Scalable Data Integration for Linked Data

Linked Data describes an extensive set of structured but heterogeneous datasources where entities are connected by formal semantic descriptions. In thevision of the Semantic Web, these semantic links are extended towards theWorld Wide Web to provide as much machine-readable data as possible forsearch queries. The resulting connections allow an automatic evaluation to findnew insights into the data. Identifying these semantic connections betweentwo data sources with automatic approaches is called link discovery. We derivecommon requirements and a generic link discovery workflow based on similaritiesbetween entity properties and associated properties of ontology concepts. Mostof the existing link discovery approaches disregard the fact that in times ofBig Data, an increasing volume of data sources poses new demands on linkdiscovery. In particular, the problem of complex and time-consuming linkdetermination escalates with an increasing number of intersecting data sources.To overcome the restriction of pairwise linking of entities, holistic clusteringapproaches are needed to link equivalent entities of multiple data sources toconstruct integrated knowledge bases. In this context, the focus on efficiencyand scalability is essential. For example, reusing existing links or backgroundinformation can help to avoid redundant calculations. However, when dealingwith multiple data sources, additional data quality problems must also be dealtwith. This dissertation addresses these comprehensive challenges by designingholistic linking and clustering approaches that enable reuse of existing links.Unlike previous systems, we execute the complete data integration workflowvia a distributed processing system. At first, the LinkLion portal will beintroduced to provide existing links for new applications. These links act asa basis for a physical data integration process to create a unified representationfor equivalent entities from many data sources. We then propose a holisticclustering approach to form consolidated clusters for same real-world entitiesfrom many different sources. At the same time, we exploit the semantic typeof entities to improve the quality of the result. The process identifies errorsin existing links and can find numerous additional links. Additionally, theentity clustering has to react to the high dynamics of the data. In particular,this requires scalable approaches for continuously growing data sources withmany entities as well as additional new sources. Previous entity clusteringapproaches are mostly static, focusing on the one-time linking and clustering ofentities from few sources. Therefore, we propose and evaluate new approaches for incremental entity clustering that supports the continuous addition of newentities and data sources. To cope with the ever-increasing number of LinkedData sources, efficient and scalable methods based on distributed processingsystems are required. Thus we propose distributed holistic approaches to linkmany data sources based on a clustering of entities that represent the samereal-world object. The implementation is realized on Apache Flink. In contrastto previous approaches, we utilize efficiency-enhancing optimizations for bothdistributed static and dynamic clustering. An extensive comparative evaluationof the proposed approaches with various distributed clustering strategies showshigh effectiveness for datasets from multiple domains as well as scalability on amulti-machine Apache Flink cluster

