オントロジー工学に基づくセマンティック技術(1)オントロジー工学入門
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JSAI2019 チュートリアル講演 2019年度 人工知能学会全国大会（第33回） 2019年6月5日
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- 1. オントロジー工学に基づく セマンティック技術 大阪電気通信大学 情報通信工学部 情報工学科 古崎 晃司 kozaki@osakac.ac.jp JSAI2019 チュートリアル講演 2019年度 人工知能学会全国大会（第33回） 2019年6月5日 資料のダウンロード http://ur0.link/Cwfg (1)オントロジー工学入門
- 2. 自己紹介 ◼ コミュニティ活動 2019/6/5 2 研究成果として 公開中のソフト ◼ 古崎（こざき）晃司@koujikozaki ◼ 所属：大阪電気通信大学・教授 ◼ 専門：オントロジー工学（情報科学・人工知能） ＝“かしこい”コンピュータ（ソフトウェア）を作る →学問にとどまらず， 世の中で使われる技術を作りたい LOD技術普及の ためのコンテスト （２０１１～） シビックテック （市民×IT）活動 セマンティックウェブとオントロジー（SWO）研究会 の特別企画（２０１１～）
- 3. はじめに，質問 ◼ 「オントロジーを作った・使った」という言葉 を聞いたことがある人？ ◼ 「オントロジー」 という言葉を聞いたことがある人？ ◼ 「ナレッジグラフ」という言葉を聞いたことが ある人？ 2019/6/5 3
- 4. オントロジー研究の動向 ◼ 1992- オントロジー研究の黎明期 ◼ 知識の共有と再利用ワークショップ（KBS研究会,1992）[1] ◼ An Ontology as “An explicit specification of a conceptualization”(Gruber,1993) ◼ 2001- セマンティックウェブ ◼ Semantic Web Working Symposium (2001) ◼ 1st International Semantic Web Conference（ISWC2002） ◼ セマンティックウェブとオントロジー（SWO）研究会（2002-） ◼ 2007- Linked Data ◼ DBpedia（2007-） ◼ LODクラウド（2007-） ◼ LODチャレンジ（2011-） ◼ 2012- Knowledge Graph ◼ Google Knowledge Graph開始（2012） 2018/8/7 4 [1]元田 浩，溝口 理一郎，西田 豊明 ：知識の共有と再利用のワークショップ報告， 人工知能学会誌，8（5），pp.666 – 671，1993．
- 5. 古崎の研究テーマ ◼ 1992- オントロジー研究の黎明期 ◼ 1997卒論：ネットワークベースのオントロジー共同構築環境の試作 ◼ 1999修論：「関係」記述に関する基礎的考察に基づくオントロジー 構築・利用環境の開発 ◼ 2001- セマンティックウェブ ◼ 2002博士論文：ロール・関係概念理論に基づくオントロジー記述環 境の開発と利用に関する研究 ◼ 2004：オントロジー構築利用環境「法造」（正式版）の公開 ◼ 2002-2007：ナノテクノロジーオントロジー ◼ 2006-継続中：臨床医学オントロジーの構築と利用 ◼ 2007- Linked Data ◼ 2007-継続中：サスティナビリティ・オントロジーの構築 ◼ 2011-LODチャレンジ ◼ 2012- Knowledge Graph ◼ 2012-2017 生物規範工学オントロジーの構築 ◼ 2014-継続中：ライフサイエンスのLOD/オントロジー 2018/8/7 5
- 6. 古崎の研究テーマ ◼ 1992- オントロジー研究の黎明期 ◼ 1997卒論：ネットワークベースのオントロジー共同構築環境の試作 ◼ 1999修論：「関係」記述に関する基礎的考察に基づくオントロジー 構築・利用環境の開発 ◼ 2001- セマンティックウェブ ◼ 2002博士論文：ロール・関係概念理論に基づくオントロジー記述環 境の開発と利用に関する研究 ◼ 2004：オントロジー構築利用環境「法造」（正式版）の公開 ◼ 2002-2007：ナノテクノロジーオントロジー ◼ 2006-継続中：臨床医学オントロジーの構築と利用 ◼ 2007- Linked Data ◼ 2007-継続中：サスティナビリティ・オントロジーの構築 ◼ 2011-LODチャレンジ ◼ 2012- Knowledge Graph ◼ 2012-2017 生物規範工学オントロジーの構築 ◼ 2014-継続中：ライフサイエンスのLOD/オントロジー 2018/8/7 6 オントロジー構築ツール ＋基礎理論 各種領域での オントロジー構築 Linked Open Data とオントロジー
- 7. その他のオントロジー構築実績 ◼ 2002-2007 ナノテクノロジーオントロジーの構築 ◼ NEDO「材料技術の知識の構造化」 ◼ 2006-継続中 臨床医学オントロジーの構築 ◼ 共同研究：東京大学医学研究科 ◼ 2007-2009 サスティナビリティ・オントロジーの構築 ◼ 共同研究：大阪 大学サスティナビリティ・サイエンス研究機構（RISS） ◼ 2007-2010 文科省：統合データベース整備事業・統合医科学データベース の構築 ◼ 共同研究：東京医科歯科大学・大阪大学大学院医学系研究科 ◼ 2008-2012 蛋白実験プロトコールオントロジーの構築 ◼ 共同研究：大阪大学蛋白質研究所（文科省：ターゲットタンパクプロジェクト） ◼ 2008-2010 バイオ燃料オントロジーの構築 ◼ 環境省：Hc-082「アジア太平洋地域における地球温暖化の持続可能な発展のため のバイオ燃料利用戦略に関する研究」（研究代表者：東京大学・武内和彦教授） ◼ 2009-2011 災害リスクオントロジーの構築 ◼ 共同研究：防災科学研究所 ◼ 2012-2017 生物規範工学オントロジーの構築 ◼ 科研新学術領域 ◼ 2013-2015 情報リテラシーリスクオントロジーの構築 ◼ 共同研究（科研費）：山形大学 2018/8/7 7
