Formal Linguistic Models and Knowledge Processing. A Structuralist Approach to Rule-Based Ontology Learning and Population

2013 - 2014The main aim of this research is to propose a structuralist approach for knowledge processing by means of ontology learning and population, achieved starting from unstructured and structured texts. The method suggested includes distributional semantic approaches and NL formalization theories, in order to develop a framework, which relies upon deep linguistic analysis... [edited by author]XIII n.s

Greybox XAI: a Neural-Symbolic learning framework to produce interpretable predictions for image classification

Although Deep Neural Networks (DNNs) have great generalization and prediction capabilities, their functioning does not allow a detailed explanation of their behavior. Opaque deep learning models are increasingly used to make important predictions in critical environments, and the danger is that they make and use predictions that cannot be justified or legitimized. Several eXplainable Artificial Intelligence (XAI) methods that separate explanations from machine learning models have emerged, but have shortcomings in faithfulness to the model actual functioning and robustness. As a result, there is a widespread agreement on the importance of endowing Deep Learning models with explanatory capabilities so that they can themselves provide an answer to why a particular prediction was made. First, we address the problem of the lack of universal criteria for XAI by formalizing what an explanation is. We also introduced a set of axioms and definitions to clarify XAI from a mathematical perspective. Finally, we present the Greybox XAI, a framework that composes a DNN and a transparent model thanks to the use of a symbolic Knowledge Base (KB). We extract a KB from the dataset and use it to train a transparent model (i.e., a logistic regression). An encoder-decoder architecture is trained on RGB images to produce an output similar to the KB used by the transparent model. Once the two models are trained independently, they are used compositionally to form an explainable predictive model. We show how this new architecture is accurate and explainable in several datasets.French ANRT (AssociationNationale Recherche Technologie - ANRT)SEGULA TechnologiesJuan de la Cierva Incorporacion grant - MCIN/AEI by "ESF Investing in your future" I JC2019-039152-IGoogle Research Scholar ProgramDepartment of Education of the Basque Government (Consolidated Research Group MATHMODE) IT1456-2

