An Approach for Collaborative Ontology Development in Distributed and Heterogeneous Environments

Abstract

The era of digitalization poses high demands on capturing and processing knowledge generated in everyday life in formal models. Ontologies provide common means for formal knowledge capturing and modeling for a universe of discourse. Developing ontologies, however, can be a complex, time-consuming and expensive process which requires a significant amount of resource investments. Different stakeholders, such as ontology engineers, domain experts and ultimately users, are usually involved in the development process; they may be geographically distributed and work independently in isolated environments while typically have to synchronize their contributions. Supporting the entire development life-cycle of ontology modeling places a number of challenges. Stakeholders may have different working behaviors and practices that should be accommodated. Concurrent ontology modifications performed using various authoring editors have to be tracked, integrated and may result in synchronization conflicts. Further, ensuring ontology quality according to the domain requirements is another challenge to be tackled. In the past years, several methodologies and tools have been created to enable ontology development for a number of different purposes and applications. Albeit designed to cover a range of development aspects, existing approaches lack comprehensive support of the ontology life-cycle, in particular independent work in disparate environments.<br /> In this thesis, we tackle the problem of collaborative ontology development in distributed and heterogeneous environments, and present a stakeholder-oriented approach able to holistically assist the development of ontologies in diverse and independent scenarios. First, we define Git4Voc, a lightweight methodology comprising a set of guidelines and practices to be followed by stakeholders while modeling ontologies. We then conceive VoCol, a flexible and integrated development platform to address critical requirements from a technical perspective. Moreover, techniques for reducing the number of conflicts and allowing the efficient evaluation of test cases have been designed and implemented. VoCol can be adopted in numerous scenarios and accommodate additional tools in a well-designed and semi-automatic ontology development workflow. The benefits of this flexibility are two-fold: 1) stakeholders do not need to strictly follow a specific methodology; in contrary, they can organize their work in small and incremental development steps; and 2) consumers may provide their feedback, even though they are not directly part of the active development team. VoCol can be utilized to efficiently ensure quality ontologies with respect to the pre-defined requirements. We conducted several empirical evaluations to assess the effectiveness and efficiency of our holistic approach. More importantly, ontologies for various domains, such as Industry 4.0, life sciences and education, have been successfully developed and managed following our approach. The results from the empirical evaluations and concrete applications provide evidence that the methodology and techniques presented in this thesis comply with stakeholders' needs and effectively support the entire ontology development life-cycle in distributed and heterogeneous environments.

<strong>Ein Ansatz für die kollaborative Entwicklung von Ontologien in verteilten und heterogenen Umgebungen</strong><br /> Das Zeitalter der Digitalisierung stellt hohe Anforderungen an die Erfassung und Verarbeitung des im Alltag gewonnenen Wissens in formalen Modellen. Ontologien sind ein gängiger Ansatz zur formalen Wissenserfassung und -modellierung für ein Diskursuniversum. Die Entwicklung von Ontologien kann jedoch ein komplexer, zeitaufwendiger und kostspieliger Prozess sein, der eine beträchtliche Menge an Ressourceninvestitionen erfordert. Verschiedene Interessengruppen, wie Ontologieentwickler, Domänenexperten und letztlich Benutzer, sind in der Regel am Entwicklungsprozess beteiligt; sie sind oftmals geografisch verteilt und arbeiten unabhängig voneinander in ihren individuellen Umgebungen, während sie ihre Beiträge typischerweise synchronisieren müssen. Die Unterstützung des gesamten Entwicklungslebenszyklus der Ontologiemodellierung geht mit einer Reihe von Herausforderungen einher. Die Interessengruppen können unterschiedliche Arbeitsweisen und -praktiken haben, die berücksichtigt werden müssen. Gleichzeitige Änderungen an einer Ontologie, ggf. mit verschiedenen Werkzeugen durchgeführt, müssen nachverfolgbar und integrierbar sein und können zu Synchronisationskonflikten führen. Darüber hinaus ist die Sicherstellung der Qualität von Ontologien gemäß den Anforderungen der jeweiligen Domäne eine weitere Herausforderung, die es zu bewältigen gilt. In den letzten Jahren wurden eine Reihe von Methodologien und Werkzeugen entwickelt, um die Entwicklung von Ontologien für eine Reihe verschiedener Zwecke und Anwendungen zu ermöglichen. Obwohl sie eine große Bandbreite von Entwicklungsaspekten abdecken, fehlt es den bestehenden Ansätzen an einer umfassenden Unterstützung des gesamten Lebenszyklus von Ontologien, insbesondere an der integrierten Unterstützung von unabhängig durchgeführten Modellierungsarbeiten in verschiedenen Umgebungen.<br /> In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit dem Problem der kollaborativen Ontologieentwicklung in verteilten und heterogenen Umgebungen und präsentieren einen nutzerorientierten Ansatz, der in der Lage ist, die Entwicklung von Ontologien in verschiedenartigen und unabhängigen Szenarien ganzheitlich zu unterstützen. Zunächst definieren wir Git4Voc, eine leichtgewichtige Methodologie, die eine Reihe von Richtlinien und Praktiken umfasst, die von den Interessengruppen bei der Modellierung von Ontologien zu befolgen sind. Anschließend konzipieren wir VoCol, eine flexible und integrierte Entwicklungsplattform, die zentrale Anforderungen aus technischer Sicht erfüllt. Darüber hinaus wurden Techniken zur Reduzierung der Anzahl an Konflikten und zur effizienten Auswertung von Testfällen entwickelt und implementiert. VoCol kann in zahlreichen Szenarien eingesetzt werden und bietet zusätzliche Werkzeuge in einem sauber konzipierten und semi-automatischen Ontologie-Entwicklungsworkflow an. Die Vorteile dieser Flexibilität sind zweierlei Natur: 1) Die Beteiligten müssen sich nicht strikt an eine bestimmte Methodologie halten; im Gegenteil können sie ihre Arbeit in kleinen und inkrementellen Entwicklungsschritten organisieren; und 2) die Nutzer können Feedback geben, obwohl sie nicht direkter Teil des aktiven Entwicklungsteams sind. VoCol kann eingesetzt werden, um die Qualität von Ontologien im Hinblick auf die vordefinierten Anforderungen effizient sicherzustellen. Wir haben mehrere empirische Evaluationen durchgeführt, um die Effektivität und Effizienz unseres ganzheitlichen Ansatzes zu beurteilen. Darüber hinaus wurden mehrere Ontologien für verschiedene Bereiche, wie Industrie 4.0, Biowissenschaften und Bildung, mit unserem Ansatz erfolgreich entwickelt und verwaltet. Die Ergebnisse aus den empirischen Evaluationen und konkreten Anwendungen liefern den Beweis dafür, dass die in dieser Arbeit vorgestellte Methodik und zugehörige Techniken den Bedürfnissen der Interessengruppen entsprechen und den gesamten Lebenszyklus der Ontologieentwicklung in verteilten und heterogenen Umgebungen effektiv unterstützen.