- 8. 現在進行中の研究内容 ◼ ①オントロジー工学の基礎理論 ◼ 基礎理論：ロール理論【JAIST，立命大】 ◼ 構築方法論：オントロジー洗練支援，半自動構築 ◼ ②オントロジー構築・利用ソフトウェアの開発 ◼ オントロジー構築ツール「法造」および利用API ◼ Linked Open Data （LOD）関連ツール ◼ ③各領域でのオントロジー・LODの構築，および応用システム開発 ◼ サステナビリティ・サイエンス（環境分野）オントロジー【地球研】 ◼ 生物規範工学オントロジーに基づくDB【科学博物館,JAIST,立命大】 ◼ 臨床医学オントロジーの構築と利用【東大，JAIST】 ◼ バイオインフォマティクスDB・オントロジー【NBDC, JST, DBCLS, 理研】 ◼ 行政オープンデータの活用・地域課題解決【大阪府下の自治体，他】 2018/8/7 8 【 】：主な共同研究・連携先
- 9. 古崎の研究テーマ ◼ 研究方針 ◼ オントロジー工学の基礎理論に基づいた， オントロジー構築・利用ツール（「法造」）の開発 と，それを用いた応用研究の実践． ◼ 研究内容 ◼ ①オントロジー工学の基礎理論 ◼ ②オントロジー構築・利用環境「法造」の開発 ◼ ③各種領域でのオントロジー・Linked Data （Knowledge Graph）の構築，および， 応用システムの開発 2018/8/7 9
- 10. 講演概要 ◼ オントロジーとは ◼ オントロジー構築の基礎 ◼ オントロジー構築ツール ◼ オントロジー構築の流れ ◼ オントロジーの利用方法の分類 ◼ オントロジー構築・利用の事例紹介 2019/6/5 10
- 11. オントロジー工学 ◼ オントロジーの定義 ◼ オントロジー構築の基本的な考え方 ◼ 共通性・コンテキスト依存性の扱い 2019/6/5 11
- 12. オントロジーの定義 ◼ 哲学用語：「存在論」 ◼ 人工知能分野 ◼ 「概念化の明示的記述」 （An explicit specification of conceptualization） by T. Gruber（1993） ◼ オントロジー工学 ◼ 人間が対象世界をどのように見ているかという根 源的な問題意識を持って物事をその成り立ちから 解き明かし，それをコンピュータと人間が理解を共 有できるように書き記したもの （『オントロジー工学』：溝口理一郎） 2019/6/5 12
- 13. 知識記述とオントロジー ◼ 知識記述（モデル化） ◼ 知識処理には，対象世界のモデル化（知識記述）が必要． ◼ 知識の共有・有効活用には，一貫性をもったモデル化が重要． ◼ オントロジーの役割 ◼ 対象世界をどのように捉えたか（概念化したか）を明示し， 一貫性を持って知識（インスタンスモデル）を記述するための 共通概念や規約（記述ルール）を提供する 2019/6/5 13 対象世界 <item rdf:about="http://www.kanzaki.com/bass/"> <title>コントラバスの話</title> <link>http://www.kanzaki.com/bass/</link> <description> コントラバスに関する基礎知識、 エッセイなどを集めた 楽しくてためになるセクション </description> </item> <channel rdf:about="http://www.kanzaki.com/info/rss.rdf"> …省略… <items> <rdf:Seq> <rdf:li rdf:resource="http://www.kanzaki.com/bass/"/> …省略… </rdf:Seq></items> </channel> オントロジー 知識 （インスタンスモデル） 知識記述 （モデル化） 概念化
- 14. 2019/6/5 14 オントロジー構築・利用の意義 知識をオントロジーに基づいて記述すると... ◼ 知識の記述が容易になる ◼ どのような観点から対象を捉えるかが規定されている ◼ 用いる概念・語彙が事前に用意されている ◼ 制約違反を自動的にチェックできる ◼ 記述された知識の「質」が向上する ◼ 概念の統一や観点の一貫性が保てる ◼ 他人が記述した知識を理解する際に役立つ ◼ 知識を変換することができる ◼ 知識を共有・知識を再利用できる オントロジー 知識 （インスタンスモデル） あらゆる知識を扱う際に，その基盤と して役立つものがオントロジー
- 15. オントロジーの構成 ◼ オントロジーの構成 ◼ 対象世界を説明するのに必要な「概念」 ◼ 概念間の「関係」 ◼ 概念定義の内容 ◼ ラベル（，コメント） ◼ 上位概念／下位概念 ◼ 部分概念 ◼ 属性 ◼ 公理 2019/6/5 15 自転車 サドル ハンドル 前輪 is-a関係 part-of関係 attribute-of関係 秋田犬 土佐犬 犬 ほ乳類 猫 動物 サイズ：26×2.3 色： 赤 変速：24段変速 ・前輪とハンドルは 連動している． ・前輪≠後輪 その他の関係
- 16. オントロジー構築の基本姿勢 ◼ 「何が本質か？」を追求する ◼ 例）人間 vs 教師（ロール） もの vs プロセス（川や滝はどちら？） ◼ この基本姿勢が，データスキーマやシソーラスなど との違い ◼ 「対象世界をどのように捉えたか？（概念化した か）」を明らかにすることにより，諸概念の共通 性と相違点を明確にする 2019/6/5 16
- 17. オントロジー構築の構築指針 ◼ 概念間の意味的相違点（分類視点）の明確化 ◼ 概念の「違い」を理解する（分かる＝分ける） ◼ 概念間の違いを明確にすることが，is-a階層構築の 基本指針 ◼ 概念の共通性・本質属性 ◼ 対象の概念群に共通な性質や本質的な性質（本質 属性）を捉える ◼ その概念（コンテキスト）において共通の概念構造 がどのように特殊化されたかを明確にする． ＜コンテキスト依存性の扱い＞ 2019/6/5 17
