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セマンティック相互運用性とは、コンピュータシステムが曖昧さのない共通の意味を持つデータを交換できる能力のことです。セマンティック相互運用性は、情報システム間で機械計算可能な論理、推論、知識発見、およびデータ連携を可能にするための要件です。[ 1 ]
したがって、意味的相互運用性とは、データのパッケージ化（構文）だけでなく、データとともに意味を同時に伝達すること（意味論）にも関わるものです。これは、データに関するデータ（メタデータ）を追加し、各データ要素を統制された共有語彙にリンクさせることによって実現されます。データの意味は、情報システムに依存しない自己記述的な「情報パッケージ」として、データ自体とともに伝達されます。この共有語彙と、それに関連付けられたオントロジーへのリンクこそが、機械による解釈、推論、および論理の基盤と機能を提供するのです。
1960年代、ブリュッセル自由大学（ULB）のジャック・ブロワは、ユーラトムとCECAの資金援助を受けたDICAUTOMプロジェクト（1966～1971年）において、形態素解析システムを通じて意味論的相互運用性の先駆けとなった。このシステムは、屈折語形を語幹（例：「apprendront」を「apprendre」）に還元し、それらを共通の意味単位にリンクさせることで、多言語用語を標準化し、言語間で機械が解釈可能な意味を実現した。ブロワは、メタデータで強化されたエントリを持つプロトオントロジーを作成することで、現代の語彙ベースのデータ交換とオントロジーを先取りした。これは、1962年の著書『自動翻訳のためのフランス語形態素解析』および、リディア・ヒルシュベルクと共著した1969年のULB報告書「フランス語コーディングマニュアル」に記述されている。彼のシステムは、EUのIATEデータベースの前身であるEURODICAUTOM（1975年）の基盤となり、言語間の相互運用性を促進した。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
構文的相互運用性（下記参照）は、意味的相互運用性の前提条件です。構文的相互運用性とは、データのパッケージングおよび伝送メカニズムを指します。医療分野では、HL7が30年以上（インターネットやウェブ技術よりも前から）使用されており、パイプ文字（|）をデータ区切り文字として使用しています。現在のインターネットにおける文書マークアップの標準はXMLであり、データ区切り文字として「< >」を使用しています。データ区切り文字は、データの構造化以外には、データに意味を与えません。区切り文字の内容を翻訳するデータ辞書がなければ、データは意味をなしません。これらのデータパッケージングメカニズムに関連付けられるデータ辞書や情報モデルを作成する試みは数多くありますが、いずれも実用的ではありません。このため、データの「バベル化」が継続し、意味のあるデータ交換が不可能になっています。
1999年にティム・バーナーズ＝リーがセマンティックWebの概念を導入して以来、[ 5 ]、 Webスケールのセマンティックデータ交換、フェデレーション、推論機能を提供するために、 W3C （ワールドワイドウェブコンソーシアム）標準への関心と応用が高まっています。
例えばXMLやSQL標準によって提供される構文的相互運用性は、意味論の前提条件です。これは、共通のデータ形式と共通のプロトコルを用いてデータを構造化し、情報の処理方法を構造から解釈できるようにするものです。また、構文エラーの検出も可能になり、受信側システムは、文字化けしている、または不完全なメッセージの再送信を要求できます。構文が文字化けしている、またはデータを表現できない場合、意味論的な通信は不可能です。ただし、ある構文で表現された情報は、場合によっては別の構文に正確に変換できることがあります。構文の正確な変換が可能な場合、異なる構文を使用するシステム間でも正確に相互運用できます。場合によっては、使用される形式体系の表現力（情報を表現する能力）が異なる場合、異なる構文を使用するシステム間で情報を正確に変換する能力は、一方向のみに制限されることがあります。
すべてのアプリケーションで使用されるすべての用語の表現を含む単一のオントロジーは、新しい用語が急速に作成されたり、古い用語に新しい意味が割り当てられたりするため、一般的には不可能と考えられています。しかし、ユーザーがコンピュータで表現したいすべての概念を予測することは不可能ですが、特定のアプリケーションやオントロジーのセットでユーザーが必要とするより具体的な概念を作成するために組み合わせることができる、有限の「プリミティブ」概念表現のセットを見つける可能性はあります。これらのプリミティブ要素すべてを含む基盤オントロジー（上位オントロジーとも呼ばれる）があれば、一般的な意味的相互運用性の確固たる基盤が提供され、ユーザーはオントロジー要素の基本インベントリを使用して必要な新しい用語を定義でき、さらに、基本基盤オントロジーを解釈できる他のコンピュータシステムによって、新しく定義された用語が適切に解釈されるようになります。このようなプリミティブ概念表現の数が実際に有限なのか、それとも無限に拡大するのかは、現在活発に研究されている問題です。有限であれば、初期の基礎オントロジーが様々なユーザーによってテストされ使用された後、正確かつ汎用的な意味的相互運用性をサポートするのに適した安定した基礎オントロジーが発展する可能性がある。現状では、幅広いコミュニティに採用された基礎オントロジーは存在しないため、そのような安定した基礎オントロジーの実現はまだ先のことである。
