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

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

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

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

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

Cross-Domain information extraction from scientific articles for research knowledge graphs

Today’s scholarly communication is a document-centred process and as such, rather inefficient. Fundamental contents of research papers are not accessible by computers since they are only present in unstructured PDF files. Therefore, current research infrastructures are not able to assist scientists appropriately in their core research tasks. This thesis addresses this issue and proposes methods to automatically extract relevant information from scientific articles for Research Knowledge Graphs (RKGs) that represent scholarly knowledge structured and interlinked. First, this thesis conducts a requirements analysis for an Open Research Knowledge Graph (ORKG). We present literature-related use cases of researchers that should be supported by an ORKG-based system and their specific requirements for the underlying ontology and instance data. Based on this analysis, the identified use cases are categorised into two groups: The first group of use cases needs manual or semi-automatic approaches for knowledge graph (KG) construction since they require high correctness of the instance data. The second group requires high completeness and can tolerate noisy instance data. Thus, this group needs automatic approaches for KG population. This thesis focuses on the second group of use cases and provides contributions for machine learning tasks that aim to support them. To assess the relevance of a research paper, scientists usually skim through titles, abstracts, introductions, and conclusions. An organised presentation of the articles' essential information would make this process more time-efficient. The task of sequential sentence classification addresses this issue by classifying sentences in an article in categories like research problem, used methods, or obtained results. To address this problem, we propose a novel unified cross-domain multi-task deep learning approach that makes use of datasets from different scientific domains (e.g. biomedicine and computer graphics) and varying structures (e.g. datasets covering either only abstracts or full papers). Our approach outperforms the state of the art on full paper datasets significantly while being competitive for datasets consisting of abstracts. Moreover, our approach enables the categorisation of sentences in a domain-independent manner. Furthermore, we present the novel task of domain-independent information extraction to extract scientific concepts from research papers in a domain-independent manner. This task aims to support the use cases find related work and get recommended articles. For this purpose, we introduce a set of generic scientific concepts that are relevant over ten domains in Science, Technology, and Medicine (STM) and release an annotated dataset of 110 abstracts from these domains. Since the annotation of scientific text is costly, we suggest an active learning strategy based on a state-of-the-art deep learning approach. The proposed method enables us to nearly halve the amount of required training data. Then, we extend this domain-independent information extraction approach with the task of \textit{coreference resolution}. Coreference resolution aims to identify mentions that refer to the same concept or entity. Baseline results on our corpus with current state-of-the-art approaches for coreference resolution showed that current approaches perform poorly on scientific text. Therefore, we propose a sequential transfer learning approach that exploits annotated datasets from non-academic domains. Our experimental results demonstrate that our approach noticeably outperforms the state-of-the-art baselines. Additionally, we investigate the impact of coreference resolution on KG population. We demonstrate that coreference resolution has a small impact on the number of resulting concepts in the KG, but improved its quality significantly. Consequently, using our domain-independent information extraction approach, we populate an RKG from 55,485 abstracts of the ten investigated STM domains. We show that every domain mainly uses its own terminology and that the populated RKG contains useful concepts. Moreover, we propose a novel approach for the task of \textit{citation recommendation}. This task can help researchers improve the quality of their work by finding or recommending relevant related work. Our approach exploits RKGs that interlink research papers based on mentioned scientific concepts. Using our automatically populated RKG, we demonstrate that the combination of information from RKGs with existing state-of-the-art approaches is beneficial. Finally, we conclude the thesis and sketch possible directions of future work.Die Kommunikation von Forschungsergebnissen erfolgt heutzutage in Form von Dokumenten und ist aus verschiedenen Gründen ineffizient. Wesentliche Inhalte von Forschungsarbeiten sind für Computer nicht zugänglich, da sie in unstrukturierten PDF-Dateien verborgen sind. Daher können