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

Semantic Systems. The Power of AI and Knowledge Graphs

This open access book constitutes the refereed proceedings of the 15th International Conference on Semantic Systems, SEMANTiCS 2019, held in Karlsruhe, Germany, in September 2019. The 20 full papers and 8 short papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 88 submissions. They cover topics such as: web semantics and linked (open) data; machine learning and deep learning techniques; semantic information management and knowledge integration; terminology, thesaurus and ontology management; data mining and knowledge discovery; semantics in blockchain and distributed ledger technologies

Proceedings of the 15th ISWC workshop on Ontology Matching (OM 2020)

15th International Workshop on Ontology Matching co-located with the 19th International Semantic Web Conference (ISWC 2020)International audienc

Human-Understandable Explanations of Neural Networks

Das 21. Jahrhundert ist durch Datenströme enormen Ausmaßes gekennzeichnet. Dies hat die Popularität von Berechnungsmodellen, die sehr datenintensiv sind, wie z.B. neuronale Netze, drastisch erhöht. Aufgrund ihres großen Erfolges bei der Mustererkennung sind sie zu einem leistungsstarken Werkzeug für Vorhersagen, Klassifizierung und Empfehlungen in der Informatik, Statistik, Wirtschaft und vielen anderen Disziplinen geworden. Trotz dieser verbreiteten Anwendung sind neuronale Netze Blackbox-Modelle, d.h. sie geben keine leicht interpretierbaren Einblicke in die Struktur der approximierten Funktion oder in die Art und Weise, wie die Eingabe in die entsprechende Ausgabe umgewandelt wird. Die jüngste Forschung versucht, diese Blackboxen zu öffnen und ihr Innenleben zu enthüllen. Bisher haben sich die meisten Forschungsarbeiten darauf konzentriert, die Entscheidungen eines neuronalen Netzes auf einer sehr technischen Ebene und für ein Informatikfachpublikum zu erklären. Da neuronale Netze immer häufiger eingesetzt werden, auch von Menschen ohne tiefere Informatikkenntnisse, ist es von entscheidender Bedeutung, Ansätze zu entwickeln, die es ermöglichen, neuronale Netze auch für Nicht-Experten verständlich zu erklären. Das Ziel ist, dass Menschen verstehen können, warum das neuronale Netz bestimmte Entscheidungen getroffen hat, und dass sie das Ergebnis des Modells durchgehend interpretieren können. Diese Arbeit beschreibt ein Rahmenwerk, das es ermöglicht, menschlich verständliche Erklärungen für neuronale Netze zu liefern. Wir charakterisieren menschlich nachvollziehbare Erklärungen durch sieben Eigenschaften, nämlich Transparenz, Überprüfbarkeit, Vertrauen, Effektivität, Überzeugungskraft, Effizienz und Zufriedenheit. In dieser Arbeit stellen wir Erklärungsansätze vor, die diese Eigenschaften erfüllen. Zunächst stellen wir TransPer vor, ein Erklärungsrahmenwerk für neuronale Netze, insbesondere für solche, die in Produktempfehlungssystemen verwendet werden. Wir definieren Erklärungsmaße auf der Grundlage der Relevanz der Eingaben, um die Vorhersagequalität des neuronalen Netzes zu analysieren und KI-Anwendern bei der Verbesserung ihrer neuronalen Netze zu helfen. Dadurch werden Transparenz und Vertrauen geschaffen. In einem Anwendungsfall für ein Empfehlungssystem werden auch die Überzeugungskraft, die den Benutzer zum Kauf eines Produkts veranlasst, und die Zufriedenheit, die das Benutzererlebnis angenehmer macht, berücksichtigt. Zweitens, um die Blackbox des neuronalen Netzes zu öffnen, definieren wir eine neue Metrik für die Erklärungsqualität ObAlEx in der Bildklassifikation. Mit Hilfe von Objekterkennungsansätzen, Erklärungsansätzen und ObAlEx quantifizieren wir den Fokus von faltenden neuronalen Netzwerken auf die tatsächliche Evidenz. Dies bietet den Nutzern eine effektive Erklärung und Vertrauen, dass das Modell seine Klassifizierungsentscheidung tatsächlich auf der Grundlage des richtigen Teils des Eingabebildes getroffen hat. Darüber hinaus ermöglicht es die Überprüfbarkeit, d. h. die Möglichkeit für den Benutzer, dem Erklärungssystem mitzuteilen, dass sich das Modell auf die falschen Teile des Eingabebildes konzentriert hat. Drittens schlagen wir FilTag vor, einen Ansatz zur Erklärung von faltenden neuronalen Netzwerken durch die Kennzeichnung der Filter mit Schlüsselwörtern, die Bildklassen identifizieren. In ihrer Gesamtheit erklären diese Kennzeichnungen die Zweckbestimmung des Filters. Einzelne Bildklassifizierungen können dann intuitiv anhand der Kennzeichnungen der Filter, die das Eingabebild aktiviert, erklärt werden. Diese Erklärungen erhöhen die Überprüfbarkeit und das Vertrauen. Schließlich stellen wir FAIRnets vor, das darauf abzielt, Metadaten von neuronalen Netzen wie Architekturinformationen und Verwendungszweck bereitzustellen. Indem erklärt wird, wie das neuronale Netz aufgebaut ist werden neuronale Netzer transparenter; dadurch dass ein Nutzer schnell entscheiden kann, ob das neuronale Netz für den gewünschten Anwendungsfall relevant ist werden neuronale Netze effizienter. Alle vier Ansätze befassen sich mit der Frage, wie man Erklärungen von neuronalen Netzen für Nicht-Experten bereitstellen kann. Zusammen stellen sie einen wichtigen Schritt in Richtung einer für den Menschen verständlichen KI dar

