ウェブオントロジー言語

Webオントロジー言語（OWL ）は、オントロジーを作成するための知識表現言語ファミリーです。オントロジーは、分類法や分類ネットワークを記述するための正式な方法であり、本質的には様々なドメインにおける知識構造を定義します。つまり、オブジェクトのクラスを表す名詞と、オブジェクト間の関係を表す動詞です。

オントロジーはオブジェクト指向プログラミングにおけるクラス階層に似ていますが、いくつか重要な違いがあります。クラス階層は、比較的ゆっくりと（おそらく毎月の改訂で）進化するソースコード内で使用される構造を表現することを目的としていますが、オントロジーはインターネット上の情報を表現することを目的としており、ほぼ常に進化することが期待されています。同様に、オントロジーはインターネット上の様々な異種データソースから得られる情報を表現することを目的としているため、一般的にオントロジーよりもはるかに柔軟です。一方、クラス階層はかなり静的であり、企業データベースなど、多様性に欠け、より構造化されたデータソースに依存します。^[1]

OWL言語は形式意味論を特徴としています。これらは、ワールド・ワイド・ウェブ・コンソーシアム（W3C）のオブジェクト標準であるリソース記述フレームワーク（RDF）に基づいて構築されています。^[2] OWLとRDFは、学術、医学、そして商業の分野から大きな関心を集めています。

2007年10月、^[3] W3Cの新しいワーキンググループ^[4]が発足し、OWL 1.1メンバー提案^[5]で提案されたいくつかの新機能をOWLに拡張しました。W3Cは2009年10月27日にOWLの新バージョンを発表しました。 ^[6]この新バージョンはOWL 2と呼ばれ、すぐにProtégéなどのセマンティックエディタやPellet、^[7] RacerPro、^[8] FaCT++ ^{[9] [10} ] HermiT ^{[11]などのセマンティック}推論エンジンに採用されました。

OWLファミリーには、類似した名前を持つ多くの種、シリアル化、構文、仕様が含まれます。OWLとOWL2は、それぞれ2004年仕様と2009年仕様を指すために使用されます。仕様バージョンを含む完全な種名（例：OWL2 EL）を使用します。より一般的な用語を指す場合は、OWLファミリーを使用します。^{[12] [13] [14]}

歴史

初期のオントロジー言語

哲学とコンピュータサイエンスにおけるオントロジーの発展には長い歴史があります。1990年代以降、人工知能（AI）の知識表現（KR）という概念をワールドワイドウェブ上でどのように活用できるかを探求する多くの研究が行われてきました。これらの研究には、 HTMLベースの言語（SHOEと呼ばれる）、XMLベースの言語（XOL、後にOILと呼ばれる）、そして様々なフレームベースのKR言語や知識獲得アプローチが含まれていました。

ウェブ向けオントロジー言語

2000年に米国で、DARPAはジェームズ・ヘンドラー氏の指揮のもとDAMLの開発を開始した。^{[15] [自費出版ソース]} 2001年3月、EU/米国合同エージェントマークアップ言語委員会は、DAMLをOILと統合することを決定した。^[15] EU /米国合同エージェントマークアップ言語特別ワーキンググループが招集され、DAML+OILをウェブオントロジー言語として開発することになった。このグループは、DARPA（DAMLプログラム）と欧州連合の情報社会技術（IST）資金提供プロジェクトによって共同で資金提供された。DAML+OILは、 RDFSの上位の薄いレイヤーとなることを目指しており、^[15]記述論理（DL）に基づく形式意味論を 持つものであった。^[16]

DAML+OILはOWLに特に大きな影響を与えており、OWLの設計はDAML+OILに基づいていました。^[17]

セマンティックウェブ標準

セマンティック ウェブは、アプリケーション、企業、コミュニティの境界を越えてデータを共有および再利用できる共通フレームワークを提供します。

— ワールドワイドウェブコンソーシアム、W3Cセマンティックウェブアクティビティ^[18]

RDFスキーマ

知識表現のアイデアに影響を受けた宣言的表現言語

— ワールドワイドウェブコンソーシアム、メタデータアクティビティ^[19]