derzeitige Forschungsinfrastrukturen Forschende bei ihren Kernaufgaben nicht angemessen unterstützen. Diese Arbeit befasst sich mit dieser Problemstellung und untersucht Methoden zur automatischen Extraktion von relevanten Informationen aus Forschungspapieren für Forschungswissensgraphen (Research Knowledge Graphs). Solche Graphen sollen wissenschaftliches Wissen maschinenlesbar strukturieren und verknüpfen. Zunächst wird eine Anforderungsanalyse für einen Open Research Knowledge Graph (ORKG) durchgeführt. Wir stellen literaturbezogene Anwendungsfälle von Forschenden vor, die durch ein ORKG-basiertes System unterstützt werden sollten, und deren spezifische Anforderungen an die zugrundeliegende Ontologie und die Instanzdaten. Darauf aufbauend werden die identifizierten Anwendungsfälle in zwei Gruppen eingeteilt: Die erste Gruppe von Anwendungsfällen benötigt manuelle oder halbautomatische Ansätze für die Konstruktion eines ORKG, da sie eine hohe Korrektheit der Instanzdaten erfordern. Die zweite Gruppe benötigt eine hohe Vollständigkeit der Instanzdaten und kann fehlerhafte Daten tolerieren. Daher erfordert diese Gruppe automatische Ansätze für die Konstruktion des ORKG. Diese Arbeit fokussiert sich auf die zweite Gruppe von Anwendungsfällen und schlägt Methoden für maschinelle Aufgabenstellungen vor, die diese Anwendungsfälle unterstützen können. Um die Relevanz eines Forschungsartikels effizient beurteilen zu können, schauen sich Forschende in der Regel die Titel, Zusammenfassungen, Einleitungen und Schlussfolgerungen an. Durch eine strukturierte Darstellung von wesentlichen Informationen des Artikels könnte dieser Prozess zeitsparender gestaltet werden. Die Aufgabenstellung der sequenziellen Satzklassifikation befasst sich mit diesem Problem, indem Sätze eines Artikels in Kategorien wie Forschungsproblem, verwendete Methoden oder erzielte Ergebnisse automatisch klassifiziert werden. In dieser Arbeit wird für diese Aufgabenstellung ein neuer vereinheitlichter Multi-Task Deep-Learning-Ansatz vorgeschlagen, der Datensätze aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen (z. B. Biomedizin und Computergrafik) mit unterschiedlichen Strukturen (z. B. Datensätze bestehend aus Zusammenfassungen oder vollständigen Artikeln) nutzt. Unser Ansatz übertrifft State-of-the-Art-Verfahren der Literatur auf Benchmark-Datensätzen bestehend aus vollständigen Forschungsartikeln. Außerdem ermöglicht unser Ansatz die Klassifizierung von Sätzen auf eine domänenunabhängige Weise. Darüber hinaus stellen wir die neue Aufgabenstellung domänenübergreifende Informationsextraktion vor. Hierbei werden, unabhängig vom behandelten wissenschaftlichen Fachgebiet, inhaltliche Konzepte aus Forschungspapieren extrahiert. Damit sollen die Anwendungsfälle Finden von verwandten Arbeiten und Empfehlung von Artikeln unterstützt werden. Zu diesem Zweck führen wir eine Reihe von generischen wissenschaftlichen Konzepten ein, die in zehn Bereichen der Wissenschaft, Technologie und Medizin (STM) relevant sind, und veröffentlichen einen annotierten Datensatz von 110 Zusammenfassungen aus diesen Bereichen. Da die Annotation wissenschaftlicher Texte aufwändig ist, kombinieren wir ein Active-Learning-Verfahren mit einem aktuellen Deep-Learning-Ansatz, um die notwendigen Trainingsdaten zu reduzieren. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht es uns, die Menge der erforderlichen Trainingsdaten nahezu zu halbieren. Anschließend erweitern wir unseren domänenunabhängigen Ansatz zur Informationsextraktion um die Aufgabe der Koreferenzauflösung. Die Auflösung von Koreferenzen zielt darauf ab, Erwähnungen zu identifizieren, die sich auf dasselbe Konzept oder dieselbe Entität beziehen. Experimentelle Ergebnisse auf unserem Korpus mit aktuellen Ansätzen zur Koreferenzauflösung haben gezeigt, dass diese bei wissenschaftlichen Texten unzureichend abschneiden. Daher schlagen wir eine Transfer-Learning-Methode vor, die annotierte Datensätze aus nicht-akademischen Bereichen nutzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz deutlich besser abschneidet als die bisherigen Ansätze. Darüber hinaus untersuchen wir den Einfluss der Koreferenzauflösung auf die Erstellung von Wissensgraphen. Wir zeigen, dass diese einen geringen Einfluss auf die Anzahl der resultierenden Konzepte in dem Wissensgraphen hat, aber die Qualität des Wissensgraphen deutlich verbessert. Mithilfe unseres domänenunabhängigen Ansatzes zur Informationsextraktion haben wir aus 55.485 Zusammenfassungen der zehn untersuchten STM-Domänen einen Forschungswissensgraphen erstellt. Unsere Analyse zeigt, dass jede Domäne hauptsächlich ihre eigene Terminologie verwendet und dass der erstellte Wissensgraph nützliche Konzepte enthält. Schließlich schlagen wir einen Ansatz für die Empfehlung von passenden Referenzen vor. Damit können Forschende einfacher relevante verwandte Arbeiten finden oder passende Empfehlungen erhalten. Unser Ansatz nutzt Forschungswissensgraphen, die Forschungsarbeiten mit in ihnen erwähnten wissenschaftlichen Konzepten verknüpfen. Wir zeigen, dass aktuelle Verfahren zur Empfehlung von Referenzen von zusätzlichen Informationen aus einem automatisch erstellten Wissensgraphen profitieren. Zum Schluss wird ein Fazit gezogen und ein Ausblick für mögliche zukünftige Arbeiten gegeben