Local matching learning of large scale biomedical ontologies

Les larges ontologies biomédicales décrivent généralement le même domaine d'intérêt, mais en utilisant des modèles de modélisation et des vocabulaires différents. Aligner ces ontologies qui sont complexes et hétérogènes est une tâche fastidieuse. Les systèmes de matching doivent fournir des résultats de haute qualité en tenant compte de la grande taille de ces ressources. Les systèmes de matching d'ontologies doivent résoudre deux problèmes: (i) intégrer la grande taille d'ontologies, (ii) automatiser le processus d'alignement. Le matching d'ontologies est une tâche difficile en raison de la large taille des ontologies. Les systèmes de matching d'ontologies combinent différents types de matcher pour résoudre ces problèmes. Les principaux problèmes de l'alignement de larges ontologies biomédicales sont: l'hétérogénéité conceptuelle, l'espace de recherche élevé et la qualité réduite des alignements résultants. Les systèmes d'alignement d'ontologies combinent différents matchers afin de réduire l'hétérogénéité. Cette combinaison devrait définir le choix des matchers à combiner et le poids. Différents matchers traitent différents types d'hétérogénéité. Par conséquent, le paramétrage d'un matcher devrait être automatisé par les systèmes d'alignement d'ontologies afin d'obtenir une bonne qualité de correspondance. Nous avons proposé une approche appele "local matching learning" pour faire face à la fois à la grande taille des ontologies et au problème de l'automatisation. Nous divisons un gros problème d'alignement en un ensemble de problèmes d'alignement locaux plus petits. Chaque problème d'alignement local est indépendamment aligné par une approche d'apprentissage automatique. Nous réduisons l'énorme espace de recherche en un ensemble de taches de recherche de corresondances locales plus petites. Nous pouvons aligner efficacement chaque tache de recherche de corresondances locale pour obtenir une meilleure qualité de correspondance. Notre approche de partitionnement se base sur une nouvelle stratégie à découpes multiples générant des partitions non volumineuses et non isolées. Par conséquence, nous pouvons surmonter le problème de l'hétérogénéité conceptuelle. Le nouvel algorithme de partitionnement est basé sur le clustering hiérarchique par agglomération (CHA). Cette approche génère un ensemble de tâches de correspondance locale avec un taux de couverture suffisant avec aucune partition isolée. Chaque tâche d'alignement local est automatiquement alignée en se basant sur les techniques d'apprentissage automatique. Un classificateur local aligne une seule tâche d'alignement local. Les classificateurs locaux sont basés sur des features élémentaires et structurelles. L'attribut class de chaque set de donne d'apprentissage " training set" est automatiquement étiqueté à l'aide d'une base de connaissances externe. Nous avons appliqué une technique de sélection de features pour chaque classificateur local afin de sélectionner les matchers appropriés pour chaque tâche d'alignement local. Cette approche réduit la complexité d'alignement et augmente la précision globale par rapport aux méthodes d'apprentissage traditionnelles. Nous avons prouvé que l'approche de partitionnement est meilleure que les approches actuelles en terme de précision, de taux de couverture et d'absence de partitions isolées. Nous avons évalué l'approche d'apprentissage d'alignement local à l'aide de diverses expériences basées sur des jeux de données d'OAEI 2018. Nous avons déduit qu'il est avantageux de diviser une grande tâche d'alignement d'ontologies en un ensemble de tâches d'alignement locaux. L'espace de recherche est réduit, ce qui réduit le nombre de faux négatifs et de faux positifs. L'application de techniques de sélection de caractéristiques à chaque classificateur local augmente la valeur de rappel pour chaque tâche d'alignement local.Although a considerable body of research work has addressed the problem of ontology matching, few studies have tackled the large ontologies used in the biomedical domain. We introduce a fully automated local matching learning approach that breaks down a large ontology matching task into a set of independent local sub-matching tasks. This approach integrates a novel partitioning algorithm as well as a set of matching learning techniques. The partitioning method is based on hierarchical clustering and does not generate isolated partitions. The matching learning approach employs different techniques: (i) local matching tasks are independently and automatically aligned using their local classifiers, which are based on local training sets built from element level and structure level features, (ii) resampling techniques are used to balance each local training set, and (iii) feature selection techniques are used to automatically select the appropriate tuning parameters for each local matching context. Our local matching learning approach generates a set of combined alignments from each local matching task, and experiments show that a multiple local classifier approach outperforms conventional, state-of-the-art approaches: these use a single classifier for the whole ontology matching task. In addition, focusing on context-aware local training sets based on local feature selection and resampling techniques significantly enhances the obtained results

Logic-based Technologies for Intelligent Systems: State of the Art and Perspectives

Together with the disruptive development of modern sub-symbolic approaches to artificial intelligence (AI), symbolic approaches to classical AI are re-gaining momentum, as more and more researchers exploit their potential to make AI more comprehensible, explainable, and therefore trustworthy. Since logic-based approaches lay at the core of symbolic AI, summarizing their state of the art is of paramount importance now more than ever, in order to identify trends, benefits, key features, gaps, and limitations of the techniques proposed so far, as well as to identify promising research perspectives. Along this line, this paper provides an overview of logic-based approaches and technologies by sketching their evolution and pointing out their main application areas. Future perspectives for exploitation of logic-based technologies are discussed as well, in order to identify those research fields that deserve more attention, considering the areas that already exploit logic-based approaches as well as those that are more likely to adopt logic-based approaches in the future

Toward knowledge-based automatic 3D spatial topological modeling from LiDAR point clouds for urban areas