- 18. 分類視点の明確化の例：車両 ◼ 例１）概念（分類）階層のみ ◼ 例２）概念の定義を追加 2019/6/5 18 車両 －二輪車 －自動二輪 －自転車 －三輪車 － … 車両 －二輪車 →車輪の数 ＝２ －自動二輪 →動力源 ＝エンジン －自転車 →動力源 ＝人 －三輪車 →車輪の数 ＝３ － … 各概念の意味の 違いは暗黙的 各概念の意味の違い が明示化される
- 22. 分類視点の明確化の例 ：光デバイス 2019/6/5 22 協力：東工大・伊原学先生 発光機能整流機能・光電流発生機能 ← 機能による違い→ 機能の入力による違い 機能の入力による違い 機能を実現する材料による違い 各概念の意味の違い が明示化される 機能による違い
- 23. オントロジー構築のミニレッスン 例）「料理を作る」という行為 ◼ 「お好み焼き」を作る手順 ◼ キャベツ，ちくわなどの材料を「切る」 ◼ 切った材料に水，小麦粉，卵などを「混ぜる」 ◼ 混ぜた材料（お好み焼きのもと）を「焼く」 ◼ 「切る」，「混ぜる」，「焼く」といった概念に共通す る性質・本質的な捉え方は？ ◼ 使う道具，手の動かし方などは，全て異なる ◼ 料理を作る際に必要な基本動作（行為）という意味で は共通？．．． ◼ 対象物に「変化を与える」という点で共通 →行為の前後で「対象物がどのように変化するか」 で捉える（概念化する）ことができる． 2019/6/5 23
- 25. オントロジー構築のミニレッスン ～「麺」と「麺（料理）」の違い～ ◼ 課題内容 ◼ 麺類のオントロジーを構築することを考える． ◼ その際，「麺」と「麺（料理）」の違いは？ 2019/6/5 25
- 26. 考え方のポイント ◼ 「麺料理」と「麺」の区別が出来ているか？ ◼ 「料理としての麺」と「食材としての麺」は異なる． ◼ 「料理としての麺」 は“「食材としての麺」を材料（部分）として 持つ” ◼ 自然言語で「ラーメン」や「うどん」と言ったときは，両者を区 別していない． ◼ 「とんこつラーメン」や「きつねうどん」は， 「料理としての麺」 を指している． ◼ それらの上位概念としての「ラーメン」や「うどん」と， ◼ それらの部分（材料）としての「ラーメン」や「うどん」 を考えると，それぞれ別の概念であることが分かる． ◼ このような，自然言語では混同されている概念を適切に区別 することが，オントロジー構築で重要な考え方． 2019/6/5 26 ロール と呼ぶ
- 27. まとめ オントロジー工学の基礎 ◼ オントロジー ◼ 対象世界を“どのように捉えた（概念化した）か？” を（コンピュータ可読な形で）体系化したもの ◼ オントロジー構築の基本的な考え方 ◼ 「何がその概念化にとって本質か？」を追求する ◼ オントロジー構築の具体的指針 ◼ 概念の「共通性」と「相違点」を明確にする 2019/6/5 27
- 29. オントロジー構築ツール ◼ オントロジー記述言語 ◼ RDF Schema：簡単な語彙定義 ◼ OWL：記述論理による詳細なクラス定義 ◼ SWRL：セマンティックWebにおけるルール記述言語 ◼ オントロジー構築ツール ◼ Protégé （ｂｙ スタンフォード大学） ◼ 法造 （by 古崎） ◼ TopBraid Composer™ （by TopQuadrant）[商用] 2019/6/5 29
- 30. RDFSとOWL ◼ セマンティックウェブにおいてオントロジー記述に用いら れる言語 ◼ RDFS（RDF Schema） ◼ クラスおよびプロパティのis-a階層 ◼ プロパティの定義域（domain）/値域（range）：主語/目的語と なれるリソースの種類 ◼ OWL（Web Ontology Language） ◼ あるクラスの持つプロパティの値域に関する制約 →述語論理における全称記号（∀），存在記号（∃）に相当する表現 ◼ あるクラスが持つプロパティの数に関する制約 ◼ プロパティの推移律（例：「子孫の子孫」は「子孫」） ◼ ．．など，より詳細なオントロジーの記述が可能 2019/6/5 30
- 31. オントロジーの種類 意味的構成要素による分類 ◼ 意味的構成要素による分類 ◼ ０）統一された語彙集合／簡単なスキーマ ◼ rdfs:Classやowl:Classによる概念定義の列挙 ◼ １）概念間のis-a関係に基づく階層 ◼ rdfs:subClassOf によるクラス階層の記述 ◼ ２）is-a以外の関係を含む ◼ プロパティの記述 ◼ 制約（Restriction）の記述 ◼ ３）意味制約の公理的記述を含む ◼ transitiveProperty，inverseOfといった関係の性質に関 する制約 ◼ disjointWith，oneOfといった制約 ◼ ４）その他の強い公理を含む ◼ ルール記述言語（KIF,SWRLなど）による強い公理（推 論規則など）をとして記述 2018/8/7 31 RDF(S) OWL OWL ＋ SWRL RSS, FOAF Webディ レクトリ シソーラス ＋α（概念構造） より詳細な制約 を含むもの 厳密な推論規則を含むもの
- 32. RDFとオントロジー ◼ RDFで表現されたデータの意味を明確にし，Web上で共有するには， RDF記述に用いる「語彙」を統一する必要がある． →用いる「語彙」をオントロジーとして定義する． ◼ RDFにおけるオントロジーの役割 ◼ データ記述に用いる「語彙」（＝リソースとプロパティの種類）を規定する． 2019/6/5 32 情報工学 入門 古崎 担当教員 所属 情報工学科 藤田 担当教員 所属授業コード 280598 講義 Class Property 教員 人間 担当教員 所属 rdfs:subClassOf rdfs:subClassOf rdfs:subClassOf rdfs:subPropertyOfrdfs:subPropertyOf rdfs:type rdfs:type rdfs:type rdfs:type rdfs:type rdfs:type rdfs:type インスタンス クラス