1990年代後半、ワールド・ワイド・ウェブ・コンソーシアム（W3C）のメタデータ・アクティビティは、 RDF語彙共有のための言語であるRDFスキーマ（RDFS）の策定作業を開始しました。RDFは1999年2月にW3C勧告となり、RDFSは2000年3月に勧告候補となりました。 ^[19] 2001年2月、メタデータ・アクティビティはセマンティック・ウェブ・アクティビティに置き換えられました。^[19] 2004年、RDFのより広範な改訂の一環として、RDFSはW3C勧告となりました。^[20] RDFSはオントロジー仕様をある程度サポートしていますが、より表現力豊かなオントロジー言語の必要性が明らかになりました。^{[21] [自費出版ソース]}

ウェブオントロジーワーキンググループ

5月31日（月）をもって、私たちのワーキンググループは正式に終了となります。私たちは任務を全て達成し、私たちの活動は高く評価されていると確信しています。

— ジェームズ・ヘンドラーとガス・シュライバー、ウェブオントロジーワーキンググループ：結論と今後の取り組み^[22]

ワールド・ワイド・ウェブ・コンソーシアム（W3C）は、セマンティック・ウェブ活動の一環として、ウェブ・オントロジー・ワーキンググループを設立しました。このワーキンググループは、ジェームズ・ヘンドラー氏とガス・シュライバー氏を共同議長として、2001年11月1日に活動を開始しました。^[22]抽象構文、リファレンス、概要の最初のワーキングドラフトは2002年7月に公開されました。^[22] OWLは2004年2月10日に正式なW3C勧告となり、ワーキンググループは2004年5月31日に解散しました。^[22]

OWLワーキンググループ

2005年のOWL経験と方向性に関するワークショップにおいて、近年の記述論理の進歩により、優れた計算特性を維持しながら、より表現力豊かな改訂によりユーザー要件をより包括的に満たすことが可能になるというコンセンサスが形成されました。2006年12月には、OWL1.1メンバー提案^[23]がW3Cに提出されました。W3Cは2007年9月、セマンティックウェブ活動の一環としてOWLワーキンググループを設立しました。2008年4月、このグループはこの新しい言語を大幅な改訂を意味するOWL2と命名することを決定しました。^[24]

OWL 2は2009年10月にW3C勧告となった。OWL 2では、一般的なアプリケーションのスケーラビリティを向上させるプロファイルが導入されている。^{[6] [25]}

頭字語

一貫性がすべてである言語の少なくとも 1 つの側面で一貫性がないのはなぜでしょうか?

— Guus Schreiber、なぜ WOL ではなく OWL なのでしょうか? ^[26]

OWLは、発音しやすく、優れたロゴを生み出し、知恵を暗示し、 1970年代のウィリアム・A・マーティンのワンワールドランゲージ知識表現プロジェクトに敬意を表する頭字語として選ばれました。^{[27] [28] [29]}

採択

2006年にウェブ上で利用可能なオントロジーに関する調査が行われ、688のOWLオントロジーが収集されました。このうち、199はOWL Lite、149はOWL DL、337はOWL Full（構文による）でした。19のオントロジーは2,000を超えるクラスを持ち、6つのオントロジーは10,000を超えるクラスを持っていました。同じ調査で、587のRDFS語彙も収集されました。^[30]

オントロジー

オントロジーは概念化の明示的な仕様です。

— トム・グルーバー「 ポータブルオントロジー仕様への翻訳アプローチ」^[31]

OWLファミリーのオントロジーによって記述されるデータは、「個体」の集合と、これらの個体を相互に関連付ける「プロパティアサーション」の集合として解釈されます。オントロジーは、個体の集合（「クラス」と呼ばれる）と、それらの間の関係の種類に制約を課す公理の集合で構成されます。これらの公理は、システムが明示的に提供されたデータに基づいて追加情報を推論できるようにすることで、意味論を提供します。OWLの表現力に関する完全な入門は、W3CのOWLガイドに記載されています。^[32]

OWLオントロジーは他のオントロジーをインポートすることができ、インポートされたオントロジーの情報を現在のオントロジーに追加します。^[17]

