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のファミリーです。オントロジーは、分類法と分類ネットワークを記述する正式な方法であり、基本的にさまざまなドメインの知識の構造を定義します。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のクラス階層に似ていますが、いくつかの重要な違いがあります。クラス階層は、ソースコードで使用される構造を表すためのもので、かなりゆっくりと進化します (おそらく毎月の改訂)。一方、オントロジーはインターネット上の情報を表すためのもので、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、あらゆる種類の異種データソースから得られるインターネット上の情報を表すためのものであるため、通常、はるかに柔軟です。一方、クラス階層はかなり静的である傾向があり、企業のデータベースなど、はるかに多様性に欠け、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、リソース記述フレームワーク（RDF）と呼ばれるオブジェクトのワールドワイドウェブコンソーシアム（W3C）標準に基づいて構築されています。 ^[2] OWLとRDFは、学術、医学、商業の分野で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メンバー提案書^[5]で提案されたいくつかの新機能をOWLに組み込むことになりました。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、仕様が含まれています。OWLとOWL2は、それぞれ2004年と2009年の仕様を参照するために使用されます。仕様バージョンを含む完全な種名が使用されます（例：OWL2 EL）。より一般的に参照する場合は、OWLファミリーが使用されます。^{[12] [13] [14]}

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)のアイデアをワールド ワイド ウェブでどのように活用できるかについて、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)、さまざまなフレーム ベースの KR 言語、知識獲得アプローチなどが含まれます。

2000年に米国では、DARPAがジェームズ・ヘンドラー率いる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 /米国のエージェントマークアップ言語に関する特別合同ワーキンググループが招集され、 DAML+OILをWeb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 を採用した。 ^[16]

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

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]

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、セマンティックウェブアクティビティがメタデータアクティビティに取って代わりました。^[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]}

5 月 31 日月曜日をもって、私たちの作業グループは正式に終了します。私たちは任務を遂行するために与えられたすべてのことを達成し、私たちの仕事は十分に評価されていると信じています。

— ジェームズ・ヘンドラーとグース・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・ヘンドラーとグース・シュライバーの両共同議長のもと、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]

2005年、 OWLの経験と方向性に関するワークショップで、記述ロジックの最近の進歩により、より表現力のある改訂により、優れた計算特性を維持しながら、ユーザーの要件をより包括的に満たすことができるというコンセンサスが形成されました。2006年12月、OWL1.1メンバー提案^[23]がW3Cに提出されました。W3Cは、 2007年9月にセマンティックウェブアクティビティの一環として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、大幅な改訂を示すこの新しい言語をOWL2と呼ぶ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]}

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、良いロゴを生み出し、知恵を示唆し、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頭字語として選ばれました。 ^{[27] [28] [29]}

2006年にウェブ上で利用可能なオントロジーの調査が行われ、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のオントロジーには2,000を超えるクラスがあり、6つのオントロジーには10,000を超えるクラスがありました。同じ調査で、587のRDFS語彙が収集されました。^[30]

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) とそれらの間の許容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、明示的に提供されたデータに基づいてシステムが追加情報を推測できるようにすることで、セマンティクスを提供します。OWL の表現力の完全な紹介は、W3C のOWL ガイドで提供されています。^[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]

家族を記述するオントロジーには、「hasMother」プロパティは「hasParent」も存在する場合にのみ 2 つの個体間に存在し、「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ることはないという公理が含まれる場合があります。個体 Harriet が「hasMother」を介して個体 Sue と関連付けられており、Harriet が「HasTypeOBlood」クラスのメンバーであると述べられている場合、Sue は「HasTypeABBlood」のメンバーではないと推論できます。ただし、これは、「Parent」および「Mother」の概念が生物学的な親または母親のみを意味し、社会的親または母親を意味しない場合にのみ当てはまります。

決定可能な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される論理を追加することでその力が強化されました。

W3C が承認した OWL 仕様には、表現力の異なるレベルの OWL の 3 つのバリアントの定義が含まれています。これらは、OWL Lite、OWL DL、OWL Full です (表現力の昇順)。これらのサブ言語はそれぞれ、より単純な先行言語の構文拡張です。次の一連の関係が成り立ちます。その逆は成り立ちません。

• 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 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。たとえば、基数制約はサポートしていますが、基数値は 0 または 1 しか許可されていません。OWL Lite のツール サポートは、より表現力豊かな類似ツールよりも簡単に提供でき、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ことが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、構文上の不便さに過ぎません。OWL DL で利用可能な構成要素のほとんどは、OWL Lite 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]そのため、OWL Lite ツールの開発は、OWL DL のツールの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]${\displaystyle {\mathcal {SHIF}}(\mathbf {D} )}$

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断するための効果的な手順がある)、および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、可能な限り最大の表現力を提供するように設計されています。OWL DL にはすべての OWL 言語構成要素が含まれていますが、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ロジックを研究し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 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。たとえば、OWL Full では、クラスは個体の集合として、また個体そのものとして同時に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 (RDF または OWL) 語彙の意味を拡張できます。OWL Full は決定不可能であるため、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。