Entities with quantities : extraction, search, and ranking

Quantities are more than numeric values. They denote measures of the world’s entities such as heights of buildings, running times of athletes, energy efficiency of car models or energy production of power plants, all expressed in numbers with associated units. Entity-centric search and question answering (QA) are well supported by modern search engines. However, they do not work well when the queries involve quantity filters, such as searching for athletes who ran 200m under 20 seconds or companies with quarterly revenue above $2 Billion. State-of-the-art systems fail to understand the quantities, including the condition (less than, above, etc.), the unit of interest (seconds, dollar, etc.), and the context of the quantity (200m race, quarterly revenue, etc.). QA systems based on structured knowledge bases (KBs) also fail as quantities are poorly covered by state-of-the-art KBs. In this dissertation, we developed new methods to advance the state-of-the-art on quantity knowledge extraction and search.Zahlen sind mehr als nur numerische Werte. Sie beschreiben Maße von Entitäten wie die Höhe von Gebäuden, die Laufzeit von Sportlern, die Energieeffizienz von Automodellen oder die Energieerzeugung von Kraftwerken - jeweils ausgedrückt durch Zahlen mit zugehörigen Einheiten. Entitätszentriete Anfragen und direktes Question-Answering werden von Suchmaschinen häufig gut unterstützt. Sie funktionieren jedoch nicht gut, wenn die Fragen Zahlenfilter beinhalten, wie z. B. die Suche nach Sportlern, die 200m unter 20 Sekunden gelaufen sind, oder nach Unternehmen mit einem Quartalsumsatz von über 2 Milliarden US-Dollar. Selbst moderne Systeme schaffen es nicht, Quantitäten, einschließlich der genannten Bedingungen (weniger als, über, etc.), der Maßeinheiten (Sekunden, Dollar, etc.) und des Kontexts (200-Meter-Rennen, Quartalsumsatz usw.), zu verstehen. Auch QA-Systeme, die auf strukturierten Wissensbanken (“Knowledge Bases”, KBs) aufgebaut sind, versagen, da quantitative Eigenschaften von modernen KBs kaum erfasst werden. In dieser Dissertation werden neue Methoden entwickelt, um den Stand der Technik zur Wissensextraktion und -suche von Quantitäten voranzutreiben. Unsere Hauptbeiträge sind die folgenden: • Zunächst präsentieren wir Qsearch [Ho et al., 2019, Ho et al., 2020] – ein System, das mit erweiterten Fragen mit Quantitätsfiltern umgehen kann, indem es Hinweise verwendet, die sowohl in der Frage als auch in den Textquellen vorhanden sind. Qsearch umfasst zwei Hauptbeiträge. Der erste Beitrag ist ein tiefes neuronales Netzwerkmodell, das für die Extraktion quantitätszentrierter Tupel aus Textquellen entwickelt wurde. Der zweite Beitrag ist ein neuartiges Query-Matching-Modell zum Finden und zur Reihung passender Tupel. • Zweitens, um beim Vorgang heterogene Tabellen einzubinden, stellen wir QuTE [Ho et al., 2021a, Ho et al., 2021b] vor – ein System zum Extrahieren von Quantitätsinformationen aus Webquellen, insbesondere Ad-hoc Webtabellen in HTML-Seiten. Der Beitrag von QuTE umfasst eine Methode zur Verknüpfung von Quantitäts- und Entitätsspalten, für die externe Textquellen genutzt werden. Zur Beantwortung von Fragen kontextualisieren wir die extrahierten Entitäts-Quantitäts-Paare mit informativen Hinweisen aus der Tabelle und stellen eine neue Methode zur Konsolidierung und verbesserteer Reihung von Antwortkandidaten durch Inter-Fakten-Konsistenz vor. • Drittens stellen wir QL [Ho et al., 2022] vor – eine Recall-orientierte Methode zur Anreicherung von Knowledge Bases (KBs) mit quantitativen Fakten. Moderne KBs wie Wikidata oder YAGO decken viele Entitäten und ihre relevanten Informationen ab, übersehen aber oft wichtige quantitative Eigenschaften. QL ist frage-gesteuert und basiert auf iterativem Lernen mit zwei Hauptbeiträgen, um die KB-Abdeckung zu verbessern. Der erste Beitrag ist eine Methode zur Expansion von Fragen, um einen größeren Pool an Faktenkandidaten zu erfassen. Der zweite Beitrag ist eine Technik zur Selbstkonsistenz durch Berücksichtigung der Werteverteilungen von Quantitäten

Explainable methods for knowledge graph refinement and exploration via symbolic reasoning