例

家族を記述するオントロジーには、「hasMother」プロパティは2つの個体間に「hasParent」も存在する場合にのみ存在し、「HasTypeOBlood」クラスの個体は「hasParent」を介して「HasTypeABBlood」クラスのメンバーと関連付けられていないという公理が含まれる場合があります。個体ハリエットが「hasMother」を介して個体スーと関連付けられており、ハリエットが「HasTypeOBlood」クラスのメンバーであると述べられている場合、スーは「HasTypeABBlood」クラスのメンバーではないと推論できます。ただし、これは「Parent」と「Mother」の概念が生物学的な親または母親のみを意味し、社会的な親または母親を意味しない場合に限ります。

論理

決定可能な第一階論理のサブセットを選択するために命題論理が使用され、頭字語による慣例によって表現される論理を追加することでその力が強化されました。

種

OWL方言

W3Cが承認したOWL仕様には、表現力の異なる3つのOWL派生言語の定義が含まれています。これらは、OWL Lite、OWL DL、OWL Fullです（表現力の低い順に並んでいます）。これらのサブ言語はそれぞれ、よりシンプルな先行言語の構文拡張です。以下の関係式は成立しますが、その逆は成立しません。

• すべての合法的な OWL Lite オントロジーは、合法的な OWL DL オントロジーです。
• すべての合法的な OWL DL オントロジーは、合法的な OWL Full オントロジーです。
• すべての有効な OWL Lite 結論は、有効な OWL DL 結論です。
• すべての有効な OWL DL 結論は、有効な OWL Full 結論です。

OWL ライト

OWL Liteはもともと、分類階層と単純な制約を主に必要とするユーザーをサポートすることを目的としていました。例えば、カーディナリティ制約はサポートしていますが、カーディナリティの値は0か1しか許可されていません。より表現力豊かな類似言語よりもOWL Liteのツールサポートを提供する方が簡単で、シソーラスやその他の分類法を使用するシステムへの迅速な移行パスが可能になると期待されていました。しかし、実際には、OWL Liteに課せられた表現力の制約のほとんどは、構文上の不便さ以上のものではありませんでした。OWL DLで利用可能な構成要素のほとんどは、OWL Liteの機能の複雑な組み合わせを使用して構築でき、記述ロジック と同等の表現力があります。^[24]このように、OWL Liteツールの開発はOWL DLのツール開発とほぼ同じくらい難しいことが証明されており、OWL Liteは広く使用されていません。^[24]${\displaystyle {\mathcal {SHIF}}(\mathbf {D} )}$

フクロウDL

OWL DLは、計算の完全性（φまたは¬φのいずれかが成立する）、決定可能性（φが導出可能かどうかを判定する有効な手順がある）、実用的な推論アルゴリズムの利用可能性を維持しながら、最大限の表現力を提供するように設計されています。OWL DLにはOWL言語構成要素がすべて含まれていますが、それらは特定の制限の下でのみ使用できます（たとえば、推移的であると宣言されたプロパティには数の制限を課すことはできません。また、クラスは多くのクラスのサブクラスになることができますが、クラスは別のクラスのインスタンスになることはできません）。OWL DLは、OWLの正式な基盤を形成する論理を研究してきた研究分野である 記述論理に対応しているため、このように名付けられています。

これは、上記の文字ロジックを使用して、 と表現できます。 ${\displaystyle {\mathcal {SHOIN}}(\mathbf {D} )}$

OWLフル

OWL FullはOWL LiteやOWL DLとは異なるセマンティクスに基づいており、RDFスキーマとの互換性をある程度維持するように設計されています。例えば、OWL Fullでは、クラスは個体の集合として扱うと同時に、それ自体の個体としても扱うことができますが、これはOWL DLでは許可されていません。OWL Fullでは、オントロジーによって定義済み語彙（RDFまたはOWL）の意味を拡張することができます。OWL Fullは決定不能であるため、完全な推論を実行できる推論ソフトウェアはありません。

OWL2プロファイル

OWL2には3つのサブ言語（プロファイルと呼ばれる）がある。 ^[25]

• OWL2 ELは、多項式時間推論計算量を持つフラグメントであり、記述論理 に基づいています。^[33]${\displaystyle {\mathcal {EL}}}$
• OWL2 QLは、データベースに格納されたデータへのより容易なアクセスとクエリを可能にするために設計されています。これはDL-Liteファミリーの記述論理に基づいています。^[34]
• OWL2 RLはOWL 2のルールサブセットです（「RL」は「Rule Language（ルール言語）」の略です）。これは、いわゆる記述論理プログラム（DLP）に基づいています。^[35]その後、このプロファイルに対応する「記述論理プログラム」と呼ばれるロジックが導入されました。^[36]${\displaystyle {\mathcal {RL}}}$

