Integrating deep and shallow natural language processing components : representations and hybrid architectures

We describe basic concepts and software architectures for the integration of shallow and deep (linguistics-based, semantics-oriented) natural language processing (NLP) components. The main goal of this novel, hybrid integration paradigm is improving robustness of deep processing. After an introduction to constraint-based natural language parsing, we give an overview of typical shallow processing tasks. We introduce XML standoff markup as an additional abstraction layer that eases integration of NLP components, and propose the use of XSLT as a standardized and efficient transformation language for online NLP integration. In the main part of the thesis, we describe our contributions to three hybrid architecture frameworks that make use of these fundamentals. SProUT is a shallow system that uses elements of deep constraint-based processing, namely type hierarchy and typed feature structures. WHITEBOARD is the first hybrid architecture to integrate not only part-of-speech tagging, but also named entity recognition and topological parsing, with deep parsing. Finally, we present Heart of Gold, a middleware architecture that generalizes WHITEBOARD into various dimensions such as configurability, multilinguality and flexible processing strategies. We describe various applications that have been implemented using the hybrid frameworks such as structured named entity recognition, information extraction, creative document authoring support, deep question analysis, as well as evaluations. In WHITEBOARD, e.g., it could be shown that shallow pre-processing increases both coverage and efficiency of deep parsing by a factor of more than two. Heart of Gold not only forms the basis for applications that utilize semanticsoriented natural language analysis, but also constitutes a complex research instrument for experimenting with novel processing strategies combining deep and shallow methods, and eases replication and comparability of results.Diese Arbeit beschreibt Grundlagen und Software-Architekturen für die Integration von flachen mit tiefen (linguistikbasierten und semantikorientierten) Verarbeitungskomponenten für natürliche Sprache. Das Hauptziel dieses neuartigen, hybriden Integrationparadigmas ist die Verbesserung der Robustheit der tiefen Verarbeitung. Nach einer Einführung in constraintbasierte Analyse natürlicher Sprache geben wir einen Überblick über typische Aufgaben flacher Sprachverarbeitungskomponenten. Wir führen XML Standoff-Markup als zusätzliche Abstraktionsebene ein, mit deren Hilfe sich Sprachverarbeitungskomponenten einfacher integrieren lassen. Ferner schlagen wir XSLT als standardisierte und effiziente Transformationssprache für die Online-Integration vor. Im Hauptteil der Arbeit stellen wir unsere Beiträge zu drei hybriden Architekturen vor, welche auf den beschriebenen Grundlagen aufbauen. SProUT ist ein flaches System, das Elemente tiefer Verarbeitung wie Typhierarchie und getypte Merkmalsstrukturen nutzt. WHITEBOARD ist das erste System, welches nicht nur Part-of-speech-Tagging, sondern auch Eigennamenerkennung und flaches topologisches Parsing mit tiefer Verarbeitung kombiniert. Schließlich wird Heart of Gold vorgestellt, eine Middleware-Architektur, welche WHITEBOARD hinsichtlich verschiedener Dimensionen wie Konfigurierbarkeit, Mehrsprachigkeit und Unterstützung flexibler Verarbeitungsstrategien generalisiert. Wir beschreiben verschiedene, mit Hilfe der hybriden Architekturen implementierte Anwendungen wie strukturierte Eigennamenerkennung, Informationsextraktion, Kreativitätsunterstützung bei der Dokumenterstellung, tiefe Frageanalyse, sowie Evaluationen. So konnte z.B. in WHITEBOARD gezeigt werden, dass durch flache Vorverarbeitung sowohl Abdeckung als auch Effizienz des tiefen Parsers mehr als verdoppelt werden. Heart of Gold bildet nicht nur Grundlage für semantikorientierte Sprachanwendungen, sondern stellt auch eine wissenschaftliche Experimentierplattform für weitere, neuartige Kombinationsstrategien dar, welche zudem die Replizierbarkeit und Vergleichbarkeit von Ergebnissen erleichtert