Word Sense Disambiguation for clinical abbreviations

Abbreviations are extensively used in electronic health records (EHR) of patients as well as medical documentation, reaching 30-50% of the words in clinical narrative. There are more than 197,000 unique medical abbreviations found in the clinical text and their meanings vary depending on the context in which they are used. Since data in electronic health records could be shareable across health information systems (hospitals, primary care centers, etc.) as well as others such as insurance companies information systems, it is essential determining the correct meaning of the abbreviations to avoid misunderstandings. Clinical abbreviations have specific characteristic that do not follow any standard rules for creating them. This makes it complicated to find said abbreviations and corresponding meanings. Furthermore, there is an added difficulty to working with clinical data due to privacy reasons, since it is essential to have them in order to develop and test algorithms. Word sense disambiguation (WSD) is an essential task in natural language processing (NLP) applications such as information extraction, chatbots and summarization systems among others. WSD aims to identify the correct meaning of the ambiguous word which has more than one meaning. Disambiguating clinical abbreviations is a type of lexical sample WSD task. Previous research works adopted supervised, unsupervised and Knowledge-based (KB) approaches to disambiguate clinical abbreviations. This thesis aims to propose a classification model that apart from disambiguating well known abbreviations also disambiguates rare and unseen abbreviations using the most recent deep neural network architectures for language modeling. In clinical abbreviation disambiguation several resources and disambiguation models were encountered. Different classification approaches used to disambiguate the clinical abbreviations were investigated in this thesis. Considering that computers do not directly understand texts, different data representations were implemented to capture the meaning of the words. Since it is also necessary to measure the performance of algorithms, the evaluation measurements used are discussed. As the different solutions proposed to clinical WSD we have explored static word embeddings data representation on 13 English clinical abbreviations of the UMN data set (from University of Minnesota) by testing traditional supervised machine learning algorithms separately for each abbreviation. Moreover, we have utilized a transformer-base pretrained model that was fine-tuned as a multi-classification classifier for the whole data set (75 abbreviations of the UMN data set). The aim of implementing just one multi-class classifier is to predict rare and unseen abbreviations that are most common in clinical narrative. Additionally, other experiments were conducted for a different type of abbreviations (scientific abbreviations and acronyms) by defining a hybrid approach composed of supervised and knowledge-based approaches. Most previous works tend to build a separated classifier for each clinical abbreviation, tending to leverage different data resources to overcome the data acquisition bottleneck. However, those models were restricted to disambiguate terms that have been seen in trained data. Meanwhile, based on our results, transfer learning by fine-tuning a transformer-based model could predict rare and unseen abbreviations. A remaining challenge for future work is to improve the model to automate the disambiguation of clinical abbreviations on run-time systems by implementing self-supervised learning models.Las abreviaturas se utilizan ampliamente en las historias clínicas electrónicas de los pacientes y en mucha documentación médica, llegando a ser un 30-50% de las palabras empleadas en narrativa clínica. Existen más de 197.000 abreviaturas únicas usadas en textos clínicos siendo términos altamente ambiguos El significado de las abreviaturas varía en función del contexto