構文

OWLファミリーの言語は様々な構文をサポートしています。仕様記述を目的とした高水準構文と、より汎用的な用途に適した 交換構文を区別することは有用です。

高レベル

これらは、OWL ファミリーの言語のオントロジー構造に近いものです。

OWL抽象構文

高レベル構文はOWLオントロジーの構造と意味を指定するために使用されます。^[37]

OWL抽象構文は、オントロジーを注釈、公理、事実のシーケンスとして表現します。注釈は、機械と人間向けのメタデータを保持します。オントロジーを構成するクラス、プロパティ、個体に関する情報は、公理と事実にのみ含まれます。各クラス、プロパティ、個体は匿名であるか、 URI参照によって識別されます。事実は、個体または個体識別子のペア（識別されたオブジェクトが異なるか同じか）に関するデータを記述します。公理は、クラスとプロパティの特性を指定します。このスタイルはフレーム言語に似ており、 DLやリソース記述フレームワーク（RDF）のよく知られた構文とは全く異なります。^[37]

ショーン・ベクホファーらは、この構文は解析が難しいものの、非常に具体的であると主張している。彼らは、 「抽象構文」という名称はやや誤解を招く可能性があると結論付けている。^[38]

OWL2関数構文

この構文はOWL2オントロジーの構造に厳密に従っています。OWL2では、この構文を用いてセマンティクス、交換構文へのマッピング、プロファイルを指定します。^[39]

交換構文

RDF構文

OWLファミリーの言語については、RDFへの構文マッピングが規定されている^{[37] [41] 。いくつかのRDF}シリアル化形式が考案されており、それぞれがこのマッピングを通じてOWLファミリーの言語の構文につながる。RDF/XMLは規範的である^{[37] [41] 。}

OWL2 XML構文

OWL2は、OWL2オントロジーの構造を厳密にモデル化したXMLシリアル化を指定します。 ^[42]

マンチェスター構文

マンチェスター構文は、フレーム言語に近いスタイルを持つ、コンパクトで人間が読みやすい構文です。OWLとOWL2にはバリエーションが用意されています。すべてのOWLおよびOWL2オントロジーがこの構文で表現できるわけではありません。^[43]

例

• W3C OWL 2 Webオントロジー言語は構文例を提供しています。^[44]

お茶のオントロジー

Teaクラスに基づくお茶のオントロジーを考えてみましょう。まず、オントロジー識別子が必要です。すべてのOWLオントロジーは、URI ^[要出典]（例えば、http://www.example.org/tea.owl）で識別される必要があります。この例は、構文の概略を示しています。以下では、スペースを節約するため、前置きと接頭辞の定義は省略しています。

OWL2関数型構文

オントロジー( <http://example.org/tea.owl>
  宣言( クラス(  : Tea  )  ) 
)

OWL2 XML構文

 <オントロジーontologyIRI= "http://example.org/tea.owl" ... > <プレフィックスname= "owl" IRI= "http://www.w3.org/2002/07/owl#" /> <宣言> <クラスIRI= "Tea" /> < /宣言> </オントロジー>  
     
   
      
   
 

マンチェスター構文

オントロジー:  <http://example.org/tea.owl>
クラス: お茶

RDF/XML構文

<rdf:RDF ... > <owl:Ontology rdf:about= "http://www.example.org/tea.owl" /> <owl:Class rdf:about= "#Tea" /> </rdf:RDF> 
     
     

RDF/タートル

  < http://example.org/tea.owl > rdf : type  owl : Ontology.:Tea  rdf : type owl : Class .​
                

セマンティクス

記述論理との関係

OWLクラスは記述論理（DL）概念に対応し、OWLプロパティはDLロールに対応し、個体はOWLとDLの両方の用語で同じように呼ばれます。^[45]

当初、IS-Aは非常に単純なものでした。しかし今日では、この継承リンクには、知識表現システムの数と同じくらい多くの意味が存在します。

— ロナルド・J・ブラクマン「IS-Aとは何か、そうでないものとは何か^」[46]