意味論の議論で繰り返し見られる根強い誤解の一つに、「言葉と意味の混同」があります。言葉の意味は、時に急速に変化します。しかし、オントロジーで使用されるような形式言語は、概念の意味（意味論）を不変の形で符号化することができます。特定の単語（あるいはデータベース内の用語など）の意味を判断するには、オントロジー内の各固定概念表現に、その概念を指す可能性のある単語や用語をラベル付けする必要があります。言語において複数の単語が同じ（固定された）概念を指す場合、これを同義語と呼びます。一つの単語が複数の概念を指す場合、これを曖昧性と呼びます。
曖昧さや同義語は、コンピュータによる言語理解を非常に困難にする要因の一つです。概念を指すために単語を使用すること（使用される単語の意味）は、多くの人間が理解できる用語の場合、文脈や使用目的に非常に敏感です。意味的相互運用性をサポートするためにオントロジーを使用する目的は、意味と関係が安定しており、ユーザーが合意できる固定された概念セットを提供することです。どの用語をどの文脈で使用するか（各データベースは異なる文脈です）を決定する作業は、オントロジーを作成する作業とは切り離され、データベースの設計者、データ入力フォームの設計者、または言語理解プログラムの開発者が担当する必要があります。相互運用可能な文脈で使用される単語の意味が変更された場合、相互運用性を維持するためには、その単語の意味を指定するオントロジー要素へのポインタを変更する必要があります。
知識表現言語は、十分に理解されている分野における意味のニュアンスを記述するのに十分な表現力を持つ可能性がある。これらの複雑さには少なくとも5つのレベルがある。
一般的な半構造化データには、XMLのような汎用言語を使用することができます。[ 6 ]
多くのタスクにおいて、一階述語論理の完全な機能を備えた言語が必要となる場合がある。
人間の言語は非常に表現力豊かですが、現在の言語技術のレベルでは、正確な解釈を可能にするには曖昧すぎると考えられています。セマンティック相互運用性を備えた医療システムは、情報を分解して共有する際に、データを標準化された方法で活用します。例えば、2つのシステムは、人間の介入なしに、データ交換時に専門用語、薬剤記号、その他のニュアンスを自動的に認識できるようになりました。
セマンティック相互運用性は、送信システムが使用するアルゴリズムを知らない場合でも、転送された情報が、受信システムが正しく解釈するために必要なすべての意味を、伝達された形式で持っているかどうかを考慮することで、他の形式の相互運用性と区別できます。1つの数値を送信する場合を考えてみましょう。
もしその数字が、ある企業が別の企業に支払うべき金額の合計を表しているとすれば、それは送金する側と受け取る側の双方による何らかの行動、あるいは行動の欠如を意味する。
特定の要求に応じて送信され、期待された時間と形式で受信された場合、正しく解釈される可能性があります。この正しい解釈は、数百万種類もの定量的測定値を表す可能性のある数値そのものだけに依存するのではなく、送信状況に厳密に依存します。つまり、解釈は、両方のシステムが、相手システムのアルゴリズムがその数値をまったく同じ意味で使用することを想定していることに依存し、さらに、実際の数値送信に先行する一連の送信全体にも依存します。
対照的に、送信システムが他のシステムで情報がどのように使用されるかを知らない場合、多くの可能な意味の中から特定の意味を持つ情報が通信でどのように表示されるかについて、共通の合意が必要となります。特定のタスクの場合、1つの解決策は、支払い要求などのフォームを標準化することです。この要求には、支払い義務者、支払いを受ける側、債務を生じさせた行為の性質、その行為に関与した主体、商品、サービス、その他の参加者、行為の時刻、債務額と債務の計算に使用される通貨、支払い期限、要求される支払い方法、その他の情報など、要求を評価するために必要なすべての情報が標準化された方法でエンコードされる必要があります。2つ以上のシステムが、このような要求に含まれる情報の解釈方法について合意すれば、その特定の種類のトランザクションについて意味的な相互運用性を実現できます。一般的に意味論的な相互運用性を実現するには、商取引だけでなく、より多くの事柄の意味を記述するための標準化された方法を提供する必要があり、表現方法について合意する必要のある概念の数は少なくとも数千に及ぶ。
限られたシナリオ以外で意味的相互運用性を実現する方法は、現在も研究と議論の対象となっている。一般的な意味的相互運用性の問題においては、複数のドメインにおけるより専門的なオントロジーの概念定義を提供できるほど包括的な基盤オントロジー（「上位オントロジー」）が必要となる。過去10年間で10以上の基盤オントロジーが開発されてきたが、いずれもまだ幅広いユーザーに採用されていない。
