A Decentralized Infrastructure for Query Answering over Distributed Ontologies

In this paper we describe an infrastructure for query answering over distributed ontologies on the Semantic Web. This infrastructure addresses (i) the coordination of multiple nodes using metadata about the provided resources managed in a decentralized registry and (ii) the mediation between heterogeneous ontologies via an expressive mapping formalism along with corresponding reasoning algorithms for query answering. Our approach is based on a virtual integration that exhibits a semantics as if all ontologies were integrated locally. Practically, the distributed ontologies still reside on the remote peers, and only the parts relevant for answering the query need to be retrieved to the local node. Experimental evaluations with the implementation in KAONp2p show that the approach is very promising, as the performance of query answering is essentially dominated by the size of the data, and only slightly affected by the degree of distribution and heterogeneity. 1

Scaling Up Description Logic Reasoning by Distributed Resolution

Benefits from structured knowledge representation have motivated the creation of large description logic ontologies. For accessing implicit information and avoiding errors in ontologies, reasoning services are necessary. However, the available reasoning methods suffer from scalability problems as the size of ontologies keeps growing. This thesis investigates a distributed reasoning method that improves scalability by splitting a reasoning process into a set of largely independent subprocesses. In contrast to most description logic reasoners, the proposed approach is based on resolution calculi. We prove that the method is sound and complete for first order logic and different description logic subsets. Evaluation of the implementation shows a heavy decrease of runtime compared to reasoning on a single machine. Hence, the increased computation power pays off the overhead caused by distribution. Dependencies between subprocesses can be kept low enough to allow efficient distribution. Furthermore, we investigate and compare different algorithms for computing the distribution of axioms and provide an optimization of the distributed reasoning method that improves workload balance in a dynamic setting

Semantische Modellierung und Reasoning für Kontextinformationen in Infrastrukturnetzen

Infrastrukturen wie Verkehrs- und Energienetze bilden das Rückgrat unserer Gesellschaft und Wirtschaft. Präzises Wissen über den aktuellen technischen Zustand der Infrastrukturkomponenten gilt als Grundvoraussetzung zur Befriedigung des ständig wachsenden Kapazitätsbedarfs und zur Erhöhung der Kosteneffizienz, insbesondere bei der Instandhaltung. Zwar liefern Fernüberwachungssysteme verschiedener Organisationen bereits heute unterschiedlichste Statusinformationen. Es fehlt jedoch ein generischer Ansatz zur integrierten Auswertung dieser Daten, um komplexe Gesamtzustände der Infrastrukturkomponenten abzuleiten. Diese Arbeit versteht die Zustandsüberwachung für Infrastrukturnetze als ein kontextsensitives System im Sinne der Ambient Intelligence (Umgebungsintelligenz): Fernüberwachungssysteme liefern Kontextinformationen}, und anstelle der Situation einer Entität soll damit der Zustand eines Überwachungsobjekts ermittelt werden. Da sich hierfür bei kontextsensitiven Systemen wissensbasierte Ansätze bewährt haben, überträgt diese Arbeit einen solchen Ansatz auf die Zustandsüberwachung in Infrastrukturnetzen. Damit sollen generische Verfahren sowohl zur Integration als auch zur Auswertung (Reasoning) von Kontextinformationen in Infrastrukturnetzen konzipiert und umgesetzt werden. Eine Analyse von Schienen- und Stromnetzen identifiziert als Anforderungen unter anderem die Interoperabilität der Kontextinformationen zwischen Systemen und Betreibern sowie die Möglichkeit, auch komplexe Zustände ableiten zu können. Die Standards des Semantic Web auf Basis der Beschreibungslogik SHIN bieten hierfür eine attraktive Grundlage und gewährleisten sowohl die Umsetzbarkeit als auch die Zukunftstüchtigkeit. Für die automatisierte Auswertung (Reasoning) müssen die Besonderheiten von Infrastrukturnetzen berücksichtigt werden: Einerseits fallen Kontextinformationen von Überwachungssystemen räumlich verteilt und bei verschiedenen Organisationen an. Deshalb werden Verfahren entwickelt, die konjunktive Anfragen auch bei verteilten Wissensbasen korrekt und vollständig beantworten. Dies wird theoretisch gezeigt und praktisch evaluiert. Andererseits müssen topologiebezogene Anfragen beantwortet werden, wie die Suche nach optimalen Pfaden und k-nächsten Nachbarn. Dazu wird eine hierarchische Modellierung des Infrastrukturnetzes entwickelt. Ein generisches Konzept ermöglicht es, damit verschiedene Verfahren für topologiebezogene Anfragen umzusetzen. Zur praktischen Umsetzung dieser Konzepte in einem Zustandsüberwachungssystem wird eine geschichtete Systemarchitektur spezifiziert. Ein Fallbeispiel aus dem europäischen Schienenverkehr zeigt ihre Realisierung: Mehrere Organisationen stellen unter anderem Achslast-, Gleisgeometrie- und Schienenprofilmessungen als Kontextinformationen zur Verfügung. Unabhängig von deren Verteilung über ganz Europa werten die entwickelten Reasoningverfahren die Semantik der Systemontologie aus und demonstrieren so die zustandsorientierte Wartung des Schienennetzes