Complex adaptive systems based data integration : theory and applications

Data Definition Languages (DDLs) have been created and used to represent data in programming languages and in database dictionaries. This representation includes descriptions in the form of data fields and relations in the form of a hierarchy, with the common exception of relational databases where relations are flat. Network computing created an environment that enables relatively easy and inexpensive exchange of data. What followed was the creation of new DDLs claiming better support for automatic data integration. It is uncertain from the literature if any real progress has been made toward achieving an ideal state or limit condition of automatic data integration. This research asserts that difficulties in accomplishing integration are indicative of socio-cultural systems in general and are caused by some measurable attributes common in DDLs. This research’s main contributions are: (1) a theory of data integration requirements to fully support automatic data integration from autonomous heterogeneous data sources; (2) the identification of measurable related abstract attributes (Variety, Tension, and Entropy); (3) the development of tools to measure them. The research uses a multi-theoretic lens to define and articulate these attributes and their measurements. The proposed theory is founded on the Law of Requisite Variety, Information Theory, Complex Adaptive Systems (CAS) theory, Sowa’s Meaning Preservation framework and Zipf distributions of words and meanings. Using the theory, the attributes, and their measures, this research proposes a framework for objectively evaluating the suitability of any data definition language with respect to degrees of automatic data integration. This research uses thirteen data structures constructed with various DDLs from the 1960\u27s to date. No DDL examined (and therefore no DDL similar to those examined) is designed to satisfy the law of requisite variety. No DDL examined is designed to support CAS evolutionary processes that could result in fully automated integration of heterogeneous data sources. There is no significant difference in measures of Variety, Tension, and Entropy among DDLs investigated in this research. A direction to overcome the common limitations discovered in this research is suggested and tested by proposing GlossoMote, a theoretical mathematically sound description language that satisfies the data integration theory requirements. The DDL, named GlossoMote, is not merely a new syntax, it is a drastic departure from existing DDL constructs. The feasibility of the approach is demonstrated with a small scale experiment and evaluated using the proposed assessment framework and other means. The promising results require additional research to evaluate GlossoMote’s approach commercial use potential

Ontology-based infrastructure for intelligent applications

Ontologies currently are a hot topic in the areas of knowledge management and enterprise application integration. In this thesis, we investigate how ontologies can also be used as an infrastructure for developing applications that intelligently support a user with various tasks. Based on recent developments in the area of the Semantic Web, we provide three major contributions. We introduce inference engines, which allow the execution of business logic that is specified in a declarative way, while putting strong emphasis on scalability and ease of use. Secondly, we suggest various solutions for interfacing applications that are developed under this new paradigm with existing IT infrastructure. This includes the first running solution, to our knowledge, for combining the emerging areas of the Semantic Web Services. Finally, we introduce a set of intelligent applications, which is built on top of onologies and Semantic Web standards, providing a proof of concept that the engineering effort can largely be based on standard components.Ontologien sind derzeit ein viel diskutiertes Thema in Bereichen wie Wissensmanagement oder Enterprise Application Integration. Diese Arbeit stellt dar, wie Ontologien als Infrastruktur zur Entwicklung neuartiger Applikationen verwendet werden können, die den User bei verschiedenen Arbeiten unterstützen. Aufbauend auf den im Rahmen des Semantischen Webs entstandenen Spezifikationen, werden drei wesentliche Beiträge geleistet. Zum einen stellen wir Inferenzmaschinen vor, die das Ausführen von deklarativ spezifizierter Applikationslogik erlauben, wobei besonderes Augenmerk auf die Skalierbarkeit gelegt wird. Zum anderen schlagen wir mehrere Lösungen zum Anschluss solcher Systeme an bestehende IT Infrastruktur vor. Dies beinhaltet den, unseres Wissens nach, ersten lauffähigen Prototyp der die beiden aufstrebenden Felder des Semantischen Webs und Web Services verbindet. Schließlich stellen wir einige intelligente Applikationen vor, die auf Ontologien basieren und somit großteils von Werkzeugen automatisch generiert werden können