスの使用により、システムが不要なデータを事前にフィルタリングでき、クエリエンジンおよび推論エンジンが処理するデータ量を顕著に削減する。
• プロパティ値の解決にWebサービスを動的に呼び出すことで、OWL推論を分散データにわたって実行可能とし、データが中央に存在しない状況でもインスタンスの分類が可能になる。
• OWLクラス（例：'ParkinsonTranscriptionFactor'）を用いた複雑でモジュラーなクエリをサポートし、複数のプロパティ制限の積集合として定義されたクラスをサービスコールにより自動的に解決する。
• プロトタイプアプリケーション（CardioSHARE）を用いて、ドメイン特化型オントロジーを用いた臨床的ハートディiseaseデータを対象として、バイオインフォマティクス分野における大規模データ統合の実現可能性を示した。
• BioMOBYの独自XMLフォーマットをW3C標準への完全準拠（RDF、OWL、SPARQL）に置き換えることで、より広範な相互運用性と既存のセマンティックウェブツールおよびパイプラインとの統合を可能にした。