Advanced Knowledge Technologies at the Midterm: Tools and Methods for the Semantic Web

The University of Edinburgh and research sponsors are authorised to reproduce and distribute reprints and on-line copies for their purposes notwithstanding any copyright annotation hereon. The views and conclusions contained herein are the author’s and shouldn’t be interpreted as necessarily representing the official policies or endorsements, either expressed or implied, of other parties.In a celebrated essay on the new electronic media, Marshall McLuhan wrote in 1962:Our private senses are not closed systems but are endlessly translated into each other in that experience which we call consciousness. Our extended senses, tools, technologies, through the ages, have been closed systems incapable of interplay or collective awareness. Now, in the electric age, the very instantaneous nature of co-existence among our technological instruments has created a crisis quite new in human history. Our extended faculties and senses now constitute a single field of experience which demands that they become collectively conscious. Our technologies, like our private senses, now demand an interplay and ratio that makes rational co-existence possible. As long as our technologies were as slow as the wheel or the alphabet or money, the fact that they were separate, closed systems was socially and psychically supportable. This is not true now when sight and sound and movement are simultaneous and global in extent. (McLuhan 1962, p.5, emphasis in original)Over forty years later, the seamless interplay that McLuhan demanded between our technologies is still barely visible. McLuhan’s predictions of the spread, and increased importance, of electronic media have of course been borne out, and the worlds of business, science and knowledge storage and transfer have been revolutionised. Yet the integration of electronic systems as open systems remains in its infancy.Advanced Knowledge Technologies (AKT) aims to address this problem, to create a view of knowledge and its management across its lifecycle, to research and create the services and technologies that such unification will require. Half way through its sixyear span, the results are beginning to come through, and this paper will explore some of the services, technologies and methodologies that have been developed. We hope to give a sense in this paper of the potential for the next three years, to discuss the insights and lessons learnt in the first phase of the project, to articulate the challenges and issues that remain.The WWW provided the original context that made the AKT approach to knowledge management (KM) possible. AKT was initially proposed in 1999, it brought together an interdisciplinary consortium with the technological breadth and complementarity to create the conditions for a unified approach to knowledge across its lifecycle. The combination of this expertise, and the time and space afforded the consortium by the IRC structure, suggested the opportunity for a concerted effort to develop an approach to advanced knowledge technologies, based on the WWW as a basic infrastructure.The technological context of AKT altered for the better in the short period between the development of the proposal and the beginning of the project itself with the development of the semantic web (SW), which foresaw much more intelligent manipulation and querying of knowledge. The opportunities that the SW provided for e.g., more intelligent retrieval, put AKT in the centre of information technology innovation and knowledge management services; the AKT skill set would clearly be central for the exploitation of those opportunities.The SW, as an extension of the WWW, provides an interesting set of constraints to the knowledge management services AKT tries to provide. As a medium for the semantically-informed coordination of information, it has suggested a number of ways in which the objectives of AKT can be achieved, most obviously through the provision of knowledge management services delivered over the web as opposed to the creation and provision of technologies to manage knowledge.AKT is working on the assumption that many web services will be developed and provided for users. The KM problem in the near future will be one of deciding which services are needed and of coordinating them. Many of these services will be largely or entirely legacies of the WWW, and so the capabilities of the services will vary. As well as providing useful KM services in their own right, AKT will be aiming to exploit this opportunity, by reasoning over services, brokering between them, and providing essential meta-services for SW knowledge service management.Ontologies will be a crucial tool for the SW. The AKT consortium brings a lot of expertise on ontologies together, and ontologies were always going to be a key part of the strategy. All kinds of knowledge sharing and transfer activities will be mediated by ontologies, and ontology management will be an important enabling task. Different applications will need to cope with inconsistent ontologies, or with the problems that will follow the automatic creation of ontologies (e.g. merging of pre-existing ontologies to create a third). Ontology mapping, and the elimination of conflicts of reference, will be important tasks. All of these issues are discussed along with our proposed technologies.Similarly, specifications of tasks will be used for the deployment of knowledge services over the SW, but in general it cannot be expected that in the medium term there will be standards for task (or service) specifications. The brokering metaservices that are envisaged will have to deal with this heterogeneity.The emerging picture of the SW is one of great opportunity but it will not be a wellordered, certain or consistent environment. It will comprise many repositories of legacy data, outdated and inconsistent stores, and requirements for common understandings across divergent formalisms. There is clearly a role for standards to play to bring much of this context together; AKT is playing a significant role in these efforts. But standards take time to emerge, they take political power to enforce, and they have been known to stifle innovation (in the short term). AKT is keen to understand the balance between principled inference and statistical processing of web content. Logical inference on the Web is tough. Complex queries using traditional AI inference methods bring most distributed computer systems to their knees. Do we set up semantically well-behaved areas of the Web? Is any part of the Web in which semantic hygiene prevails interesting enough to reason in? These and many other questions need to be addressed if we are to provide effective knowledge technologies for our content on the web