- 33. オントロジー構築利用環境「法造」 ◼ オントロジー工学の基礎理論に基づいて開発された， オントロジー（=法）の構築（=造）および利用を支援す るソフトウェア ◼ 1996年より開発 ◼ http://www.hozo.jpにて フリーソフトウェアとして公開（オープンソース化検討中） ◼ 登録ユーザ数：約5,000/ダウンロード数：約12,000（国内外） ◼ 医療，バイオ，ナノテク，モバイルサービス，教育など のオントロジー開発のプロジェクトで使用中 2019/6/5 33 ほう【法】（『広辞苑』より引用） ・物事の普遍的なあり方。物事をする仕方 。 また、それがしきたりになったもの。 ・社会生活維持のための支配的な規範。 ・真理。道理。正しい理法。存在の法則性。 ・ものの性質。特性。属性。 ・存在するものの分類。カテゴリー
- 36. オントロジー構築の流れ ◼ オントロジー構築の一般的な流れ ◼ １）利用目的・範囲の決定 ◼ ２）必要な概念の検討 ◼ ３）概念定義の記述 ◼ ４）制約の記述 ◼ ５）概念定義の組み合わせ ◼ ６）インスタンスの記述 ◼ これらのステップを繰り返し行う 2019/6/5 37
- 37. 簡単なオントロジーの構築例 ◼ 例）「カレーを作る」や「ハンバーグを作る」といっ た概念を定義することを考える． ◼ 資料置き場 ◼ https://github.com/koujikozaki/OntologyBuliding 「オントロジーの構築の基本的な手順.pdf」を参照 ◼ 以下，オントロジーの図のみ掲載 2019/6/5 38
- 38. 2019/6/5 39
- 39. 2019/6/5 40
- 40. 2019/6/5 41
- 42. 概念の基本的な性質の違い ◼ 例）下記の概念を性質の違いで２つに分けると？ ◼ ほ乳類 ◼ 人間 ◼ 教師 ◼ 歩行者 ◼ 殺人者 ◼ 母親 2019/6/5 43 基本概念（ロールでない普通の概念） ＝コンテキストに依存せずに単独に定義できる概念 ロール ＝コンテキスト（他者）に依存する概念 教師＝「学校」に依存→学校を辞めると教師でなくなる 殺人者＝「殺人行為」に依存（※やめれないロール）
- 43. ロール（概念）と基本概念 ◼ ロール ◼ 特定のコンテキスト（他の概念や関係，状況など）に依存し て定義される概念 ◼ 例：（学校における）教師，（夫婦関係における）夫， （自転車の）前輪，（唐揚げの）具 ◼ 基本概念（ロールでない普通の概念） ◼ コンテキストに依存せずに単独に定義できる概念 ◼ 例：人間，木，石，車輪，… ◼ 法造におけるロールの定義 ◼ そのコンテキストにおける役割（ロール概念），その役割を 担う概念（プレイヤー），役割を担った状態の概念を表す ロールホルダーから定義される． ◼ 今回は，基本的な記述方法についてのみ解説する． 2019/6/5 44
- 44. ロール概念とは ◼ 夫婦関係 ◼ 夫婦 に おける 夫（妻）の役割 は 人間 が担っている ◼ 学校 ◼ 学校 に おける 教師の役割 は 人間が担っている ◼ 自動車 ◼ 自動車 における前輪（後輪）の役割 は 車輪 が担っている ◼ 鳥の唐揚げ ◼ 鳥の唐揚げ における具の役割 は 鶏肉 が担っている ロール概念： ある“もの”や“人”が特定の状況で「果たす役割」を概念化したもの 夫婦 関係 夫・妻ロール 教師ロール 前輪（後輪）ロール 具ロール 2019/6/5 45 コンテキスト ロール概念 プレイヤー
- 45. 2018/8/7 46 ロール概念の構成 46 ロール概念 コンテキスト depend on プレイヤー playing 教員 ロール_1 木村さん 大阪高校 ロールホルダー 教員-1 大阪高校において、木村さんが教員の役割（教員ロール_１）を担ったとき 教員（教員_１）と呼ばれる 学校において、人間が教員ロールを担ったとき教員ロールホルダーと 呼ばれる ロール概念 コンテキスト depend on playable 教員 ロール 人間 学校 ロールホルダー 教員 クラスの世界 インスタンス の世界 プレイヤー （クラス制約） コンテキスト プレイヤー ロール概念 ロールホルダー
- 48. 人間 ロールホルダーロール概念 基本概念（クラス制約） 教師 R2-1)年齢(>22) R2-2)担当教科 B1 ,R1)名前 B1,R1) 年齢 教師role R2-2)勤続年数 B2)身長 B2)体重 ロール概念定義の詳細 基本概念 :B1)ロール概念から参照される/ B2)ロール概念から参照されない ロール概念:R1)基本概念の定義を参照 R2-1)参照している定義に制約追加/R2-2)ロール概念で新たに追加 ロールホルダー:上記を合わせたもの 2019/6/5 49 ロール概念のみ が持つスロット （ロール概念で 追加された） クラス制約から継承 されたスロット ロール概念 が参照しない スロット
- 49. 例）ロール概念の定義・ クラス制約からの継承 2019/6/5 50 ロール概念のみが 持つスロットの追加 クラス制約から継承 されたスロット 「▼印」で示される ロール概念が参照 しないスロット
- 50. ロール概念の主な性質 ◼ コンテキスト依存性 ◼ １つインスタンスがコンテキストに応じて，複数のロールを 同時に担うことができる ◼ コンテキストが変わればロールが変わる 例）太郎が学校では「教師」，夫婦の間では「夫」 ◼ コンテキストが消滅すればロールが消滅する ◼ 例）学校が廃校になれば，「教師」はなくなる． ◼ プレイヤー（クラス制約）依存性 ◼ プレイヤーが消滅するとロールホルダーは消滅する ◼ 例）太郎が死ねば，（太郎が担っていた）「教師」はなくなる． ◼ 定義内容の重なり ◼ ロール概念からのみ決まる定義と，クラス制約（プレイヤー） にのみ依存して決まる定義がある 2019/6/5 51