Génération automatique d'alignements complexes d'ontologies

Le web de données liées (LOD) est composé de nombreux entrepôts de données. Ces données sont décrites par différents vocabulaires (ou ontologies). Chaque ontologie a une terminologie et une modélisation propre ce qui les rend hétérogènes. Pour lier et rendre les données du web de données liées interopérables, les alignements d'ontologies établissent des correspondances entre les entités desdites ontologies. Il existe de nombreux systèmes d'alignement qui génèrent des correspondances simples, i.e., ils lient une entité à une autre entité. Toutefois, pour surmonter l'hétérogénéité des ontologies, des correspondances plus expressives sont parfois nécessaires. Trouver ce genre de correspondances est un travail fastidieux qu'il convient d'automatiser. Dans le cadre de cette thèse, une approche d'alignement complexe basée sur des besoins utilisateurs et des instances communes est proposée. Le domaine des alignements complexes est relativement récent et peu de travaux adressent la problématique de leur évaluation. Pour pallier ce manque, un système d'évaluation automatique basé sur de la comparaison d'instances est proposé. Ce système est complété par un jeu de données artificiel sur le domaine des conférences.The Linked Open Data (LOD) cloud is composed of data repositories. The data in the repositories are described by vocabularies also called ontologies. Each ontology has its own terminology and model. This leads to heterogeneity between them. To make the ontologies and the data they describe interoperable, ontology alignments establish correspondences, or links between their entities. There are many ontology matching systems which generate simple alignments, i.e., they link an entity to another. However, to overcome the ontology heterogeneity, more expressive correspondences are sometimes needed. Finding this kind of correspondence is a fastidious task that can be automated. In this thesis, an automatic complex matching approach based on a user's knowledge needs and common instances is proposed. The complex alignment field is still growing and little work address the evaluation of such alignments. To palliate this lack, we propose an automatic complex alignment evaluation system. This system is based on instances. A famous alignment evaluation dataset has been extended for this evaluation