Generating collaborative systems for digital libraries: A model-driven approach

This is an open access article shared under a Creative Commons Attribution 3.0 Licence (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/). Copyright @ 2010 The Authors.The design and development of a digital library involves different stakeholders, such as: information architects, librarians, and domain experts, who need to agree on a common language to describe, discuss, and negotiate the services the library has to offer. To this end, high-level, language-neutral models have to be devised. Metamodeling techniques favor the definition of domainspecific visual languages through which stakeholders can share their views and directly manipulate representations of the domain entities. This paper describes CRADLE (Cooperative-Relational Approach to Digital Library Environments), a metamodel-based framework and visual language for the definition of notions and services related to the development of digital libraries. A collection of tools allows the automatic generation of several services, defined with the CRADLE visual language, and of the graphical user interfaces providing access to them for the final user. The effectiveness of the approach is illustrated by presenting digital libraries generated with CRADLE, while the CRADLE environment has been evaluated by using the cognitive dimensions framework

Extending the 5S Framework of Digital Libraries to support Complex Objects, Superimposed Information, and Content-Based Image Retrieval Services

Advanced services in digital libraries (DLs) have been developed and widely used to address the required capabilities of an assortment of systems as DLs expand into diverse application domains. These systems may require support for images (e.g., Content-Based Image Retrieval), Complex (information) Objects, and use of content at fine grain (e.g., Superimposed Information). Due to the lack of consensus on precise theoretical definitions for those services, implementation efforts often involve ad hoc development, leading to duplication and interoperability problems. This article presents a methodology to address those problems by extending a precisely specified minimal digital library (in the 5S framework) with formal definitions of aforementioned services. The theoretical extensions of digital library functionality presented here are reinforced with practical case studies as well as scenarios for the individual and integrative use of services to balance theory and practice. This methodology has implications that other advanced services can be continuously integrated into our current extended framework whenever they are identified. The theoretical definitions and case study we present may impact future development efforts and a wide range of digital library researchers, designers, and developers

The 1990 progress report and future plans

This document describes the progress and plans of the Artificial Intelligence Research Branch (RIA) at ARC in 1990. Activities span a range from basic scientific research to engineering development and to fielded NASA applications, particularly those applications that are enabled by basic research carried out at RIA. Work is conducted in-house and through collaborative partners in academia and industry. Our major focus is on a limited number of research themes with a dual commitment to technical excellence and proven applicability to NASA short, medium, and long-term problems. RIA acts as the Agency's lead organization for research aspects of artificial intelligence, working closely with a second research laboratory at JPL and AI applications groups at all NASA centers

An integrated visual framework for the human-Web interface

© 2002 IEEE. The design of Web sites has been largely ad hoc, with little concern about the effectiveness of navigation and maintenance. This paper presents a general framework with a human-Web interface that supports Web design through visual programming and reverse Web engineering through visualization. The paper describes the framework in the context of a Web tool, known as HWIT which has been developed for a pilot study