- 51. 2019/6/5 52 千里高校 太郎 ロールホルダー ロール概念「教師role」 のインスタンス 基本概念「人間」の インスタンス （千里高校の） 教師role コンテクストを定める概念に依存 （千里高校の） 教師 ロールを担う ロール概念の性質 ◼ ロール概念のコンテキスト依存性 １）ロール概念のインスタンスは，特定のコンテキストに依存して具 体化される 例） 「教師role」のインスタンスは 「学校」のインスタンス によっ て定まるコンテクストに依存して具体化される． ２）コンテクストが無くなると，ロール概念のインスタンスも消滅する 例）「学校」が廃校になると，それに伴い 「教師role」のインスタンスも無くなる． × × １） ２）
- 52. 2019/6/5 53 太郎 ロールホルダー ロール概念「教師role」 のインスタンス 基本概念「人間」の インスタンス （千里高校の） 教師role （千里高校の） 教師 ロールを担う ロールホルダーの性質 ◼ ロールホルダーが消滅する３種類のパターン １）「太郎」が死ぬと（＝人間のインスタンスが消滅） ◼ 「教師」は消滅するが, 「教師role」は空きポストとして残る ２） 「太郎」が教師を辞めると（＝ロールを担うことを止める） ◼ 「教師」は消滅するが, 「教師role」は空きポストとして残る ◼ 「人間」のインスタンス（太郎）はそのまま存続 ３） 「教師role」が無くなると（＝ロール概念のインスタンスの消滅） ◼ 「教師」は消滅するが,「人間」（太郎）はそのまま存続 ２）× １）×３）×
- 53. ロール概念を用いる意義 ◼ 概念のコンテキスト依存性を明確にする ◼ コンテキスト（他の概念）が無いと定義できない概念と，コ ンテキストに独立して定義できる概念を区別する． ◼ 例）教師，学生，夫vs.人間 前輪，後輪，駆動輪vs.車輪 ◼ クラス制約が同じでも，コンテキスト（＝どの概念のスロッ トか）によってロール概念の定義が追加される． ◼ コンテキストに独立して共通な性質は，基本概念の定義 ◼ コンテキストに依存して決まる性質は，ロール概念の定義） と，適切に使い分けることが重要 2019/6/5 54 人間は，コンテキストによって， 教師，学生，夫…など別のロー ル（役割）を果たす． 車輪は，コンテキストによって， 前輪，後輪，駆動輪…など別の ロール（役割）を果たす．
- 55. 全体と部分の相互依存性 2019/6/5 56 ◼ 全体の部分依存性 ◼ 全体となる概念は，部分（部品）の集合として定義され 例）「テーブル」は，「天板」と４本の「脚」という部品から構成される ◼ 部分の全体依存性 ◼ 部分となる概念（部品）は，全体から定義される ◼ 例）「天板」や「足」は，「テーブル」（という全体）の部品である． ◼ 全体から独立した部分の定義 ◼ 部分となる概念は，他の箇所で定義された概念を参照して 定義される ◼ 例）ある「板」や「棒」が「テーブル」（全体）となるときは「天 板」や「脚」となる． ◼ →「板」や「棒」が単独で存在するときは， 「天板」や「脚」 ではない． ロール概念を用いることで，これらの違いを適切に概念化できる
- 56. ロールに基づく全体-部分の概念化 2019/6/5 57 ◼ 全体の部分依存性 ◼ part-ofスロット（関係）を用いた 概念の意味定義 ◼ 部分の全体依存性 ◼ part-ofスロット（関係）の定義 ◼ 全体から独立した部分の定義 ◼ クラス制約による参照 part-of関係を用いた テーブルの意味定義 全体から独立して 定義された概念 全体に依存した「部分」の定義 全体をコンテキストとした ロール概念としての扱い ク ラ ス 制 約 に よ る 参 照
- 60. オントロジー利用方法 ◼ オントロジーを利用した応用システムの分類[Uschold 99] ◼ (a)neutral authoring ◼ (b)common access to information ◼ (c)indexing for search ◼ オントロジー利用タイプの分類[古崎 10] ◼ (1)共通語彙 ◼ (2)検索 ◼ (3)インデックス ◼ (4)データスキーマ ◼ (5)知識共有の媒体 ◼ (6)分析 ◼ (7)抽出 ◼ (8)知識モデルの規約 ◼ (9)知識の体系化 2018/8/7 61 [Uschold 99] Uschold, M. and Jasper, R.: A Framework for Understanding and Classifying Ontology Applications, in Proceedings of the IJCAI-99 Workshop on Ontologies and Problem-Solving Methods (1999) [古崎10] 古崎晃司：オントロジー利用研究の分類と傾向分析, 人工知能学会 誌, Vol. 25, No. 4, pp. 475–484 (2010) (1)知識記述のための規約 ：(a), (1), (4), (8) (2) 知識の共有・再利用 ：(b), (3), (5) (3) 意味処理 ：(c), (2), (6), (7)
- 61. (1) 共通語彙としての利用 ◼ 知識の相互性を高めるために，知識を記述する際に 用いる共通語彙としてオントロジーを利用する． ◼ それらの共通語彙は，検索のキーワードや，統計的 手法を用いた処理の対象など，様々な用途で用いら れる． 2018/8/7 62 オントロジーで定義された 語彙を用いて知識を記述 用いられた語彙に対する 検索・解析など (共通語彙としての利用) オントロジー ドキュメント・データなど 例） ・ブログなどに用いられ るキーワードの解析 ・メタデータを用いた検索 サービス …など