The Case of Wikidata

Since its launch in 2012, Wikidata has grown to become the largest open knowledge base (KB), containing more than 100 million data items and over 6 million registered users. Wikidata serves as the structured data backbone of Wikipedia, addressing data inconsistencies, and adhering to the motto of “serving anyone anywhere in the world,” a vision realized through the diversity of knowledge. Despite being a collaboratively contributed platform, the Wikidata community heavily relies on bots, automated accounts with batch, and speedy editing rights, for a majority of edits. As Wikidata approaches its first decade, the question arises: How close is Wikidata to achieving its vision of becoming a global KB and how diverse is it in serving the global population? This dissertation investigates the current status of Wikidata’s diversity, the role of bot interventions on diversity, and how bots can be leveraged to improve diversity within the context of Wikidata. The methodologies used in this study are mapping study and content analysis, which led to the development of three datasets: 1) Wikidata Research Articles Dataset, covering the literature on Wikidata from its first decade of existence sourced from online databases to inspect its current status; 2) Wikidata Requests-for-Permissions Dataset, based on the pages requesting bot rights on the Wikidata website to explore bots from a community perspective; and 3) Wikidata Revision History Dataset, compiled from the edit history of Wikidata to investigate bot editing behavior and its impact on diversity, all of which are freely available online. The insights gained from the mapping study reveal the growing popularity of Wikidata in the research community and its various application areas, indicative of its progress toward the ultimate goal of reaching the global community. However, there is currently no research addressing the topic of diversity in Wikidata, which could shed light on its capacity to serve a diverse global population. To address this gap, this dissertation proposes a diversity measurement concept that defines diversity in a KB context in terms of variety, balance, and disparity and is capable of assessing diversity in a KB from two main angles: user and data. The application of this concept on the domains and classes of the Wikidata Revision History Dataset exposes imbalanced content distribution across Wikidata domains, which indicates low data diversity in Wikidata domains. Further analysis discloses that bots have been active since the inception of Wikidata, and the community embraces their involvement in content editing tasks, often importing data from Wikipedia, which shows a low diversity of sources in bot edits. Bots and human users engage in similar editing tasks but exhibit distinct editing patterns. The findings of this thesis confirm that bots possess the potential to influence diversity within Wikidata by contributing substantial amounts of data to specific classes and domains, leading to an imbalance. However, this potential can also be harnessed to enhance coverage in classes with limited content and restore balance, thus improving diversity. Hence, this study proposes to enhance diversity through automation and demonstrate the practical implementation of the recommendations using a specific use case. In essence, this research enhances our understanding of diversity in relation to a KB, elucidates the influence of automation on data diversity, and sheds light on diversity improvement within a KB context through the usage of automation.Seit seiner Einführung im Jahr 2012 hat sich Wikidata zu der größten offenen Wissensdatenbank entwickelt, die mehr als 100 Millionen Datenelemente und über 6 Millionen registrierte Benutzer enthält. Wikidata dient als das strukturierte Rückgrat von Wikipedia, indem es Datenunstimmigkeiten angeht und sich dem Motto verschrieben hat, ’jedem überall auf der Welt zu dienen’, eine Vision, die durch die Diversität des Wissens verwirklicht wird. Trotz seiner kooperativen Natur ist die Wikidata-Community in hohem Maße auf Bots, automatisierte Konten mit Batch- Verarbeitung und schnelle Bearbeitungsrechte angewiesen, um die Mehrheit der Bearbeitungen durchzuführen. Da Wikidata seinem ersten Jahrzehnt entgegengeht, stellt sich die Frage: Wie nahe ist Wikidata daran, seine Vision, eine globale Wissensdatenbank zu werden, zu verwirklichen, und wie ausgeprägt ist seine Dienstleistung für die globale Bevölkerung? Diese Dissertation untersucht den aktuellen Status der Diversität von Wikidata, die Rolle von Bot-Eingriffen in Bezug auf Diversität und wie Bots im Kontext von Wikidata zur Verbesserung der Diversität genutzt werden können. Die in dieser Studie verwendeten Methoden sind Mapping-Studie und Inhaltsanalyse, die zur Entwicklung von drei Datensätzen geführt haben: 1) Wikidata Research Articles Dataset, die die Literatur zu Wikidata aus dem ersten Jahrzehnt aus Online-Datenbanken umfasst, um den aktuellen Stand zu untersuchen; 2) Requestfor- Permission Dataset, der auf den Seiten zur Beantragung von Bot-Rechten auf der Wikidata-Website basiert, um Bots aus der Perspektive der Gemeinschaft zu untersuchen; und 3)Wikidata Revision History Dataset, der aus der Bearbeitungshistorie von Wikidata zusammengestellt wurde, um das Bearbeitungsverhalten von Bots zu untersuchen und dessen Auswirkungen auf die Diversität, die alle online frei verfügbar sind. Die Erkenntnisse aus der Mapping-Studie zeigen die wachsende Beliebtheit von Wikidata in der Forschungsgemeinschaft und in verschiedenen Anwendungsbereichen, was auf seinen Fortschritt hin zur letztendlichen Zielsetzung hindeutet, die globale Gemeinschaft zu erreichen. Es gibt jedoch derzeit keine Forschung, die sich mit dem Thema der Diversität in Wikidata befasst und Licht auf seine Fähigkeit werfen könnte, eine vielfältige globale Bevölkerung zu bedienen. Um diese Lücke zu schließen, schlägt diese Dissertation ein Konzept zur Messung der Diversität vor, das die Diversität im Kontext einer Wissensbasis anhand von Vielfalt, Balance und Diskrepanz definiert und in der Lage ist, die Diversität aus zwei Hauptperspektiven zu bewerten: Benutzer und Daten. Die Anwendung dieses Konzepts auf die Bereiche und Klassen des Wikidata Revision History Dataset zeigt eine unausgewogene Verteilung des Inhalts über die Bereiche von Wikidata auf, was auf eine geringe Diversität der Daten in den Bereichen von Wikidata hinweist. Weitere Analysen zeigen, dass Bots seit der Gründung von Wikidata aktiv waren und von der Gemeinschaft inhaltliche Bearbeitungsaufgaben angenommen werden, oft mit Datenimporten aus Wikipedia, was auf eine geringe Diversität der Quellen bei Bot-Bearbeitungen hinweist. Bots und menschliche Benutzer führen ähnliche Bearbeitungsaufgaben aus, zeigen jedoch unterschiedliche Bearbeitungsmuster. Die Ergebnisse dieser Dissertation bestätigen, dass Bots das Potenzial haben, die Diversität in Wikidata zu beeinflussen, indem sie bedeutende Datenmengen zu bestimmten Klassen und Bereichen beitragen, was zu einer Ungleichgewichtung führt. Dieses Potenzial kann jedoch auch genutzt werden, um die Abdeckung in Klassen mit begrenztem Inhalt zu verbessern und das Gleichgewicht wiederherzustellen, um die Diversität zu verbessern. Daher schlägt diese Studie vor, die Diversität durch Automatisierung zu verbessern und die praktische Umsetzung der Empfehlungen anhand eines spezifischen Anwendungsfalls zu demonstrieren. Kurz gesagt trägt diese Forschung dazu bei, unser Verständnis der Diversität im Kontext einer Wissensbasis zu vertiefen, wirft Licht auf den Einfluss von Automatisierung auf die Diversität von Daten und zeigt die Verbesserung der Diversität im Kontext einer Wissensbasis durch die Verwendung von Automatisierung auf