Knowledge Graphs (KGs) have applications in many domains such as Finance, Manufacturing, and Healthcare. While recent efforts have created large KGs, their content is far from complete and sometimes includes invalid statements. Therefore, it is crucial to refine the constructed KGs to enhance their coverage and accuracy via KG completion and KG validation. It is also vital to provide human-comprehensible explanations for such refinements, so that humans have trust in the KG quality. Enabling KG exploration, by search and browsing, is also essential for users to understand the KG value and limitations towards down-stream applications. However, the large size of KGs makes KG exploration very challenging. While the type taxonomy of KGs is a useful asset along these lines, it remains insufficient for deep exploration. In this dissertation we tackle the aforementioned challenges of KG refinement and KG exploration by combining logical reasoning over the KG with other techniques such as KG embedding models and text mining. Through such combination, we introduce methods that provide human-understandable output. Concretely, we introduce methods to tackle KG incompleteness by learning exception-aware rules over the existing KG. Learned rules are then used in inferring missing links in the KG accurately. Furthermore, we propose a framework for constructing human-comprehensible explanations for candidate facts from both KG and text. Extracted explanations are used to insure the validity of KG facts. Finally, to facilitate KG exploration, we introduce a method that combines KG embeddings with rule mining to compute informative entity clusters with explanations.Wissensgraphen haben viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, beispielsweise im Finanz- und Gesundheitswesen. Wissensgraphen sind jedoch unvollständig und enthalten auch ungültige Daten. Hohe Abdeckung und Korrektheit erfordern neue Methoden zur Wissensgraph-Erweiterung und Wissensgraph-Validierung. Beide Aufgaben zusammen werden als Wissensgraph-Verfeinerung bezeichnet. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Erklärbarkeit und Verständlichkeit von Wissensgraphinhalten für Nutzer. In Anwendungen ist darüber hinaus die nutzerseitige Exploration von Wissensgraphen von besonderer Bedeutung. Suchen und Navigieren im Graph hilft dem Anwender, die Wissensinhalte und ihre Limitationen besser zu verstehen. Aufgrund der riesigen Menge an vorhandenen Entitäten und Fakten ist die Wissensgraphen-Exploration eine Herausforderung. Taxonomische Typsystem helfen dabei, sind jedoch für tiefergehende Exploration nicht ausreichend. Diese Dissertation adressiert die Herausforderungen der Wissensgraph-Verfeinerung und der Wissensgraph-Exploration durch algorithmische Inferenz über dem Wissensgraph. Sie erweitert logisches Schlussfolgern und kombiniert es mit anderen Methoden, insbesondere mit neuronalen Wissensgraph-Einbettungen und mit Text-Mining. Diese neuen Methoden liefern Ausgaben mit Erklärungen für Nutzer. Die Dissertation umfasst folgende Beiträge: Insbesondere leistet die Dissertation folgende Beiträge: • Zur Wissensgraph-Erweiterung präsentieren wir ExRuL, eine Methode zur Revision von Horn-Regeln durch Hinzufügen von Ausnahmebedingungen zum Rumpf der Regeln. Die erweiterten Regeln können neue Fakten inferieren und somit Lücken im Wissensgraphen schließen. Experimente mit großen Wissensgraphen zeigen, dass diese Methode Fehler in abgeleiteten Fakten erheblich reduziert und nutzerfreundliche Erklärungen liefert. • Mit RuLES stellen wir eine Methode zum Lernen von Regeln vor, die auf probabilistischen Repräsentationen für fehlende Fakten basiert. Das Verfahren erweitert iterativ die aus einem Wissensgraphen induzierten Regeln, indem es neuronale Wissensgraph-Einbettungen mit Informationen aus Textkorpora kombiniert. Bei der Regelgenerierung werden neue Metriken für die Regelqualität verwendet. Experimente zeigen, dass RuLES die Qualität der gelernten Regeln und ihrer Vorhersagen erheblich verbessert. • Zur Unterstützung der Wissensgraph-Validierung wird ExFaKT vorgestellt, ein Framework zur Konstruktion von Erklärungen für Faktkandidaten. Die Methode transformiert Kandidaten mit Hilfe von Regeln in eine Menge von Aussagen, die leichter zu finden und zu validieren oder widerlegen sind. Die Ausgabe von ExFaKT ist eine Menge semantischer Evidenzen für Faktkandidaten, die aus Textkorpora und dem Wissensgraph extrahiert werden. Experimente zeigen, dass die Transformationen die Ausbeute und Qualität der entdeckten Erklärungen deutlich verbessert. Die generierten unterstützen Erklärungen unterstütze sowohl die manuelle Wissensgraph- Validierung durch Kuratoren als auch die automatische Validierung. • Zur Unterstützung der Wissensgraph-Exploration wird ExCut vorgestellt, eine Methode zur Erzeugung von informativen Entitäts-Clustern mit Erklärungen unter Verwendung von Wissensgraph-Einbettungen und automatisch induzierten Regeln. Eine Cluster-Erklärung besteht aus einer Kombination von Relationen zwischen den Entitäten, die den Cluster identifizieren. ExCut verbessert gleichzeitig die Cluster- Qualität und die Cluster-Erklärbarkeit durch iteratives Verschränken des Lernens von Einbettungen und Regeln. Experimente zeigen, dass ExCut Cluster von hoher Qualität berechnet und dass die Cluster-Erklärungen für Nutzer informativ sind