- 62. (2)検索・(6)分析・(7)抽出 ◼ (2)検索 ◼ 適切なメタデータを付与することで，単なるキーワードマッ チによる全文検索などでは実現できない，意味処理を含む 検索が可能となる． ◼ (6)分析 ◼ オントロジーに基づく推論・意味処理の技術などを用いて， メタデータが指す内容を分析することができる． ◼ (7)抽出 ◼ 分析結果に基づいて利用者に取って意味のある情報を抽 出する．（情報推薦なども含む） 2018/8/7 63 検索結果をそのまま提示する 検索結果に何らかの分析結果を併せて提示する 検索結果を絞り込んで意味のある情報を抽出する
- 63. (3)インデックスとしての利用 ◼ 適切な情報へアクセスのためのインデックスとして オントロジーを利用する． ◼ 体系の中における語彙の位置づけを明示的に利用 する点が1)の共通語彙としての利用と異なる． 2018/8/7 64 オントロジーで定義された 語彙を用いて知識を記述 用いられた語彙に対する 検索・解析など (共通語彙としての利用) オントロジー ドキュメント・データなど 語彙体系を インデックスとし て利用 例） ・Webディレクトリ ・リファレンスサービス ・コンテンツ管理システム ・Webサービス検索
- 64. (4)データスキーマとしての利用 ◼ DBなどに格納するデータの構造や値を規定する標準化され たデータスキーマとしてオントロジーを利用する． ◼ オントロジーをデータスキーマとして利用するメリットは，そ の相互運用性や意味構造を用いた知的処理にある． 2018/8/7 65 オントロジーに基づいて データや識を記述 ・同一オントロジーを用いる ことによる相互運用 ・意味構造を用いた知的処理 オントロジー データベース・知識モデルなど データやインスタンスモデル に対する規約を与える
- 65. (5)知識共有の媒体としての利用 ◼ システム間，人間とシステム，あるいは人間同士の間 で知識の相互運用性を高め知識共有を実現する． ◼ 複数の知識を同一の参照オントロジーに対応付ける ◼ 複数のオントロジーを直接比較する 2018/8/7 66 (1)参照オントロジーで定義さ れた概念と対応付け (2)参照オントロジーとの 対応関係に基づく知識 のマッピング・変換 参照オントロジー 知識Ａ 知識Ｂ (a) 参照オントロジーを利用した知識変換 オントロジーA 知識Ａ オントロジーB 知識Ｂ (1)各オントロジー の概念間の対応付け (2)各オントロジーの対応関係に 基づく知識のマッピング・変換 (b)複数オントロジーを利用した知識変換
- 66. (8)知識モデルの規約 ◼ オントロジーが提供する概念定義に基づいて構築されたイ ンスタンスモデルは，対象世界のオブジェクトを表した知識 モデルとして用いることができる． ◼ オントロジーは知識モデルに対する規約を与えるメタモ デルとして利用できる． ◼ 知識モデルには単なるデータに比べて柔軟な知識の意味 記述が求められる． 2018/8/7 67 オントロジーに基づいて データや識を記述 ・同一オントロジーを用いる ことによる相互運用 ・意味構造を用いた知的処理 オントロジー データベース・知識モデルなど データやインスタンスモデル に対する規約を与える 例） ・ソフトウェア開発支援 ・ゲノム分野における パスウェイの統一的記述 ・eラーニングにおけるオー サリングシステム
- 67. (9)知識の体系化への利用 ◼ オントロジーの意味的構成 要素は，知識の体系化・組 織化の核となる概念構造を 提供する． ◼ それらを用いることで，対象 世界の知識を構成している 概念をオントロジーとして体 系化し，その規約に基づい て知識管理・運用を実現す ることができる． ◼ (1)～(8)で述べてきたオント ロジーの利用目的を総合的 に用いたもの． 2018/8/7 68 トップレベル・オントロジー デバイス・オントロジー 部品 ライブラリ 物理原理・ 法則知識 機能概念 オントロジー 各機能の達成方式知識 汎用機能分解木 方式特性木 対象の機能モデル対象 固有層 一般 知識層 基盤 概念層 一般 概念層 結合 視点依存構造化 選択・具体化 機能概念の具体化 装置中心の観点からの特殊化 達成関係の記述 参照 例）オントロジーに基づく機能的知識体系化 [来村02]
- 68. オントロジー利用研究の分析 2018/8/7 69 ◼ オントロジー利用研究の分析 ◼ Semantic Webの国際会議（ISWC,ESWC,ASWC）（229件） ◼ 国内の論文（88件） ◼ 分析の観点 （方針）オントロジーの使われ方を中心に分析する． ◼ オントロジーの種類：どのようなオントロジーを利用するか？ ◼ オントロジーの利用タイプ：どのような目的でオントロジーを利用する か？ ◼ 対象とするドメイン 最新の情報については下記の書籍を参照 『オントロジーの普及と応用』（人工知能学会：編集， 來村 徳信：編著），オーム社，2012 5章 オントロジー利用研究の分類と傾向分析（古崎晃司） [古崎10] 古崎晃司：オントロジー利用研究の分類と傾向分析, 人工知能学会誌, Vol. 25, No. 4, pp. 475–484 (2010)
- 69. オントロジー構築・利用事例 ◼ サステナビリティ学オントロジー ◼ 生物規範工学オントロジー ◼ 臨床医学オントロジー 2019/6/5 70
- 70. 環境省：Hc-082 「アジア太平洋地域における地球温暖 化の持続可能な発展のためのバイオ 燃料利用戦略に関する研究」 （H20-22年度，研究代表者：東京大学・武内和彦教授） サブテーマ（１） オントロジーを用いた問題の構造化と 政策立案支援ツールの開発 サステナビリティ学 オントロジーによる領域俯瞰 ◼ 研究背景 ◼ 複雑化・巨大化された問題を適切に理解にするには，従来の個別ドメ インからだけでは困難であり，様々な視点から領域を俯瞰し統合的に 理解することが必要． ◼ 特にトレードオフ問題の理解には，領域を横断した俯瞰が重要． ◼ 研究目的 ◼ 任意の視点からドメインを俯瞰できるオントロジー探索ツールの開発 視点に基づく 概念マップ生成 対象世界 × 生態系の専門家 オントロジー構築者 エネルギー の専門家 生態系の専門家 Ontology ○ 知識の共有 が困難 エネルギーの専門家 共通概念を用 いた体系化 知識の共有が可能 領域依存 な構造化 政策の専門家 × 政策の専門家 概念マップ ○ 規定できる効果 －暗黙的であった利用者の知りたい知識の理解支援 －思いがけない内容の掲示による利用者の発想刺激 2018/9/25 71 研究事例
