Temporalised Description Logics for Monitoring Partially Observable Events

Inevitably, it becomes more and more important to verify that the systems surrounding us have certain properties. This is indeed unavoidable for safety-critical systems such as power plants and intensive-care units. We refer to the term system in a broad sense: it may be man-made (e.g. a computer system) or natural (e.g. a patient in an intensive-care unit). Whereas in Model Checking it is assumed that one has complete knowledge about the functioning of the system, we consider an open-world scenario and assume that we can only observe the behaviour of the actual running system by sensors. Such an abstract sensor could sense e.g. the blood pressure of a patient or the air traffic observed by radar. Then the observed data are preprocessed appropriately and stored in a fact base. Based on the data available in the fact base, situation-awareness tools are supposed to help the user to detect certain situations that require intervention by an expert. Such situations could be that the heart-rate of a patient is rather high while the blood pressure is low, or that a collision of two aeroplanes is about to happen. Moreover, the information in the fact base can be used by monitors to verify that the system has certain properties. It is not realistic, however, to assume that the sensors always yield a complete description of the current state of the observed system. Thus, it makes sense to assume that information that is not present in the fact base is unknown rather than false. Moreover, very often one has some knowledge about the functioning of the system. This background knowledge can be used to draw conclusions about the possible future behaviour of the system. Employing description logics (DLs) is one way to deal with these requirements. In this thesis, we tackle the sketched problem in three different contexts: (i) runtime verification using a temporalised DL, (ii) temporalised query entailment, and (iii) verification in DL-based action formalisms