Le traitement d'un très grand nombre de données LiDAR demeure très coûteux et nécessite des approches de modélisation 3D automatisée. De plus, les nuages de points incomplets causés par l'occlusion et la densité ainsi que les incertitudes liées au traitement des données LiDAR compliquent la création automatique de modèles 3D enrichis sémantiquement. Ce travail de recherche vise à développer de nouvelles solutions pour la création automatique de modèles géométriques 3D complets avec des étiquettes sémantiques à partir de nuages de points incomplets. Un cadre intégrant la connaissance des objets à la modélisation 3D est proposé pour améliorer la complétude des modèles géométriques 3D en utilisant un raisonnement qualitatif basé sur les informations sémantiques des objets et de leurs composants, leurs relations géométriques et spatiales. De plus, nous visons à tirer parti de la connaissance qualitative des objets en reconnaissance automatique des objets et à la création de modèles géométriques 3D complets à partir de nuages de points incomplets. Pour atteindre cet objectif, plusieurs solutions sont proposées pour la segmentation automatique, l'identification des relations topologiques entre les composants de l'objet, la reconnaissance des caractéristiques et la création de modèles géométriques 3D complets. (1) Des solutions d'apprentissage automatique ont été proposées pour la segmentation sémantique automatique et la segmentation de type CAO afin de segmenter des objets aux structures complexes. (2) Nous avons proposé un algorithme pour identifier efficacement les relations topologiques entre les composants d'objet extraits des nuages de points afin d'assembler un modèle de Représentation Frontière. (3) L'intégration des connaissances sur les objets et la reconnaissance des caractéristiques a été développée pour inférer automatiquement les étiquettes sémantiques des objets et de leurs composants. Afin de traiter les informations incertitudes, une solution de raisonnement automatique incertain, basée sur des règles représentant la connaissance, a été développée pour reconnaître les composants du bâtiment à partir d'informations incertaines extraites des nuages de points. (4) Une méthode heuristique pour la création de modèles géométriques 3D complets a été conçue en utilisant les connaissances relatives aux bâtiments, les informations géométriques et topologiques des composants du bâtiment et les informations sémantiques obtenues à partir de la reconnaissance des caractéristiques. Enfin, le cadre proposé pour améliorer la modélisation 3D automatique à partir de nuages de points de zones urbaines a été validé par une étude de cas visant à créer un modèle de bâtiment 3D complet. L'expérimentation démontre que l'intégration des connaissances dans les étapes de la modélisation 3D est efficace pour créer un modèle de construction complet à partir de nuages de points incomplets.The processing of a very large set of LiDAR data is very costly and necessitates automatic 3D modeling approaches. In addition, incomplete point clouds caused by occlusion and uneven density and the uncertainties in the processing of LiDAR data make it difficult to automatic creation of semantically enriched 3D models. This research work aims at developing new solutions for the automatic creation of complete 3D geometric models with semantic labels from incomplete point clouds. A framework integrating knowledge about objects in urban scenes into 3D modeling is proposed for improving the completeness of 3D geometric models using qualitative reasoning based on semantic information of objects and their components, their geometric and spatial relations. Moreover, we aim at taking advantage of the qualitative knowledge of objects in automatic feature recognition and further in the creation of complete 3D geometric models from incomplete point clouds. To achieve this goal, several algorithms are proposed for automatic segmentation, the identification of the topological relations between object components, feature recognition and the creation of complete 3D geometric models. (1) Machine learning solutions have been proposed for automatic semantic segmentation and CAD-like segmentation to segment objects with complex structures. (2) We proposed an algorithm to efficiently identify topological relationships between object components extracted from point clouds to assemble a Boundary Representation model. (3) The integration of object knowledge and feature recognition has been developed to automatically obtain semantic labels of objects and their components. In order to deal with uncertain information, a rule-based automatic uncertain reasoning solution was developed to recognize building components from uncertain information extracted from point clouds. (4) A heuristic method for creating complete 3D geometric models was designed using building knowledge, geometric and topological relations of building components, and semantic information obtained from feature recognition. Finally, the proposed framework for improving automatic 3D modeling from point clouds of urban areas has been validated by a case study aimed at creating a complete 3D building model. Experiments demonstrate that the integration of knowledge into the steps of 3D modeling is effective in creating a complete building model from incomplete point clouds

Semantic Foundations For Formalizing Brain Cancer Profiles

With the advent of whole-genome DNA sequencing technologies, tailoring of medical treatment to individual patients based on their genetic makeup has become the vanguard of modern medicine. One such area that can benefit from individualized medicine is that of brain and other Central Nervous System (CNS) cancers. The prognosis of malignant brain cancers is among the worst due to the heterogeneity and complexity of these tumors and their micro-environment. We present a framework that combines data mining and machine learning techniques with semantic approaches for building a clinically-relevant knowledge base of brain cancer profiles. We construct clusters of patients based on the similarity of their profiles using the k-means clustering algorithm and extract relevant molecular attributes of these clusters to classify instances of the clusters. We create a semantic model with ontologies, rule checking and reasoning, to enable rational therapeutic regimen selection. Finally, we lay the foundation to incorporate this framework into a digital twin architecture of a patient

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