- 72. 生物規範工学オントロジー ◼ バイオミメティクス（biomimetics）研究 ◼ 「自然に学ぶものつくり」＝bio＋mimetic（模倣） ◼ 研究事例 ◼ 蓮の葉の撥水性（ロータス効果）を模倣した，塗装や セルフクリーニングに関する研究 ◼ ヤモリの指の粘着性に着目した接着剤の開発 ◼ 蝶や玉虫の「構造色」 ◼ 流体抵抗の低いサメ肌の構造を模した高速水着 ◼ バイオミメティクス・データベースの開発 ◼ 生物の知識の無い工学者が，「新製品開発の際に模倣でき そうな“生物”」を見つけたい ◼ 工学，生物学の知識をオントロジーとして体系化し，製品で 実現したいこと（ゴール）から，関連する生物を探索する 2018/9/25 73 研究事例
- 74. オントロジーを用いることで，キーワードの連想的 な検索（キーワード探索）が行える． 汚れない 汚れても 落ちる 洗い流す 水で覆う 撥水性 親水性 バラの花 凹凸構造 蓮の葉泥の中 に住む ミミズ 生物種 構造 生物種 生物種 性質 性質 生息環境 機能 機能 機能 機能 論文 著者 画像DB 画像 文献DB オントロジーから 得られる情報 外部DBからの情報2018/9/25 75
- 78. 臨床医学オントロジー • 臨床医学オントロジーの全体造 - トップ（上位）オントロジー - 概念の共通性・コンテキスト依存性の扱い • 概念化の事例 - is-a/part-of関係の同時成立問題 - Part-of関係の拡張 - 構造物の左右の概念化 2019/6/5 79
- 79. トップ(上位)オントロジー ◼ 対象領域に依存せず，対象世界に存在する トップレベル（最上位）の概念を定義したもの ◼ 著名なトップオントロジー ◼ BFO (Basic Formal Ontology) by Barry Smith（哲学者） ◼ DOLCE (Descriptive Ontology for Linguistic and Cognitive Engineering) by N.Guarino（情報科学者） ◼ YAMATO (Yet Another More Advanced Top- level Ontology) by R. Mizoguchi（オントロジー工学者） 2019/6/5 80
- 80. 上位オントロジーYAMATO ◼ 日本初で日本発の上位オントロジー ◼ （おそらく）現時点で最良のオントロジー ◼ 属性，表現，プロセス，ロール の４つの 重要問題において優れている． ◼ 属性と特性の区別 ◼ 実体が持つ属性と測定データとの区別 ◼ 表現と表現物の厳格な定義 ◼ プロセスとイベントの区別 ◼ 先進的ロール理論 2019/6/5 81
- 81. 臨床医学オントロジーの 上位構造の概略図 2019/6/5 もの 独立実在物 オブジェクト 生起物 従属的実在物 人体 状態プロセス 特性 属性 従属的 因果構造物 因果 構造物 疾患 オント ロジー 対象依存 異常状態 汎用 異常状態 参照 特性木 属性木 参照 分解 同時 並行型 プロセス解剖 オント ロジー 汎用 構造物 参照 イベント 82
- 83. 疾患・解剖学オントロジーと トップオントロジーの関係 2019/6/5 もの 独立実在物 オブジェクト 生起物 従属的実在物 人体 状態プロセス 特性 属性 従属的 因果構造物 因果 構造物 疾患 オント ロジー 対象依存 異常状態 汎用 異常状態 参照 特性木 属性木 参照 分解 同時 並行型 プロセス解剖 オント ロジー 汎用 構造物 参照 イベント 84 疾患・解剖学オントロジーともに，共通の概念構造を参照し， それらをコンテキストに応じて特殊化することで， 概念の共通性・コンテキスト依存性を適切に表している
- 84. 疾患・解剖学オントロジーと トップオントロジーの関係 2019/6/5 もの 独立実在物 オブジェクト 生起物 従属的実在物 人体 状態プロセス 特性 属性 従属的 因果構造物 因果 構造物 疾患 オント ロジー 対象依存 異常状態 汎用 異常状態 参照 特性木 属性木 参照 分解 同時 並行型 プロセス解剖 オント ロジー 汎用 構造物 参照 イベント 85 疾患・解剖学オントロジーともに，共通の概念構造を参照し， それらをコンテキストに応じて特殊化することで， 概念の共通性・コンテキスト依存性を適切に表している
- 86. 疾患・解剖学オントロジーと トップオントロジーの関係 2019/6/5 もの 独立実在物 オブジェクト 生起物 従属的実在物 人体 状態プロセス 特性 属性 従属的 因果構造物 因果 構造物 疾患 オント ロジー 対象依存 異常状態 汎用 異常状態 参照 特性木 属性木 参照 分解 同時 並行型 プロセス解剖 オント ロジー 汎用 構造物 参照 イベント 87 疾患・解剖学オントロジーともに，共通の概念構造を参照し， それらをコンテキストに応じて特殊化することで， 概念の共通性・コンテキスト依存性を適切に表している
- 89. is-a/part-of関係の同時成立問題(1/2) ◼ スロットの継承・クラス制約の特殊化 ◼ 元のスロットのクラス制約で参照している概念の下位概念で ある必要がある クラス制約の特殊化 クラス制約の特殊化 is-a階層の定義 is-a関係が成立 している必要がある 2011/11/07 第21回WI2研究会@大阪 90