en el que se utilicen. Dado que los datos de las historias clínicas electrónicas pueden compartirse entre servicios, hospitales, centros de atención primaria así como otras organizaciones como por ejemplo, las compañías de seguros es fundamental determinar el significado correcto de las abreviaturas para evitar además eventos adversos relacionados con la seguridad del paciente. Nuevas abreviaturas clínicas aparecen constantemente y tienen la característica específica de que no siguen ningún estándar para su creación. Esto hace que sea muy difícil disponer de un recurso con todas las abreviaturas y todos sus significados. A todo esto hay que añadir la dificultad para trabajar con datos clínicos por cuestiones de privacidad cuando es esencial disponer de ellos para poder desarrollar algoritmos para su tratamiento. La desambiguación del sentido de las palabras (WSD, en inglés) es una tarea esencial en tareas de procesamiento del lenguaje natural (PLN) como extracción de información, chatbots o generadores de resúmenes, entre otros. WSD tiene como objetivo identificar el significado correcto de una palabra ambigua (que tiene más de un significado). Esta tarea se ha abordado previamente utilizando tanto enfoques supervisados, no supervisados así como basados en conocimiento. Esta tesis tiene como objetivo definir un modelo de clasificación que además de desambiguar abreviaturas conocidas desambigüe también abreviaturas menos frecuentes que no han aparecido previamente en los conjuntos de entrenaminto utilizando las arquitecturas de redes neuronales profundas más recientes relacionadas ocn los modelos del lenguaje. En la desambiguación de abreviaturas clínicas se emplean diversos recursos y modelos de desambiguación. Se han investigado los diferentes enfoques de clasificación utilizados para desambiguar las abreviaturas clínicas. Dado que un ordenador no comprende directamente los textos, se han implementado diferentes representaciones de textos para capturar el significado de las palabras. Puesto que también es necesario medir el desempeño de cualquier algoritmo, se describen también las medidas de evaluación utilizadas. La mayoría de los trabajos previos se han basado en la construcción de un clasificador separado para cada abreviatura clínica. De este modo, tienden a aprovechar diferentes recursos de datos para superar el cuello de botella de la adquisición de datos. Sin embargo, estos modelos se limitaban a desambiguar con los datos para los que el sistema había sido entrenado. Se han explorado además representaciones basadas vectores de palabras (word embeddings) estáticos para 13 abreviaturas clínicas en el corpus UMN en inglés (de la University of Minnesota) utilizando algoritmos de clasificación tradicionales de aprendizaje automático supervisados (un clasificador por cada abreviatura). Se ha llevado a cabo un segundo experimento utilizando un modelo multi-clasificador sobre todo el conjunto de las 75 abreviaturas del corpus UMN basado en un modelo Transformer pre-entrenado. El objetivo ha sido implementar un clasificador multiclase para predecir también abreviaturas raras y no vistas. Se realizó un experimento adicional para siglas científicas en documentos de dominio abierto mediante la aplicación de un enfoque híbrido compuesto por enfoques supervisados y basados en el conocimiento. Así, basándonos en los resultados de esta tesis, el aprendizaje por transferencia (transfer learning) mediante el ajuste (fine-tuning) de un modelo de lenguaje preentrenado podría predecir abreviaturas raras y no vistas sin necesidad de entrenarlas previamente. Un reto pendiente para el trabajo futuro es mejorar el modelo para automatizar la desambiguación de las abreviaturas clínicas en tiempo de ejecución mediante la implementación de modelos de aprendizaje autosupervisados.Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Informática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Israel González Carrasco.- Secretario: Leonardo Campillos Llanos.- Vocal: Ana María García Serran