Harvesting online ontologies for ontology evolution

Ontologies need to evolve to keep their domain representation adequate. However, the process of identifying new domain changes, and applying them to the ontology is tedious and time-consuming. Our hypothesis is that online ontologies can provide background knowledge to decrease user efforts during ontology evolution, by integrating new domain concepts through automated relation discovery and relevance assessment techniques, while resulting in ontologies of similar qualities to when the ontology engineers' knowledge is solely used. We propose, implement and evaluate solutions that exploit the conceptual connections and structure of online ontologies to first, automatically suggest new additions to the ontology in the form of concepts derived from domain data, and their corresponding connections to existing elements in the ontology; and second, to automatically evaluate the proposed changes in terms of relevance with respect to the ontology under evolution, by relying on a novel pattern-based technique for relevance assessment. We also present in this thesis various experiments to test the feasibility of each proposed approach separately, in addition to an overall evaluation that validates our hypothesis that user time during evolution is indeed decreased through the use of online ontologies, with comparable results to a fully manual ontology evolution

Exploiting general-purpose background knowledge for automated schema matching

The schema matching task is an integral part of the data integration process. It is usually the first step in integrating data. Schema matching is typically very complex and time-consuming. It is, therefore, to the largest part, carried out by humans. One reason for the low amount of automation is the fact that schemas are often defined with deep background knowledge that is not itself present within the schemas. Overcoming the problem of missing background knowledge is a core challenge in automating the data integration process. In this dissertation, the task of matching semantic models, so-called ontologies, with the help of external background knowledge is investigated in-depth in Part I. Throughout this thesis, the focus lies on large, general-purpose resources since domain-specific resources are rarely available for most domains. Besides new knowledge resources, this thesis also explores new strategies to exploit such resources. A technical base for the development and comparison of matching systems is presented in Part II. The framework introduced here allows for simple and modularized matcher development (with background knowledge sources) and for extensive evaluations of matching systems. One of the largest structured sources for general-purpose background knowledge are knowledge graphs which have grown significantly in size in recent years. However, exploiting such graphs is not trivial. In Part III, knowledge graph em- beddings are explored, analyzed, and compared. Multiple improvements to existing approaches are presented. In Part IV, numerous concrete matching systems which exploit general-purpose background knowledge are presented. Furthermore, exploitation strategies and resources are analyzed and compared. This dissertation closes with a perspective on real-world applications

Transforming semi-structured life science diagrams into meaningful domain ontologies with DiDOn

AbstractBio-ontology development is a resource-consuming task despite the many open source ontologies available for reuse. Various strategies and tools for bottom-up ontology development have been proposed from a computing angle, yet the most obvious one from a domain expert perspective is unexplored: the abundant diagrams in the sciences. To speed up and simplify bio-ontology development, we propose a detailed, micro-level, procedure, DiDOn, to formalise such semi-structured biological diagrams availing also of a foundational ontology for more precise and interoperable subject domain semantics. The approach is illustrated using Pathway Studio as case study