セマンティック相互運用性をサポートするために単一の包括的なオントロジーが必要となる状況は、共通基盤オントロジーを、ローカルドメインオントロジーやローカルデータベースで使用される用語の意味の論理的な記述を作成するために組み合わせることができる一連の基本（「プリミティブ」）概念として設計することで回避できます。この戦略は、次の原則に基づいています。
もし：
（１）基礎オントロジーにおける原始オントロジー要素の意味及び使用法が合意され、 （２）ドメインオントロジーのオントロジー要素は、基礎オントロジーの要素の論理的な組み合わせとして構築される。
それから：
ドメインオントロジー要素の意図された意味は、基盤オントロジー内の要素の意味を受け入れ、基盤オントロジーとドメインオントロジー内の要素の論理仕様の両方を持つシステムであれば、FOL（一階述語論理）推論器を使用して自動的に計算できます。
したがって：
他のシステムと正確に相互運用したいシステムは、通信するデータと、そのデータで使用される用語の論理的な説明のうち、ローカルで作成され、共通の基盤となるオントロジーにまだ含まれていないものだけを送信すればよい。
この戦術では、意味に関する事前合意の必要性を、共通の基盤オントロジー（FO）に含まれるオントロジー要素のみに限定します。いくつかの考慮事項に基づくと、これには10,000個未満の要素（型と関係）で済む可能性があります。ただし、理解と使用を容易にするために、より多くのオントロジー要素に詳細な情報を追加することで、特定のドメイン概念がFO内で見つかったり追加されたりする正確な場所を特定しやすくなります。
実際には、基本概念の表現に焦点を当てたFOに加えて、FOの要素を用いて要素を指定した、FOへのドメイン拡張オントロジーのセットも使用される可能性が高い。このような既存の拡張機能は、既存の要素に意図した意味を与えることでドメインオントロジーの作成コストを軽減し、既にテスト済みの要素を使用することでエラーの可能性を低減する。ドメイン拡張オントロジーは論理的に矛盾する可能性があり、異なるドメイン拡張が通信に使用される場合は、その矛盾を解消する必要がある。
独立して開発されたオントロジー間の高度なマッピング技術によって、そのような単一の基盤オントロジーの使用自体を回避できるかどうかについても、現在調査中である。
セマンティック相互運用性の実際的な重要性は、セマンティック相互運用性の欠如によるコスト（効率の低下）を推定するいくつかの研究によって測定されています。医療情報の伝達における効率の低下に焦点を当てたある研究[ 7 ]では、その分野で効果的な相互運用性標準を導入することで年間778億米ドルを節約できると推定しています。建設業界[ 8 ]や自動車製造サプライチェーン[ 9 ]に関する他の研究では、これらの業界におけるセマンティック相互運用性の欠如によるコストが年間100億米ドル以上と推定されています。これらの数値を合計すると、米国だけでも広く使用されているセマンティック相互運用性標準の欠如により、年間1,000億米ドル以上が失われていることが示唆されます。
セマンティック相互運用性標準を適用することで大きなコスト削減が見込める政策分野を個別に調査した研究はまだありません。しかし、セマンティック相互運用性から恩恵を受けられる政策分野については、「相互運用性」全般の項を参照してください。そのような政策分野には、電子政府、医療、セキュリティなど多数あります。EUは2007年6月にセマンティック相互運用性センター・ヨーロッパも設立しました。
デジタル変革は、組織がビジネスや事業環境の変化に、より効率的、柔軟、かつ機敏に対応できるようになるという大きなメリットをもたらします。そのためには、組織全体で多様なデータとサービスを統合する必要があります。セマンティック相互運用性は、意味と文脈に関する共通理解の必要性に対応します。
これを支援するため、ISO/IEC JTC1、ETSI、oneM2M、W3Cを含む組織横断的な専門家グループが、AIOTIと協力してIoTにおけるセマンティック技術の普及を加速させています。このグループはごく最近、「セマンティックIoTソリューション – 開発者の視点」と「オントロジーに基づくセマンティック相互運用性標準に向けて」という2つの共同ホワイトペーパーを発表しました。これは、以前に発表された「Web of Thingsのためのセマンティック相互運用性」に関するホワイトペーパーの成功に続くものです。
ソース：
「セマンティックIoTソリューション – 開発者の視点」
「オントロジーに基づく意味論的相互運用性標準に向けて」
これは、以前に発表された「モノのインターネットにおけるセマンティック相互運用性」に関するホワイトペーパーの成功を受けてのものです。
https://www.w3.org/blog/2019/10/aioti-iso-iec-jtc1-etsi-onem2m-and-w3c-collaborate-on-two-joint-white-papers-on-semantic-interoperability-targeting-developers-and-standardization-engineers/
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