[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了 Gavel-OWL，一种将一阶逻辑（FOL）注解集成到 OWL本体中的工具，使用户能够在单一、语法正确的 OWL 框架内对 OWL 和 FOL 公理同时进行推理。通过利用基础本体（如 BFO）中已有的 FOL 注解，该方法检测出 OBI 和 ChEBI 等领域本体中的不一致之处，证明了 FOL 推理在不破坏标准 OWL 工作流的前提下，可显著提升验证能力和错误检测效果。

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.

研究动机与目标

• 弥合基于 OWL 的领域本体与基于 FOL 的基础本体（如 BFO）之间的语言鸿沟。
• 在单一、可互操作的本体格式中，实现对 OWL 和 FOL 公理的自动推理。
• 使领域本体开发者能够在不放弃现有 OWL 工作流的前提下，受益于基础本体的洞见。
• 通过 FOL 推理检测出如 ChEBI 这类大型真实本体中此前未被发现的错误。
• 证明在大规模本体上进行 FOL 推理在计算上是可行的，并且具有实际应用价值。

提出的方法

• 通过在 OWL 注解属性中存储 FOL 注解，扩展 OWL 本体，同时保持 OWL 的语法有效性。
• 利用 Gavel 框架对 OWL 和 FOL 公理进行联合推理，将 FOL 注解视为计算上活跃的成分。
• 利用 BFO 2.0 OWL 中已有的 FOL 注解，其以一阶逻辑的变体——公共逻辑交换格式（CLIF）表达。
• 应用自动化推理，检测如 OBI 和 ChEBI 等领域本体中的不一致性和子类关系验证。
• 采用轻量级的 Python 实现，与标准 OWL 工具链（如 Protégé）和标准 OWL 推理器无缝集成。
• 通过 FOL 注解同时支持基础本体的集成与领域特定的 mereotopological（本体拓扑）公理。

实验结果

研究问题

• RQ1 FOL 注解能否在不破坏现有工具链或 OWL 语义的前提下，有效集成到 OWL 本体中？
• RQ2 对扩展了 FOL 的 OWL 本体（FOWL）进行推理，能否检测出如 OBI 这类真实世界领域本体中的不一致？
• RQ3 FOL 推理在可扩展性上是否足够强大，足以在如 ChEBI 这类大型复杂本体中发挥作用？
• RQ4 FOL 注解能否提升依赖于基础本体（如 BFO）的领域本体的验证质量？
• RQ5 FOL 推理在多大程度上能够检测出仅靠 OWL 推理无法发现的子类关系错误？

主要发现

• Gavel-OWL 通过集成来自 BFO 2.0 OWL 的 FOL 公理，成功检测出 OBI 本体中的多个不一致之处，这些公理此前在计算上处于惰性状态。
• 该方法使得能够基于 mereotopological 公理（如将真部分关系视为严格序）进行有意义的推理，而这类公理在 OWL 2 DL 中无法表达。
• 在 ChEBI 的案例中，FOL 推理揭示了此前未被发现的错误，其中两个错误已由 ChEBI 开发者确认并修复。
• 尽管 ChEBI 规模庞大（超过 50 万个实体），绝大多数 FOL 证明尝试均成功完成，表明 FOL 推理在大规模本体中具有可行性。
• FOL 注解的集成并未破坏标准 OWL 工具链，因为 FOWL 本体仍与现有 OWL 推理器和编辑器完全兼容。
• 该方法证明，以往孤立于 FOL 中的基础本体洞见，如今可被用于实际 OWL 系统中的验证工作。