[論文レビュー] When one Logic is Not Enough: Integrating First-order Annotations in OWL Ontologies

Simon Flügel, Martin Glauer+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2022

Semantic Web and Ontologies被引用数 5

ひとこと要約

この論文では、一階論理（FOL）の注釈をOWLオントロジーに統合することで、単一で構文的に妥当なOWLフレームワーク内でOWLおよびFOLの公理の両方について推論を可能にするGavel-OWLというツールを紹介する。基礎的オントロジー（BFOなど）から既存のFOL注釈を活用することで、OBI や ChEBI といったドメインオントロジーにおける不整合性を検出でき、FOL推論が標準のOWLツールチェーンに影響を与えることなく、検証およびエラー検出を強化することを示している。

ABSTRACT

In ontology development, there is a gap between domain ontologies which mostly use the web ontology language, OWL, and foundational ontologies written in first-order logic, FOL. To bridge this gap, we present Gavel, a tool that supports the development of heterogeneous 'FOWL' ontologies that extend OWL with FOL annotations, and is able to reason over the combined set of axioms. Since FOL annotations are stored in OWL annotations, FOWL ontologies remain compatible with the existing OWL infrastructure. We show that for the OWL domain ontology OBI, the stronger integration with its FOL top-level ontology BFO via our approach enables us to detect several inconsistencies. Furthermore, existing OWL ontologies can benefit from FOL annotations. We illustrate this with FOWL ontologies containing mereotopological axioms that enable new meaningful inferences. Finally, we show that even for large domain ontologies such as ChEBI, automatic reasoning with FOL annotations can be used to detect previously unnoticed errors in the classification.

研究の動機と目的

• OWLベースのドメインオントロジーとFOLベースの基礎的オントロジー（BFOなど）の間の言語的ギャップを埋めること。
• 単一で相互運用可能なオントロジー形式内で、OWLおよびFOLの公理の両方について自動推論を可能にすること。
• ドメインオントロジー開発者が、既存のOWLワークフローを放棄することなく、基礎的オントロジーの知見の恩恵を受けること。
• ChEBIのような大規模で現実世界のオントロジーにおいて、これまで気づかれていなかったエラーをFOL推論によって特定すること。
• 大規模なオントロジーにおけるFOL推論が計算的に実行可能で実用的であることを示すこと。

提案手法

• FOL注釈をOWL注釈プロパティに格納することで、OWLの構文的妥当性を保ちつつ、OWLオントロジーを拡張する。
• Gavelフレームワークを用いて、OWLおよびFOL公理の両方について共同推論を実行し、FOL注釈を計算的に活性な対象として扱う。
• FOL 2.0 OWL で表現された、Common Logic Interchange Format (CLIF) というFOLの変種である既存のFOL注釈を活用する。
• 自動推論を適用して、OBI や ChEBI といったドメインオントロジーにおける不整合性やサブクラス関係の妥当性を検出する。
• 標準のOWLツールチェーン（例：Protégé や標準のOWL推論エンジン）と統合可能な、軽量なPythonベースの実装を採用する。
• FOL注釈を介して、基礎的オントロジー統合とドメイン固有のメアトポロジカル公理の両方をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FOL注釈をOWLオントロジーに効果的に統合できるか。これにより、既存のツールチェーンやOWLの意味論が破壊されないか。
• RQ2 FOL拡張OWLオントロジー（FOWL）における推論は、OBI などの現実世界のドメインオントロジーにおける不整合性を検出できるか。
• RQ3 FOL推論は、ChEBI のような大規模で複雑なオントロジーにとって計算的にスケーラブルで実用的か。
• RQ4 FOL注釈は、BFO などの基礎的オントロジーに依存するドメインオントロジーの検証を向上させられるか。
• RQ5 FOL推論は、OWL推論のみでは検出できないサブクラス関係のエラーを、どの程度まで検出できるか。

主な発見

• Gavel-OWLは、BFO 2.0 OWL からのFOL公理を統合することで、OBI オントロジーに複数の不整合を検出できた。これらはかつて計算的に無効であった。
• このアプローチにより、OWL 2 DL では表現できない「厳密な順序としての適切な部分関係」のようなメアトポロジカル公理に基づく意味的な推論が可能になった。
• ChEBIの事例では、FOL推論によりこれまで検出されていなかったエラーが特定され、そのうち2つはChEBI開発者によって確認され修正された。
• ChEBIの規模（50万以上のエンティティ）にもかかわらず、FOL証明の大部分が正常に完了したため、FOL推論が大規模オントロジーにおいて実用可能であることが示された。
• FOL注釈の統合により、標準のOWLツールチェーンが破壊されず、FOWLオントロジーは完全に既存のOWL推論エンジンやエディタと互換性を保ったままだった。
• この方法により、かつてFOLに閉じていた基礎的オントロジーの知見が、実用的なOWLベースのシステムにおける検証に活用可能になった。