OWL 2には、3つのサブ言語があります。^[25]

• OWL 2 EL は、多項式時間の推論複雑度を持つフラグメントです。これは、記述ロジック に基づいています。${\displaystyle {\mathcal {EL}}}$
• OWL 2 QL は、データベースに保存されたデータへのアクセスとクエリを容易に行えるように設計されています。これは、DL-Lite ファミリの記述ロジックに基づいています。
• OWL 2 RLはOWL 2のルールサブセットです（頭字語「RL」は「Rule Language」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。後に、このプロファイルに対応すると呼ばれるロジックが導入されました。^[33]${\displaystyle {\mathcal {RL}}}$

OWL ファミリーの言語は、さまざまな構文をサポートしています。仕様を目的とした高レベルの構文と、一般的な使用に適した 交換構文を区別することは有用です。

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。

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。^[34]

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運びます。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まったく異なります。^[34]

ショーン・ベクホファーらは、この構文は解析が難しいが、非常に具体的であると主張している。彼らは、抽象構文という名前は多少誤解を招く可能性があると結論付けている。^[35]

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、この構文を使用してセマンティクス、構文とプロファイルを交換するためのマッピングを指定します。^[36]

OWL RDF/XML シリアル化

ファイル名拡張子	.owx、.owl、.rdf
インターネットメディアの種類	アプリケーション/owl+xml、アプリケーション/rdf+xml [37]
開発者	ワールドワイドウェブコンソーシアム
標準	OWL 2 XML シリアル化 2009 年 10 月 27 日; 15 年前、OWL リファレンス 2004 年 2 月 10 日; 20 年前 (2009-10-27)  (2004-02-10)
オープンフォーマット?	はい

OWLファミリーの言語では、RDFへの構文マッピングが規定されている^{[34] [38] 。いくつかのRDF}シリアル化フォーマットが考案されている。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が規範的である。^{[34] [38]}

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。 ^[39]

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める構文です。OWLとOWL2のバリエーションがあります。すべてのOWLと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。^[40]

• W3C OWL 2 Webオントロジー言語は構文例を提供している。^[41]

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 ^{[引用が必要]} (たとえば、http://www.example.org/tea.owl) で識別される必要があります。この例は、構文の感覚を示しています。以下では、スペースを節約するために、前文とプレフィックスの定義は省略されています。

OWL2 関数構文

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" ... > <プレフィックス名= "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:  Tea

RDF/XML構文

<rdf:RDF ... > <owl:Ontology rdf:about= "" /> <owl:Class rdf:about= "#Tea" /> </rdf:RDF> 
     
     

RDF/タートル

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

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。^[42]

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ほぼ同じくらい多くの意味があります。

— 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」^[43]

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な形式意味論を備えているため、強力な論理的基礎を備えています。

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 のセマンティクスは DL に基づいています。 ^[44] 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セマンティクスを組み合わせています。たとえば、OWL DL は記述論理に対応し、OWL 2 は論理に対応します。^[45]これらの DL には、健全で完全な終了推論システム(つまり、オントロジー内の知識のすべての結果を導き出す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)}}}$

OWL FullはRDFスキーマ（RDFS）と互換性があり、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ことが意図されています。^[46]モデル理論はRDFの形式意味論を記述します。^[47]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の意味の拡張です。^[48]

[閉じた]世界仮定は、我々が知らないことはすべて偽であることを意味しますが、開いた世界仮定は、我々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『閉じた世界対開かれた世界：最初のセマンティックウェブの戦い』^[49]

OWL ファミリーの言語は、オープン ワールド仮定を使用します。オープン ワールド仮定では、ステートメントが現在の知識で真であると証明できない場合、ステートメントが偽であるという結論を導くことはできません。

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セットで構成されます。SQLは、リレーショナル データベース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使用します。

• OBOファウンドリー^{[50] [51]}
• NCBOバイオポータル^[52]
• NCIエンタープライズ語彙サービス

• 提案された上位統合オントロジー（SUMO）^[53]
• TDWG ^[54]
• PROV-O ^[55] W3CのPROV-DM ^[56]のオントロジーバージョン
• 基本形式オントロジー（BFO）^[57]
• 欧州材料モデリングオントロジー（EMMO）^[58]

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^[59]

• スウーグル

• n項関係を直接言語でサポートしていない。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る。これはOWLではできない。代わりに、形式意味論の外で意味をエンコードするパターンを採用する必要があるかもしれない。^[60]

• Bechhofer, Sean; Horrocks, Ian; Patel-Schneider, Peter F. (2021). 「OWL のチュートリアル」。2017 年 7 月 15 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• Franconi, Enrico (2002)。「記述論理入門」ボルツァーノ自由大学。
• Horrocks, Ian (2010). 記述ロジック: オントロジー言語とツールの正式な基盤、パート 1: 言語(PDF) . SemTech 2010.
• Horrocks, Ian (2010). 「記述ロジック: オントロジー言語とツールの正式な基盤、パート 2: ツール」(PDF) . SemTech 2010.