[논문 리뷰] Computing FO-Rewritings in EL in Practice: from Atomic to Conjunctive Queries

Peter Hansen, Carsten Lutz|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 18.

Semantic Web and Ontologies참고 문헌 9인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 쿼리가 조건부 쿼리(CQ)일 때, $ε\mathcal{L}$ 기술 논리에서 온톨로지 매개 쿼리(OMQ)의 일阶 논리(FO) 재기록을 실용적이고 타당하며 완전하게 계산하는 방법을 제시한다. 원자 쿼리(AQ)에 대한 분해된 뒤로 추론 알고리즘을 이용해 CQ 기반 재기록으로의 환원을 통해 확장함으로써, 트리-양자화된 CQ와 루트 CQ에 대해 다항시간 계산이 가능해지며, 실세계 온톨로지인 ENVO와 not-galen에서 효율적인 성능을 보여줌.

ABSTRACT

A prominent approach to implementing ontology-mediated queries (OMQs) is to rewrite into a first-order query, which is then executed using a conventional SQL database system. We consider the case where the ontology is formulated in the description logic EL and the actual query is a conjunctive query and show that rewritings of such OMQs can be efficiently computed in practice, in a sound and complete way. Our approach combines a reduction with a decomposed backwards chaining algorithm for OMQs that are based on the simpler atomic queries, also illuminating the relationship between first-order rewritings of OMQs based on conjunctive and on atomic queries. Experiments with real-world ontologies show promising results.

연구 동기 및 목표

• 쿼리가 조건부 쿼리(CQ)일 때, $ε\mathcal{L}$ 기술 논리에서 온톨로지 매개 쿼리(OMQ)에 대한 일阶 재기록을 효율적이고 타당하며 완전하게 계산할 수 있도록 하는 것.
• 기본적인 CQ에서 원자 쿼리로의 환원 방식이 정확성과 효율성 측면에서 실패하는 문제를 다루는 것 — 특히, 구성 원자들의 FO-재기록 가능성은 CQ의 FO-재기록 가능성에 필수적이지도, 충분한 조건이지도 않기 때문이다.
• 기존의 원자 쿼리 전용 분해된 뒤로 추론 알고리즘을 확장하여 CQ를 처리할 수 있도록, 재기록 가능성과 실용적 성능을 유지하는 환원 기반 접근법을 도입하는 것.
• 실세계 온톨로지에서 제안된 방법을 경험적으로 평가하여, 원자 쿼리보다 복잡도가 높은 CQ에 비해 확장성과 효율성을 입증하는 것.

제안 방법

• 쿼리 그래프의 구조를 활용하여, CQ의 각 원자를 별개의 쿼리로 간주하는 새로운 OMQ를 구성함으로써, 조건부 쿼리(CQ)를 원자 쿼리(AQ)의 집합으로 환원한다.
• 트리-양자화된 CQ(tqCQs)의 경우, 환원이 다항식이며, 변환된 OMQ의 FO-재기록 가능성은 원래 CQ의 FO-재기록 가능성과 동치임을 보장한다.
• 이 방법은 이전 연구에서 제안된 분해된 뒤로 추론 알고리즘에 기반하며, 구조 공유를 지원하고 불필요한 원자 도입을 방지하는 방식으로 재기록을 생성한다.
• 환원된 OMQ의 FO-재기록이 트리 모양의 CQ로 이루어진 유니온 조건부 쿼리(UCQ)임을 가정하며, 이 조건은 분해된 알고리즘에 의해 자연스럽게 만족된다.
• 루트 CQ(rCQs)의 경우, 블랙박스 환원을 달성하지 못하지만, 알고리즘 내부 동작을 활용해 환원된 OMQ에서 유래한 재기록을 원래 CQ로 되돌려 전파한다.
• 이 구현은 이러한 환원을 Grind 시스템에 통합하여, 기존의 분해된 뒤로 추론 엔진을 활용해 효율적인 재기록 계산을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적 복잡도가 높은 문제임에도 불구하고, $ε\mathcal{L}$ 내 조건부 쿼리의 일阶 재기록을 실용적으로 효율적이고 완전하게 계산할 수 있는가?
• RQ2 정확성과 효율성을 잃지 않고, CQ의 FO-재기록 문제를 원자 쿼리의 FO-재기록 문제로 환원할 수 있는 방법이 존재하는가?
• RQ3 어떤 CQ의 구조적 제약(예: 트리-양자화 또는 루트 구조)이 원자 쿼리 재기록으로의 다항시간 환원을 가능하게 하며, 동시에 재기록 가능성의 유지에 기여하는가?
• RQ4 복잡한 스키마와 큰 데이터 인스턴스를 가진 실세계 온톨로지에서 제안된 방법의 성능은 어떻게 확장되는가?
• RQ5 기본 재기록 알고리즘의 성질(예: 구조 공유, 불필요한 원자 방지)이 환원된 OMQ에서의 재기록을 원래 CQ로 이행하는 데 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 쿼리가 루트이거나 트리-양자화된 경우, $ε\mathcal{L}$ 내 모든 비-불리언 조건부 쿼리에 대해 이 방법은 원자 쿼리 재기록으로의 다항시간 환원을 통해 일阶 재기록을 성공적으로 계산한다.
• ENVO, FBbi, SO, MOHSE, not-galen 등 다섯 개의 실세계 온톨로지에서의 실험 결과, CQ 재기록 평균 실행 시간은 10초 이하이며, 가장 오래 걸린 쿼리는 2분 23초가 소요되었다.
• 50개의 쿼리 중 3개만이 30분 이내로 종료되지 않거나 메모리 고갈 상태에 도달했으며, 이는 모두 FO-재기록 불가능한 원자 하위쿼리가 포함되어 있어 고비용 처리 단계를 유발한 경우였다.
• 구성 원자 쿼리의 FO-재기록 계산 평균 시간(Avg AQ)은 전체 CQ의 경우보다 훨씬 낮았으며, 이는 CQ 재기록 과정이 더 비용이 많이 들지만 여전히 실용적임을 시사한다.
• 시스템 최적화가 거의 이루어지지 않은 점를 감안할 때 성능은 유망하며, 최대 4,636개의 개념 포함 및 2,748개의 개념 이름을 가진 온톨로지에서도 잘 확장됨을 확인했다.
• 결과적으로, $ε\mathcal{L}$에서 FO-재기록 가능성은 복잡한 CQ에 대해서도 실용적으로 가능함을 확인하였으며, 특히 루트 또는 트리 형태의 쿼리일 경우 더욱 그렇다.