大規模なオントロジーを構築しようとする初期の試みは、明確な定義の欠如に悩まされていました。OWLファミリーのメンバーはモデル理論的形式意味論を備えており、強力な論理的基盤を備えています。

記述論理は、魅力的でよく理解されている計算特性を持つ、一階述語論理の決定可能な断片である論理のファミリーです。OWL DLとOWL Liteの意味論はDLに基づいています。 ^[47] これらは、オントロジーを記述および交換するための構文と、オントロジーに意味を与える形式意味論を組み合わせています。例えば、OWL DLは記述論理に対応し、OWL 2は論理に対応します。^[48]これらのDLには、健全で完全な終端推論システム（すなわち、オントロジー内の知識からすべての帰結を導出することが保証されているシステム）が存在します。 ${\displaystyle {\mathcal {SHOIN}}^{\mathcal {(D)}}}$ ${\displaystyle {\mathcal {SROIQ}}^{\mathcal {(D)}}}$

RDFSとの関係

OWL FullはRDFスキーマ（RDFS）との互換性を備え、既存のリソース記述フレームワーク（RDF）語彙の意味を拡張できるように設計されています。^[49]モデル理論はRDFの形式意味論を記述します。^[50]この解釈はRDFとRDFS語彙の意味を提供します。したがって、OWL Fullオントロジーの意味はRDFSの意味の拡張によって定義され、OWL FullはRDFの意味拡張です。 ^[51]

オープンワールドの仮定

[閉じた]世界の仮定は、私たちが知らないことはすべて偽であることを意味しますが、開いた世界の仮定は、私たちが知らないことはすべて未定義であると述べています。

— ステファノ・マッツォッキ『閉じた世界 vs. 開かれた世界：最初のセマンティックウェブの戦い』^[52]

OWLファミリーの言語は、オープンワールド仮定を採用しています。オープンワールド仮定の下では、ある文が現在の知識では真であると証明できない場合、その文が偽であるという結論を導くことはできません。

他の言語との対比

リレーショナルデータベースは、同じ属性を持つタプルの集合で構成されます。SQLはリレーショナルデータベース用のクエリおよび管理言語です。Prologは論理プログラミング言語です。どちらも閉世界仮定を採用しています。

パブリックオントロジー

図書館

バイオメディカル

• OBOファウンドリー^{[53] [54]}
• NCBOバイオポータル^[55]
• NCIエンタープライズ語彙サービス

標準

• 提案された上位統合オントロジー（SUMO）^[56]
• TDWG ^[57]
• PROV-O ^[58] W3CのPROV-DM ^[59]のオントロジーバージョン
• 基本形式オントロジー（BFO）^[60]
• 欧州材料モデリングオントロジー（EMMO）^[61]

ブラウザ

次のツールには、パブリック オントロジー ブラウザーが含まれます。

• プロテジェ・アウル^[62]

検索

• スウーグル

制限事項

• n項関係を直接的にサポートする言語はありません。例えば、モデル作成者は関係の性質を記述したり、2つ以上の個体を関連付けたり、個体をリストに関連付けたりしたい場合があります。これはOWLでは実現できません。代わりに、形式意味論の外側で意味を符号化するパターンを採用する必要があるかもしれません。^[63]

参照

• RDF
• セマンティックテクノロジー
• Agris：農業科学技術のための国際情報システム
• 共通論理
• FOAF + DOAC
• フレーム言語
• 地政学的オントロジー
• アイデアズグループ
• Meta-Object Facility (MOF) は、オブジェクト管理グループ (OMG)の統一モデリング言語 (UML)の別の標準です。
• メタクラス（セマンティックウェブ）、OWLによって知識を表現するために許可された機能
• マルチメディアウェブオントロジー言語
• セマンティック推論器
• SKOS
• SSWAP : シンプルなセマンティックウェブアーキテクチャとプロトコル
• SHACL : RDF のための形状と制約言語

参考文献

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さらに読む

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• フランコーニ、エンリコ (2002). 「記述論理入門」ボルツァーノ自由大学.
• ホロックス、イアン (2010). 記述論理：オントロジー言語とツールのための形式的基盤、第1部：言語(PDF) . SemTech 2010.
• ホロックス、イアン (2010). 記述論理：オントロジー言語とツールのための形式的基盤、第2部：ツール(PDF) . SemTech 2010.