Robust query processing for linked data fragments

Linked Data Fragments (LDFs) refer to interfaces that allow for publishing and querying Knowledge Graphs on the Web. These interfaces primarily differ in their expressivity and allow for exploring different trade-offs when balancing the workload between clients and servers in decentralized SPARQL query processing. To devise efficient query plans, clients typically rely on heuristics that leverage the metadata provided by the LDF interface, since obtaining fine-grained statistics from remote sources is a challenging task. However, these heuristics are prone to potential estimation errors based on the metadata which can lead to inefficient query executions with a high number of requests, large amounts of data transferred, and, consequently, excessive execution times. In this work, we investigate robust query processing techniques for Linked Data Fragment clients to address these challenges. We first focus on robust plan selection by proposing CROP, a query plan optimizer that explores the cost and robustness of alternative query plans. Then, we address robust query execution by proposing a new class of adaptive operators: Polymorphic Join Operators. These operators adapt their join strategy in response to possible cardinality estimation errors. The results of our first experimental study show that CROP outperforms state-of-the-art clients by exploring alternative plans based on their cost and robustness. In our second experimental study, we investigate how different planning approaches can benefit from polymorphic join operators and find that they enable more efficient query execution in the majority of cases

Short Text Categorization using World Knowledge

The content of the World Wide Web is drastically multiplying, and thus the amount of available online text data is increasing every day. Today, many users contribute to this massive global network via online platforms by sharing information in the form of a short text. Such an immense amount of data covers subjects from all the existing domains (e.g., Sports, Economy, Biology, etc.). Further, manually processing such data is beyond human capabilities. As a result, Natural Language Processing (NLP) tasks, which aim to automatically analyze and process natural language documents have gained significant attention. Among these tasks, due to its application in various domains, text categorization has become one of the most fundamental and crucial tasks. However, the standard text categorization models face major challenges while performing short text categorization, due to the unique characteristics of short texts, i.e., insufficient text length, sparsity, ambiguity, etc. In other words, the conventional approaches provide substandard performance, when they are directly applied to the short text categorization task. Furthermore, in the case of short text, the standard feature extraction techniques such as bag-of-words suffer from limited contextual information. Hence, it is essential to enhance the text representations with an external knowledge source. Moreover, the traditional models require a significant amount of manually labeled data and obtaining labeled data is a costly and time-consuming task. Therefore, although recently proposed supervised methods, especially, deep neural network approaches have demonstrated notable performance, the requirement of the labeled data remains the main bottleneck of these approaches. In this thesis, we investigate the main research question of how to perform \textit{short text categorization} effectively \textit{without requiring any labeled data} using knowledge bases as an external source. In this regard, novel short text categorization models, namely, Knowledge-Based Short Text Categorization (KBSTC) and Weakly Supervised Short Text Categorization using World Knowledge (WESSTEC) have been introduced and evaluated in this thesis. The models do not require any hand-labeled data to perform short text categorization, instead, they leverage the semantic similarity between the short texts and the predefined categories. To quantify such semantic similarity, the low dimensional representation of entities and categories have been learned by exploiting a large knowledge base. To achieve that a novel entity and category embedding model has also been proposed in this thesis. The extensive experiments have been conducted to assess the performance of the proposed short text categorization models and the embedding model on several standard benchmark datasets