Automating Geospatial RDF Dataset Integration and Enrichment

Over the last years, the Linked Open Data (LOD) has evolved from a mere 12 to more than 10,000 knowledge bases. These knowledge bases come from diverse domains including (but not limited to) publications, life sciences, social networking, government, media, linguistics. Moreover, the LOD cloud also contains a large number of crossdomain knowledge bases such as DBpedia and Yago2. These knowledge bases are commonly managed in a decentralized fashion and contain partly verlapping information. This architectural choice has led to knowledge pertaining to the same domain being published by independent entities in the LOD cloud. For example, information on drugs can be found in Diseasome as well as DBpedia and Drugbank. Furthermore, certain knowledge bases such as DBLP have been published by several bodies, which in turn has lead to duplicated content in the LOD . In addition, large amounts of geo-spatial information have been made available with the growth of heterogeneous Web of Data. The concurrent publication of knowledge bases containing related information promises to become a phenomenon of increasing importance with the growth of the number of independent data providers. Enabling the joint use of the knowledge bases published by these providers for tasks such as federated queries, cross-ontology question answering and data integration is most commonly tackled by creating links between the resources described within these knowledge bases. Within this thesis, we spur the transition from isolated knowledge bases to enriched Linked Data sets where information can be easily integrated and processed. To achieve this goal, we provide concepts, approaches and use cases that facilitate the integration and enrichment of information with other data types that are already present on the Linked Data Web with a focus on geo-spatial data. The first challenge that motivates our work is the lack of measures that use the geographic data for linking geo-spatial knowledge bases. This is partly due to the geo-spatial resources being described by the means of vector geometry. In particular, discrepancies in granularity and error measurements across knowledge bases render the selection of appropriate distance measures for geo-spatial resources difficult. We address this challenge by evaluating existing literature for point set measures that can be used to measure the similarity of vector geometries. Then, we present and evaluate the ten measures that we derived from the literature on samples of three real knowledge bases. The second challenge we address in this thesis is the lack of automatic Link Discovery (LD) approaches capable of dealing with geospatial knowledge bases with missing and erroneous data. To this end, we present Colibri, an unsupervised approach that allows discovering links between knowledge bases while improving the quality of the instance data in these knowledge bases. A Colibri iteration begins by generating links between knowledge bases. Then, the approach makes use of these links to detect resources with probably erroneous or missing information. This erroneous or missing information detected by the approach is finally corrected or added. The third challenge we address is the lack of scalable LD approaches for tackling big geo-spatial knowledge bases. Thus, we present Deterministic Particle-Swarm Optimization (DPSO), a novel load balancing technique for LD on parallel hardware based on particle-swarm optimization. We combine this approach with the Orchid algorithm for geo-spatial linking and evaluate it on real and artificial data sets. The lack of approaches for automatic updating of links of an evolving knowledge base is our fourth challenge. This challenge is addressed in this thesis by the Wombat algorithm. Wombat is a novel approach for the discovery of links between knowledge bases that relies exclusively on positive examples. Wombat is based on generalisation via an upward refinement operator to traverse the space of Link Specifications (LS). We study the theoretical characteristics of Wombat and evaluate it on different benchmark data sets. The last challenge addressed herein is the lack of automatic approaches for geo-spatial knowledge base enrichment. Thus, we propose Deer, a supervised learning approach based on a refinement operator for enriching Resource Description Framework (RDF) data sets. We show how we can use exemplary descriptions of enriched resources to generate accurate enrichment pipelines. We evaluate our approach against manually defined enrichment pipelines and show that our approach can learn accurate pipelines even when provided with a small number of training examples. Each of the proposed approaches is implemented and evaluated against state-of-the-art approaches on real and/or artificial data sets. Moreover, all approaches are peer-reviewed and published in a conference or a journal paper. Throughout this thesis, we detail the ideas, implementation and the evaluation of each of the approaches. Moreover, we discuss each approach and present lessons learned. Finally, we conclude this thesis by presenting a set of possible future extensions and use cases for each of the proposed approaches

Κατανεμημένη αποτίμηση επερωτήσεων και συλλογιστική για το μοντέλο RDF σε δίκτυα ομοτίμων κόμβων