An axiomatic theory for information retrieval

Systemen die aan de hand van een vraagstelling relevante informatie opleveren worden information retrieval (IR) systemen genoemd. Deze systemen spelen een steeds belang- rijker rol in de informatievoorziening, zeker gezien de toenemende mate waarin docu- menten met ongestructureerde informatie (zoals rapporten, memo's, verslagen, foto's en video's) voor nader gebruik worden opgeslagen en het toenemend gebruik van digitale bibliotheken voor dit doel. Helaas komt het maar al te vaak voor dat opgeslagen rele- vante informatie, indien nodig, niet meer terug te vinden is. Dit is een gevolg van het feit dat het heel lastig is om te bepalen of een document relevant is voor een gegeven vraagstelling. Het terugvinden van relevante informatie, met uitsluiting van irrelevante informatie, wordt bovendien bemoeilijkt door het feit dat informatie niet meer in een statisch informatiedomein staat opgeslagen maar, mede door de opkomst van het digitale wegennet (Internet), zich kan bevinden in diverse, over de wereld verspreide, dynamische informatiedomeinen. De essentie van het zoeken naar relevante informatie kan als volgt omschreven worden: `Op welke wijze kan men relevante informatie onderscheiden van niet-relevante informatie met betrekking tot een zekere informatiebehoefte.' Naarmate een informatiedomein meer informatie bevat en er meer informatiedomeinen moeten worden doorzocht, wordt de rol van een IR-systeem belangrijker. Handmatige controle van het resultaat -is alle relevante informatie nu wel gevonden?- is onmogelijk geworden. Het wordt zodoende steeds belangrijker om op een verantwoorde wijze een IR-systeem, of een combinatie van meerdere IR-systemen, te selecteren. Om te helpen bij het maken van een verantwoorde keuze wordt in dit proefschrift een theoretisch raamwerk voor IR-systemen gepresenteerd. In dit raamwerk wordt vooral gekeken naar de wijze waarop in een IR-systeem een relevantie-beslissing tot stand komt. Aan de hand van deze studie zijn we in staat kwalitatieve uitspraken te doen over de relevantie-beslissingen van verschillende IR-systemen en kunnen we op deze manier ko- men tot een vergelijking van hun doelmatigheid. Als uitgangspunt geldt dat ieder IR-systeem een bepaalde methode heeft om te beslis- sen of een document relevant is gegeven een vraagstelling. Deze methode is afgeleid aan de hand van een model. Een IR-model is gebaseerd op de volgende drie fundamenten: 191?192 Samenvatting (i) de documentrepresentatie voor de meeste IR-modellen is dit gewoon een verzameling representatieve tref- woorden (keywords) maar steeds vaker gebruikt men tegenwoordig meer complexe representaties die de inhoud van een document preciezer omschrijven. (ii) de vraagstelling deze wordt meestal zo samengesteld dat deze direct passend is op de documentre- presentatie van het model. In veel modellen kan een vraagstelling worden samen- gesteld met behulp van connectoren zoals `en', `of', en `niet'. (iii) de matchingfunctie deze functie bepaalt of een documentrepresentatie relevant geacht kan worden ge- geven de vraagstelling. Sommige modellen maken hierbij gebruik van opgeslagen kennis zoals die bijvoorbeeld aanwezig is in een thesaurus. Een matchingfunctie kan in plaats van relevant of niet relevant ook gradaties aangeven door middel van een rankingproces. Information retrieval onderzoekers voeren vele discussies of de aanpak in model X beter is dan de aanpak in model Y. In deze discussie kiest men vaak positie aan de hand van toetsen die plaats vinden op grote, speciaal geprepareerde testcollecties (bijvoorbeeld de TREC testcollectie die meer dan 3 gigabyte aan informatie bevat). In zogenaamde recall en precision-berekeningen worden de resultaten van de toetsen omgezet in statistische waarden, die aangeven hoe doortastend en accuraat een bepaald IR-systeem is. De recallwaarde geeft aan hoeveel relevante documenten door het systeem zijn opgeleverd ten opzichte van de in het informatiedomein aanwezige relevante documenten. Precision geeft aan hoeveel opgeleverde documenten daadwerkelijk relevant zijn. Een hoge recall geeft dus aan dat het IR-systeem min of meer alles gevonden heeft wat relevant is, een hoge precision geeft aan dat alles wat door het systeem gevonden is, ook relevant is. In dit proefschrift wordt, in plaats van een experimentele, een theoretische vergelij- kingsmethode voor IR-systemen gepresenteerd. Omdat elk IR-model gebaseerd is op een geschikt begrip van `relevantie', wordt eerst onderzocht hoe dit begrip kan worden ge- formaliseerd. In 1971 introduceerde Cooper een objectieve notie van relevantie genaamd `logisch relevant'. Deze notie plaatst het begrip relevantie in een logische context, en onttrekt het aan subjectieve interpretaties. Bij logische relevantie gaat het erom of men op een logische wijze een relevantie-beslissing kan a eiden. Om verwarring tussen de be- grippen `relevant' en `logisch relevant' te vermijden, gebruiken we determ omtrentheid (in het engels `aboutness') om aan te duiden dat informatie omtrent andere informatie is. In 1986 presenteerde Van Rijsbergen het idee om te onderzoeken