Multi-Level Modelling und OWL: Implementierung von Mapping und Werkzeug-Unterstützung

The area of multilevel modeling has become very popular in recent years. In this context, Neumayr and Schrefl introduced Multi-Level Objects (M-Objects) and Multi-Level Relationships (M-Relationships) and defined their mapping to OWL 2 (Description Logic SROIQ). Furthermore they show how such a multi-level model might look like.

My colleague Alois Diwold already implemented a modeling tool for M-Objects and M-Relationships based on Protégé Frames in his thesis. My thesis builds on his realization by creating an export plugin for Protégé that implements the mapping algorithm of Neumayr and Schrefl and transforms M-Objects and M-Relationships modeled in Protégé to OWL. This is also the first major task of this work.

The second key point of this work deals with the identification of a suitable reasoner for M-Objects and M-Relationships modeled in OWL. In this context I performed Reasoning – Performance Studies, where I focused on the OWL reasoner Pellet, Fact++ and HermiT. Unfortunately, I had to recognize soon, that none of them is yet in the position to interpret correctly the Integrity Constraints (IC), a recently announced extension to OWL, contained in the mapping algorithm.

Some of the ICs were interpreted correctly, but this is due to the fact that these axioms can also be interpreted under the Open World Assumption. In this context it remains to be seen whether ICs are supported by OWL reasoners in the future. Since the evaluated reasoners provided all the same results, I was only able to choose an appropriate reasoner because of the run-time behavior.

In dieser Arbeit wurde eine kurze Einführung in die zentralen Bestandteile von Descripton Logics gegeben und auf die unterschiedlichen Versionen der Webontologiesprache OWL eingegangen. Ein weiterer Punkt beschäftigte sich damit, wie Integrity Constraints in OWL abgebildet werden können. M-Objects und M-Relationships wurden in den Grundlagen intensiv behandelt und deren Mapping nach OWL veranschaulicht und erläutert. Auch Protégé wurde genauer betrachtet, vor allem die zentralen Bestandteile von Protégé OWL und Protégé Frames. Wie M-Objects und M-Relationships in Protégé Frames abgebildet werden können, wurde ebenfalls in den Grundlagen gezeigt.

Im Zentrum dieser Arbeit stand die Realisierung des Mapping Algorithmus aus [Neum09b]. Es wurde gezeigt, wie die einzelnen Zeilen dieses Algorithmus umgesetzt und in das zuvor erstellte Export-Plugin eingebettet wurden. Es wurde anhand von Screenshots gezeigt, wie sich die M-Objects, M-Levels, M-Relationships und OWL Objekt- und Dateneigenschaften nach durchgeführtem Mapping in Protégé OWL darstellten. Die im Mapping Algorithmus enthaltenen Integrity Constraints wurden dabei als Standardaxiome (General Class Axioms) umgesetzt und mittels Annotation Property als ICs gekennzeichnet.

In den anschließenden Reasoning – Performance Studies wurden die Reasoner Pellet, Fact++ und HermiT in Bezug auf die von ihnen abgeleiteten Ergebnisse und ihr Antwortzeitverhalten bei wachsender Anzahl von Individuen betrachtet. Da diese Reasoner zurzeit noch nicht in der Lage sind, zwischen standardmäßigen Axiomen und jenen Axiomen zu unterscheiden, welche als Integrity Constraints interpretiert werden sollen, schlug ein Teil dieser Tests fehl. Auch die von den Reasonern erzeugten Fehlermeldungen bei erkannten Constraint-Verletzungen waren zum Großteil unbrauchbar. In diesem Zusammenhang bleibt abzuwarten, ob um ICs erweitertes OWL von OWL-Reasonern künftig unterstützt wird. Hinsichtlich des Antwortzeitverhaltens konnte sich jedenfalls Fact++ deutlich gegenüber HermiT und Pellet durchsetzen.

Kurzfassung

In den letzten Jahren rückte der Bereich der Multi-Level Modellierung immer mehr in den Fokus des Interesses. In diesem Zusammenhang haben Neumayr und Schrefl Multi-Level Objects (M-Objects) und Multi-Level Relationships (M-Relationships) eingeführt und deren Mapping nach OWL 2 (Description Logic SROIQ) definiert. Weiters geben sie ein Beispiel, wie ein derartiges Multi-Level Modell aussehen kann.

Mein Kollege Alois Diwold hat in seiner Diplomarbeit ein Modellierungswerkzeug für M-Objects und M-Relationships auf Basis von Protégé Frames bereits umgesetzt. Meine Diplomarbeit knüpft an seine Realisierung nahtlos an, indem ich ein Export-Plugin für Protégé erstellt habe, das den Mapping Algorithmus von Neumayr und Schrefl implementiert und die in Protégé modellierten M-Objects und M-Relationships nach OWL transformiert. Das ist auch gleichzeitig die erste große Aufgabenstellung dieser Arbeit.

Der zweite zentrale Punkt dieser Arbeit befasst sich mit der Ermittlung eines geeigneten Reasoners für in OWL abgebildete M-Objects und M-Relationships. In diesem Zusammenhang wurden von mir Reasoning – Performance Studies durchgeführt, wobei ich mich dabei auf die OWL-Reasoner Pellet, Fact++ und HermiT konzentriert habe. Leider musste ich in diesem Zusammenhang bald feststellen, dass diese Reasoner allesamt im Moment noch nicht in der Lage sind, die im Mapping Algorithmus enthaltenen Integrity Constraints (IC), eine kürzlich vorgestellte Erweiterung zu OWL, richtig zu interpretieren.

Zum Teil werden IC Verletzungen zwar bereits richtig erkannt, was aber auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass diese Axiome auch unter Open World Assumption so interpretiert werden. In diesem Zusammenhang bleibt abzuwarten, ob um ICs erweitertes OWL von OWL-Reasonern künftig unterstützt wird. Da die Reasoner alle dieselben Ergebnisse lieferten, konnte ich nur aufgrund des Laufzeitverhaltens auf einen geeigneten Reasoner schließen.