Με το ενδιαφέρον για τις εφαρμογές του Σημασιολογικού Ιστού να αυξάνεται ραγδαία, το μοντέλο RDF και RDFS έχει γίνει ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα δεδομένων για την αναπαράσταση και την ενσωμάτωση δομημένης πληροφορίας στον Ιστό. Το πλήθος των διαθέσιμων πηγών πληροφορίας RDF συνεχώς αυξάνεται με αποτέλεσμα να υπάρχει μια επιτακτική ανάγκη για τη διαχείριση RDF δεδομένων. Σε αυτή τη διατριβή επικεντρωνόμαστε στην κατανεμημένη διαχείριση RDF δεδομένων σε δίκτυα ομότιμων κόμβων. Σχεδιάζουμε και υλοποιούμε το σύστημα Atlas, ένα πλήρως κατανεμημένο σύστημα για την αποθήκευση RDF και RDFS δεδομένων, την αποτίμηση και βελτιστοποίηση επερωτήσεων στη γλώσσα SPARQL και τη συλλογιστική στο μοντέλο RDFS. Το σύστημα Atlas χρησιμοποιεί κατανεμημένους πίνακες κατακερματισμού, μια δημοφιλή περίπτωση δικτύων ομότιμων κόμβων. Αρχικά, αναλύουμε κατανεμημένους αλγόριθμους για συλλογιστική RDFS χρησιμοποιώντας κατανεμημένους πίνακες κατακερματισμού. Υλοποιηούμε διάφορες παραλλαγές των αλγορίθμων προς τα εμπρός αλυσίδα εκτέλεσης και προς τα πίσω αλυσίδα εκτέλεσης καθώς και έναν αλγόριθμο που χρησιμοποιεί την τεχνική μετασχηματισμού των κανόνων σε μαγικό σύνολο. Αποδεικνύουμε θεωρητικά την ορθότητα των αλγορίθμων αυτών και προσφέρουμε μια συγκριτική μελέτη τόσο αναλυτικά όσο και πειραματικά. Παράλληλα, προτείνουμε αλγορίθμους και τεχνικές για την αποτίμηση και τη βελτιστοποίηση επερωτήσεων στη γλώσσα SPARQL για RDF δεδομένα που είναι αποθηκευμένα σε κατανεμημένους πίνακες κατακερματισμού. Οι τεχνικές βελτιστοποίησης βασίζονται σε εκτιμήσεις επιλεκτικότητας και έχουν στόχο τη μείωση του χρόνου απόκρισης της επερώτησης καθώς και της κατανάλωσης εύρους ζώνης του δικτύου. Η εκτεταμένη πειραματική αξιολόγηση των μεθόδων βελτιστοποίησης γίνεται σε μια τοπική συστάδα υπολογιστών χρησιμοποιώντας ένα ευρέως διαδεδομένο σημείο αναφοράς μετρήσεων.With the interest in Semantic Web applications rising rapidly, the Resource Description Framework (RDF) and its accompanying vocabulary description language, RDF Schema (RDFS), have become one of the most widely used data models for representing and integrating structured information in the Web. With the vast amount of available RDF data sources on the Web increasing rapidly, there is an urgent need for RDF data management. In this thesis, we focus on distributed RDF data management in peer-to-peer (P2P) networks. More specifically, we present results that advance the state-of-the-art in the research area of distributed RDF query processing and reasoning in P2P networks. We fully design and implement a P2P system, called Atlas, for the distributed query processing and reasoning of RDF and RDFS data. Atlas is built on top of distributed hash tables (DHTs), a commonly-used case of P2P networks. Initially, we study RDFS reasoning algorithms on top of DHTs. We design and develop distributed forward and backward chaining algorithms, as well as an algorithm which works in a bottom-up fashion using the magic sets transformation technique. We study theoretically the correctness of our reasoning algorithms and prove that they are sound and complete. We also provide a comparative study of our algorithms both analytically and experimentally. In the experimental part of our study, we obtain measurements in the realistic large-scale distributed environment of PlanetLab as well as in the more controlled environment of a local cluster. Moreover, we propose algorithms for SPARQL query processing and optimization over RDF(S) databases stored on top of distributed hash tables. We fully implement and evaluate a DHT-based optimizer. The goal of the optimizer is to minimize the time for answering a query as well as the bandwidth consumed during the query evaluation. The optimization algorithms use selectivity estimates to determine the chosen query plan. Our algorithms and techniques have been extensively evaluated in a local cluster