of er een logica, dus een taal en een formeel bewijssysteem, bestaat die de omtrentheid-relatie kan de- ni?eren. In dit proefschrift wordt aangetoond dat dit mogelijk is. Dit is vervolgens het?193 uitgangspunt van onze vergelijkingsmethode: stel dat omtrentheid is te karakteriseren in termen van een logica, dan kan van ieder IR-model een bewijssysteem van omtrentheid gegeven worden. Zo kunnen we dus IR-modellen aan de hand van hun bewijssystemen gaan vergelijken. In dit proefschrift worden de omtrentheidsbeslissingen van een aantal bekende IR- modellen onderzocht en vervolgens vergeleken. Daarvoor wordt eerst in hoofdstuk 3 een theoretisch raamwerk samengesteld, waarin de fundamenten van de IR-systemen uitgedrukt kunnen worden. Binnen dit raamwerk wordt een taal geformuleerd waarin representaties van documenten en vraagstellingen beschreven kunnen worden. Deze taal is gebaseerd op de zogenaamde Situation Theory. De representaties van documenten en de vraagstellingen worden vertaald naar situaties. Rest de vraag wanneer een bepaalde situatie omtrent een andere situatie is. Om deze vraag te beantwoorden presenteren we een aantal axioma's en a eidingsre- gels (tezamen postulaten genoemd). Deze postulaten drukken bepaalde karakteristieke eigenschappen van `omtrentheid' uit. Zo is er bijvoorbeeld de regel Symmetry. Deze regel stelt dat er geen enkel verschil bestaat tussen concluderen dat situatie S omtrent situatie T is en concluderen dat situatie T omtrent situatie S is. Met behulp van een taal en een keuze uit de axioma's en de regels, kan een bewijssysteem voor omtrentheid gecre?eerd worden. In dit systeem kunnen we dan stapsgewijs, gegeven een aantal feitelijkheden (de axioma's) en bepaalde regels, a eiden of een situatie omtrent een andere situatie is. Deze manier van redeneren kunnen we op IR-modellen toepassen. In hoofdstuk 4 postuleren we zes bekende IR-modellen vanuit deze invalshoek. Na de presentatie van elk model worden de taal van situaties, de axioma's en de a eidingsregels gegeven die horen bij het model. Om aan te kunnen tonen dat het bewijssysteem ook inderdaad het IR-model representeert, worden gezondheid en volledigheid theorema's be- wezen. Is een bewijssysteem gezond ten opzichte van het model dan betekent dit dat alles wat in het bewijssysteem bewezen kan worden ook inderdaad een omtrentheidsbeslissing van het model is. Volledigheid stelt het omgekeerde: alle omtrentheidsbeslissingen van het model kunnen ook bewezen worden met het voorgestelde systeem. In hoofdstuk 5 gebruiken we de theorie om IR-systemen te vergelijken. We vergelijken IR-modellen op basis van hun bewijssystemen. Sommige systemen zijn `bevat' in andere systemen. Een systeem A is bevat in een systeem B als iedere omtrentheidsbeslissing van A ook een omtrentheidsbeslissing van B is en als bovendien de taal van A een deelverzameling van de taal van B is. In hoofdstuk 5 deni?eren we verschillende niveaus van bevat zijn, om vervolgens tot een overzicht tekomen op welke wijze de zes modellen aan elkaar gerelateerd zijn. Men kan zich nu richten op de vraag wat het voor een relevantie-beslissing van een IR-model A ten opzichte van de relevantie-beslissing van model B betekent dat het corresponderend bewijssysteem van A bevat is in het bewijssysteem van B. Het is dan?194 Samenvatting mogelijk om kwalitatieve uitspraken te doen over kwantitatieve grootheden zoals recall en precision. Zo wordt in hoofdstuk 5 bewezen dat als een omtrentheidsrelatie monotoon 1 is, een uitbreiding van de documentrepresentatie (zoals het toevoegen van woorden aan de beschrijving van het een document) nooit zal leiden tot een verlaging van de recall. Bovendien kunnen we uitspraken doen over de recall-waarde, en in enkele gevallen over de precision-waarde, van de gepresenteerde modellen ten opzichte van elkaar. In hoofdstuk 6 presenteren we drie door ons onderzochte mogelijke toepassingen van de theorie. Allereerst gebruiken we de theorie om te analyseren op welke wijze men IR- systemen met elkaar kan combineren. De aandachtspunten zijn dan welke systemen aan elkaar gekoppeld kunnen worden, en op welke wijze, en of dit inderdaad leidt tot een beter resultaat. Vervolgens geven we aan dat een ordening op bewijssystemen kan leiden tot een preferenti?ele ordening van documenten. Bovendien kan men, gegeven een gewenste ordening op bewijssystemen, het rankingproces van IR-systemen inspecteren. Tenslotte wordt in hoofdstuk 6 getoond op welke wijze men de meta-theorie kan toepassen als modelleringsmethode voor IR ge-ori?enteerde hypermedia toepassingen. Samenvattend, met behulp van de theorie die in dit proefschrift wordt opgebouwd, kan men analyseren op welke wijze IR-systemen besluiten dat een document relevant is gegeven een vraagstelling. Deze analyse kan men op velerlei manieren toepassen. Het is mogelijk om de beslisstappen te vergelijken, te verbeteren en te koppelen. De theorie is ook toepasbaar om andere aspecten, zoals ordening van documenten en hypermedia- toepassingen, te bestuderen. 1 Monotoon betekent hier: als voor iedere situatie S; T en U geldt dat: als S omtrent T is dan is S verenigd met U omtrent T