Semantically defined Analytics for Industrial Equipment Diagnostics

In this age of digitalization, industries everywhere accumulate massive amount of data such that it has become the lifeblood of the global economy. This data may come from various heterogeneous systems, equipment, components, sensors, systems and applications in many varieties (diversity of sources), velocities (high rate of changes) and volumes (sheer data size). Despite significant advances in the ability to collect, store, manage and filter data, the real value lies in the analytics. Raw data is meaningless, unless it is properly processed to actionable (business) insights. Those that know how to harness data effectively, have a decisive competitive advantage, through raising performance by making faster and smart decisions, improving short and long-term strategic planning, offering more user-centric products and services and fostering innovation. Two distinct paradigms in practice can be discerned within the field of analytics: semantic-driven (deductive) and data-driven (inductive). The first emphasizes logic as a way of representing the domain knowledge encoded in rules or ontologies and are often carefully curated and maintained. However, these models are often highly complex, and require intensive knowledge processing capabilities. Data-driven analytics employ machine learning (ML) to directly learn a model from the data with minimal human intervention. However, these models are tuned to trained data and context, making it difficult to adapt. Industries today that want to create value from data must master these paradigms in combination. However, there is great need in data analytics to seamlessly combine semantic-driven and data-driven processing techniques in an efficient and scalable architecture that allows extracting actionable insights from an extreme variety of data. In this thesis, we address these needs by providing: • A unified representation of domain-specific and analytical semantics, in form of ontology models called TechOnto Ontology Stack. It is highly expressive, platform-independent formalism to capture conceptual semantics of industrial systems such as technical system hierarchies, component partonomies etc and its analytical functional semantics. • A new ontology language Semantically defined Analytical Language (SAL) on top of the ontology model that extends existing DatalogMTL (a Horn fragment of Metric Temporal Logic) with analytical functions as first class citizens. • A method to generate semantic workflows using our SAL language. It helps in authoring, reusing and maintaining complex analytical tasks and workflows in an abstract fashion. • A multi-layer architecture that fuses knowledge- and data-driven analytics into a federated and distributed solution. To our knowledge, the work in this thesis is one of the first works to introduce and investigate the use of the semantically defined analytics in an ontology-based data access setting for industrial analytical applications. The reason behind focusing our work and evaluation on industrial data is due to (i) the adoption of semantic technology by the industries in general, and (ii) the common need in literature and in practice to allow domain expertise to drive the data analytics on semantically interoperable sources, while still harnessing the power of analytics to enable real-time data insights. Given the evaluation results of three use-case studies, our approach surpass state-of-the-art approaches for most application scenarios.Im Zeitalter der Digitalisierung sammeln die Industrien überall massive Daten-mengen, die zum Lebenselixier der Weltwirtschaft geworden sind. Diese Daten können aus verschiedenen heterogenen Systemen, Geräten, Komponenten, Sensoren, Systemen und Anwendungen in vielen Varianten (Vielfalt der Quellen), Geschwindigkeiten (hohe Änderungsrate) und Volumina (reine Datengröße) stammen. Trotz erheblicher Fortschritte in der Fähigkeit, Daten zu sammeln, zu speichern, zu verwalten und zu filtern, liegt der eigentliche Wert in der Analytik. Rohdaten sind bedeutungslos, es sei denn, sie werden ordnungsgemäß zu verwertbaren (Geschäfts-)Erkenntnissen verarbeitet. Wer weiß, wie man Daten effektiv nutzt, hat einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil, indem er die Leistung steigert, indem er schnellere und intelligentere Entscheidungen trifft, die kurz- und langfristige strategische Planung verbessert, mehr benutzerorientierte Produkte und Dienstleistungen anbietet und Innovationen fördert. In der Praxis lassen sich im Bereich der Analytik zwei unterschiedliche Paradigmen unterscheiden: semantisch (deduktiv) und Daten getrieben (induktiv). Die erste betont die Logik als eine Möglichkeit, das in Regeln oder Ontologien kodierte Domänen-wissen darzustellen, und wird oft sorgfältig kuratiert und gepflegt. Diese Modelle sind jedoch oft sehr komplex und erfordern eine intensive Wissensverarbeitung. Datengesteuerte Analysen verwenden maschinelles Lernen (ML), um mit minimalem menschlichen Eingriff direkt ein Modell aus den Daten zu lernen. Diese Modelle sind jedoch auf trainierte Daten und Kontext abgestimmt, was die Anpassung erschwert. Branchen, die heute Wert aus Daten schaffen wollen, müssen diese Paradigmen in Kombination meistern. Es besteht jedoch ein großer Bedarf in der Daten-analytik, semantisch und datengesteuerte Verarbeitungstechniken nahtlos in einer effizienten und skalierbaren Architektur zu kombinieren, die es ermöglicht, aus einer extremen Datenvielfalt verwertbare Erkenntnisse zu gewinnen. In dieser Arbeit, die wir auf diese Bedürfnisse durch die Bereitstellung: • Eine einheitliche Darstellung der Domänen-spezifischen und analytischen Semantik in Form von Ontologie Modellen, genannt TechOnto Ontology Stack. Es ist ein hoch-expressiver, plattformunabhängiger Formalismus, die konzeptionelle Semantik industrieller Systeme wie technischer Systemhierarchien, Komponenten-partonomien usw. und deren analytische funktionale Semantik zu erfassen. • Eine neue Ontologie-Sprache Semantically defined Analytical Language (SAL) auf Basis des Ontologie-Modells das bestehende DatalogMTL (ein Horn fragment der metrischen temporären Logik) um analytische Funktionen als erstklassige Bürger erweitert. • Eine Methode zur Erzeugung semantischer workflows mit unserer SAL-Sprache. Es hilft bei der Erstellung, Wiederverwendung und Wartung komplexer analytischer Aufgaben und workflows auf abstrakte Weise. • Eine mehrschichtige Architektur, die Wissens- und datengesteuerte Analysen zu einer föderierten und verteilten Lösung verschmilzt. Nach unserem Wissen, die Arbeit in dieser Arbeit ist eines der ersten Werke zur Einführung und Untersuchung der Verwendung der semantisch definierten Analytik in einer Ontologie-basierten Datenzugriff Einstellung für industrielle analytische Anwendungen. Der Grund für die Fokussierung unserer Arbeit und Evaluierung auf industrielle Daten ist auf (i) die Übernahme semantischer Technologien durch die Industrie im Allgemeinen und (ii) den gemeinsamen Bedarf in der Literatur und in der Praxis zurückzuführen, der es der Fachkompetenz ermöglicht, die Datenanalyse auf semantisch inter-operablen Quellen voranzutreiben, und nutzen gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Analytik, um Echtzeit-Daten-einblicke zu ermöglichen. Aufgrund der Evaluierungsergebnisse von drei Anwendungsfällen Übertritt unser Ansatz für die meisten Anwendungsszenarien Modernste Ansätze

Action, Time and Space in Description Logics

Description Logics (DLs) are a family of logic-based knowledge representation (KR) formalisms designed to represent and reason about static conceptual knowledge in a semantically well-understood way. On the other hand, standard action formalisms are KR formalisms based on classical logic designed to model and reason about dynamic systems. The largest part of the present work is dedicated to integrating DLs with action formalisms, with the main goal of obtaining decidable action formalisms with an expressiveness significantly beyond propositional. To this end, we offer DL-tailored solutions to the frame and ramification problem. One of the main technical results is that standard reasoning problems about actions (executability and projection), as well as the plan existence problem are decidable if one restricts the logic for describing action pre- and post-conditions and the state of the world to decidable Description Logics. A smaller part of the work is related to decidable extensions of Description Logics with concrete datatypes, most importantly with those allowing to refer to the notions of space and time