Machine learning for managing structured and semi-structured data

As the digitalization of private, commercial, and public sectors advances rapidly, an increasing amount of data is becoming available. In order to gain insights or knowledge from these enormous amounts of raw data, a deep analysis is essential. The immense volume requires highly automated processes with minimal manual interaction. In recent years, machine learning methods have taken on a central role in this task. In addition to the individual data points, their interrelationships often play a decisive role, e.g. whether two patients are related to each other or whether they are treated by the same physician. Hence, relational learning is an important branch of research, which studies how to harness this explicitly available structural information between different data points. Recently, graph neural networks have gained importance. These can be considered an extension of convolutional neural networks from regular grids to general (irregular) graphs. Knowledge graphs play an essential role in representing facts about entities in a machine-readable way. While great efforts are made to store as many facts as possible in these graphs, they often remain incomplete, i.e., true facts are missing. Manual verification and expansion of the graphs is becoming increasingly difficult due to the large volume of data and must therefore be assisted or substituted by automated procedures which predict missing facts. The field of knowledge graph completion can be roughly divided into two categories: Link Prediction and Entity Alignment. In Link Prediction, machine learning models are trained to predict unknown facts between entities based on the known facts. Entity Alignment aims at identifying shared entities between graphs in order to link several such knowledge graphs based on some provided seed alignment pairs. In this thesis, we present important advances in the field of knowledge graph completion. For Entity Alignment, we show how to reduce the number of required seed alignments while maintaining performance by novel active learning techniques. We also discuss the power of textual features and show that graph-neural-network-based methods have difficulties with noisy alignment data. For Link Prediction, we demonstrate how to improve the prediction for unknown entities at training time by exploiting additional metadata on individual statements, often available in modern graphs. Supported with results from a large-scale experimental study, we present an analysis of the effect of individual components of machine learning models, e.g., the interaction function or loss criterion, on the task of link prediction. We also introduce a software library that simplifies the implementation and study of such components and makes them accessible to a wide research community, ranging from relational learning researchers to applied fields, such as life sciences. Finally, we propose a novel metric for evaluating ranking results, as used for both completion tasks. It allows for easier interpretation and comparison, especially in cases with different numbers of ranking candidates, as encountered in the de-facto standard evaluation protocols for both tasks.Mit der rasant fortschreitenden Digitalisierung des privaten, kommerziellen und öffentlichen Sektors werden immer größere Datenmengen verfügbar. Um aus diesen enormen Mengen an Rohdaten Erkenntnisse oder Wissen zu gewinnen, ist eine tiefgehende Analyse unerlässlich. Das immense Volumen erfordert hochautomatisierte Prozesse mit minimaler manueller Interaktion. In den letzten Jahren haben Methoden des maschinellen Lernens eine zentrale Rolle bei dieser Aufgabe eingenommen. Neben den einzelnen Datenpunkten spielen oft auch deren Zusammenhänge eine entscheidende Rolle, z.B. ob zwei Patienten miteinander verwandt sind oder ob sie vom selben Arzt behandelt werden. Daher ist das relationale Lernen ein wichtiger Forschungszweig, der untersucht, wie diese explizit verfügbaren strukturellen Informationen zwischen verschiedenen Datenpunkten nutzbar gemacht werden können. In letzter Zeit haben Graph Neural Networks an Bedeutung gewonnen. Diese können als eine Erweiterung von CNNs von regelmäßigen Gittern auf allgemeine (unregelmäßige) Graphen betrachtet werden. Wissensgraphen spielen eine wesentliche Rolle bei der Darstellung von Fakten über Entitäten in maschinenlesbaren Form. Obwohl große Anstrengungen unternommen werden, so viele Fakten wie möglich in diesen Graphen zu speichern, bleiben sie oft unvollständig, d. h. es fehlen Fakten. Die manuelle Überprüfung und Erweiterung der Graphen wird aufgrund der großen Datenmengen immer schwieriger und muss daher durch automatisierte Verfahren unterstützt oder ersetzt werden, die fehlende Fakten vorhersagen. Das Gebiet der Wissensgraphenvervollständigung lässt sich grob in zwei Kategorien einteilen: Link Prediction und Entity Alignment. Bei der Link Prediction werden maschinelle Lernmodelle trainiert, um unbekannte Fakten zwischen Entitäten auf der Grundlage der bekannten Fakten vorherzusagen. Entity Alignment zielt darauf ab, gemeinsame Entitäten zwischen Graphen zu identifizieren, um mehrere solcher Wissensgraphen auf der Grundlage einiger vorgegebener Paare zu verknüpfen. In dieser Arbeit stellen wir wichtige Fortschritte auf dem Gebiet der Vervollständigung von Wissensgraphen vor. Für das Entity Alignment zeigen wir, wie die Anzahl der benötigten Paare reduziert werden kann, während die Leistung durch neuartige aktive Lerntechniken erhalten bleibt. Wir erörtern auch die Leistungsfähigkeit von Textmerkmalen und zeigen, dass auf Graph-Neural-Networks basierende Methoden Schwierigkeiten mit verrauschten Paar-Daten haben. Für die Link Prediction demonstrieren wir, wie die Vorhersage für unbekannte Entitäten zur Trainingszeit verbessert werden kann, indem zusätzliche Metadaten zu einzelnen Aussagen genutzt werden, die oft in modernen Graphen verfügbar sind. Gestützt auf Ergebnisse einer groß angelegten experimentellen Studie präsentieren wir eine Analyse der Auswirkungen einzelner Komponenten von Modellen des maschinellen Lernens, z. B. der Interaktionsfunktion oder des Verlustkriteriums, auf die Aufgabe der Link Prediction. Außerdem stellen wir eine Softwarebibliothek vor, die die Implementierung und Untersuchung solcher Komponenten vereinfacht und sie einer breiten Forschungsgemeinschaft zugänglich macht, die von Forschern im Bereich des relationalen Lernens bis hin zu angewandten Bereichen wie den Biowissenschaften reicht. Schließlich schlagen wir eine neuartige Metrik für die Bewertung von Ranking-Ergebnissen vor, wie sie für beide Aufgaben verwendet wird. Sie ermöglicht eine einfachere Interpretation und einen leichteren Vergleich, insbesondere in Fällen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kandidaten, wie sie in den de-facto Standardbewertungsprotokollen für beide Aufgaben vorkommen