Behaviour on Linked Data - Specification, Monitoring, and Execution

People, organisations, and machines around the globe make use of web technologies to communicate. For instance, 4.16 bn people with access to the internet made 4.6 bn pages on the web accessible using the transfer protocol HTTP, organisations such as Amazon built ecosystems around the HTTP-based access to their businesses under the headline RESTful APIs, and the Linking Open Data movement has put billions of facts on the web available in the data model RDF via HTTP. Moreover, under the headline Web of Things, people use RDF and HTTP to access sensors and actuators on the Internet of Things. The necessary communication requires interoperable systems at a truly global scale, for which web technologies provide the necessary standards regarding the transfer and the representation of data: the HTTP protocol specifies how to transfer messages, besides defining the semantics of sending/receiving different types of messages, and the RDF family of languages specifies how to represent the data in the messages, besides providing means to elaborate the semantics of the data in the messages. The combination of HTTP and RDF -together with the shared assumption of HTTP and RDF to use URIs as identifiers- is called Linked Data. While the representation of static data in the context of Linked Data has been formally grounded in mathematical logic, a formal treatment of dynamics and behaviour on Linked Data is largely missing. We regard behaviour in this context as the way in which a system (e.g. a user agent or server) works, and this behaviour manifests itself in dynamic data. Using a formal treatment of behaviour on Linked Data, we could specify applications that use or provide Linked Data in a way that allows for formal analysis (e.g. expressivity, validation, verification). Using an experimental treatment of behaviour, or a treatment of the behaviour\u27s manifestation in dynamic data, we could better design the handling of Linked Data in applications. Hence, in this thesis, we investigate the notion of behaviour in the context of Linked Data. Specifically, we investigate the research question of how to capture the dynamics of Linked Data to inform the design of applications. The first contribution is a corpus that we built and analysed to monitor dynamic Linked Data on the web to study the update behaviour. We provide an extensive analysis to set up a long-term study of the dynamics of Linked Data on the web. We analyse data from the long-term study for dynamics on the level of accessing changing documents and on the level of changes within the documents. The second contribution is a model of computation for Linked Data that allows for expressing executable specifications of application behaviour. We provide a mapping from the conceptual foundations of the standards around Linked Data to Abstract State Machines, a Turing-complete model of computation rooted in mathematical logic. The third contribution is a workflow ontology and corresponding operational semantics to specify applications that execute and monitor behaviour in the context of Linked Data. Our approach allows for monitoring and executing behaviour specified in workflow models and respects the assumptions of the standards and practices around Linked Data. We evaluate our findings using the experimental corpus of dynamic Linked Data on the web and a synthetic benchmark from the Internet of Things, specifically the domain of building automation

User-centered semantic dataset retrieval

Finding relevant research data is an increasingly important but time-consuming task in daily research practice. Several studies report on difficulties in dataset search, e.g., scholars retrieve only partial pertinent data, and important information can not be displayed in the user interface. Overcoming these problems has motivated a number of research efforts in computer science, such as text mining and semantic search. In particular, the emergence of the Semantic Web opens a variety of novel research perspectives. Motivated by these challenges, the overall aim of this work is to analyze the current obstacles in dataset search and to propose and develop a novel semantic dataset search. The studied domain is biodiversity research, a domain that explores the diversity of life, habitats and ecosystems. This thesis has three main contributions: (1) We evaluate the current situation in dataset search in a user study, and we compare a semantic search with a classical keyword search to explore the suitability of semantic web technologies for dataset search. (2) We generate a question corpus and develop an information model to figure out on what scientific topics scholars in biodiversity research are interested in. Moreover, we also analyze the gap between current metadata and scholarly search interests, and we explore whether metadata and user interests match. (3) We propose and develop an improved dataset search based on three components: (A) a text mining pipeline, enriching metadata and queries with semantic categories and URIs, (B) a retrieval component with a semantic index over categories and URIs and (C) a user interface that enables a search within categories and a search including further hierarchical relations. Following user centered design principles, we ensure user involvement in various user studies during the development process