- 90. 「p-全体物」 part-ofに加えて， is-a関係が成立していないとおかしい？ ◼ 疾患定義における「対象部位」の継承・特殊化 「手」や「心臓」という「全体物そのもの」ではなく， 「手/心臓の部品のどれか」といった 「全体物の部品となるもの（概念）」を一般化したものを指す ←is-a－「全体物のすべての部品」 is-a/part-of関係の同時成立問題(2/2) ＝ is-a is-aクラス制約を「全体物」とするか「p-全体物」とする ことで， is-a/part-ofの混同を明確に区別できる 2011/11/07 第21回WI2研究会@大阪 91
- 92. 人体構造の概念定義における part-of関係の多様性問題① ◼ 部分分割の捉え方の多様性 ◼ ある全体物が「どのような部分（部品）から構成されている と捉えるか」に複数の捉え方が存在する． ◼ 例）胃は「１つの腔状構造物から成る」 vs.「胃体部，胃底部，噴門部，幽門部の４つの部分から成る」 ◼ 従来法では，いずれの捉え方を採用するかを１つに定め る必要があった． ◼ 問題提起：複数の部分分割の捉え方を同時に表現すると 共に，それらの関係性を明確に記述したい． １つの 腔状構造物 胃体部 胃底部 噴門部 幽門部 2019/6/5 93
- 93. 人体構造の概念定義における part-of関係の多様性問題② ◼ 構造物の特定領域を指す概念 ◼ 部品性（コンポーネント性）を有さない「特定の領域」 を指した概念化がされている． ◼ 例）胃壁の一部の領域を指して「大弯」，「小弯」などと呼 ばれる． 大弯 小弯 2019/6/5 94
- 94. – 胃壁の一部の領域が小弯，大弯，胃角などと呼ばれる part-of関係の拡張①・② 【別視点で全体物の部分構成を捉えた記述】 通常のpart-of関係で捉えた部分構造の記述 【 p/o-w】 【p/o】 【特定領域に付けられた部分名称が指す構造の記述】 ※部分構造に重複を許さない ※他の部分構造との重複を許す – 胃体部，噴門部，左心房，右心室などの部分・部 品をさす通常のpartを表す 部品的なもの【part】 部品から構成される全体【whole】 – 胃には，胃全体を腔状構造物とした捉え方の他に， ４つの部分（腔状構造物）から構成されるという別 の捉え方がある 部品性を持たない領域の概念化【region】【p/o-r】 ※クラス制約にr-オペレータ「コンポーネント性を持たない 全体物（あるいは部品）の特定領域（部分）を表す」を導入 p/o-wは複数，併 記することも可 2019/6/5 95
- 95. 人体構造の概念定義における part-of関係の多様性問題③ ◼ コンテキスト依存で定義される部分の抽象概念 ◼ コンテキストに依存して定義された複数の部分構造 に共通する性質を抽象化した概念を定義したい （＝部分構造間のis-a関係を定義したい） ◼ 例）心臓（コンテキスト）において，心房を構成する壁状構 造物（心房壁）と心室を構成する壁状構造物（心室壁） を抽象化した「心臓壁」を定義したい． 心房の壁 心室の壁 「心臓の壁」 としての共通 の構造を持つ 2019/6/5 96
- 97. 左右対称な構造物の概念化 ◼ 問題意識 ◼ 解剖学構造には左右対称なものが多い． ◼ それらを適切に概念化するには，どうすればよいか？ ◼ 例 ◼ 「肺」と言ったとき，どの概念を指す？ ◼ 「右肺」と「左肺」を合わせた「全体としての肺」 ◼ 「右肺」と「左肺」を抽象化した「肺」 ◼ 「腕」，「両腕」，「右腕」，「左腕」の関係性は？ ◼ 「5本指（の組）」とそれぞれの「指（親指，人差し指，中 指，薬指，小指）」，それらを抽象化した「指」も対称な 構造として同種の問題 2019/6/5 98
- 99. まとめ ◼ 臨床医学オントロジー構築の基本的な考え方 ◼ トップオントロジーで定義した上位概念を適切に参 照・特殊化することでオントロジーを構築 ◼ 疾患＝異常状態を参照・特殊化 ◼ 解剖学＝汎用構造を参照・特殊化 ◼ 特徴的な概念化の事例 ◼ Is-a/part-ofの同時成立問題 ◼ p-オペレータの導入 ◼ Partの多様性への対応 ◼ Part-of関係の拡張（p/o-W, p/o-r, p/o-gc） ◼ 構造物の左右・対称性の概念化 2019/6/5 100
- 101. 参考資料 ◼ 人工知能学会セマンティックウェブとオントロジー（SWO）研究会 ◼ http://www.sigswo.org/ 研究会資料公開あり ◼ ISWCサーベイ ◼ 分野のトップカンファレンスISWCの発表論文をSWO研究会有志でサーベイし， 日本語スライドにまとめた資料 ◼ ISWC2018サーベイ https://github.com/sigswo/files/raw/master/SIG-SWO-047-ISWC2018- Survey.pdf ◼ ISWC2017サーベイ http://id.nii.ac.jp/1004/00009109/ ◼ ISWC2016サーベイ http://id.nii.ac.jp/1004/00008619/ ◼ 主な関連国際会議 ◼ International Semantic Web Conference (ISWC) http://swsa.semanticweb.org/content/international-semantic-web- conference-iswc ◼ ESWC（Extended Semantic Web Conference） ◼ The Conferences on Formal Ontology in Information Systems （FOIS） ◼ KEOD（International Joint Conference on Knowledge Discovery, Knowledge Engineering and Knowledge Management） http://www.keod.ic3k.org/websites.aspx 2019/6/5 102
- 102. 参考資料：関連ジャーナル オントロジー・ナレッジグラフ関連の発表がある主なジャーナル ◼ Journal of Web Semantics ◼ https://www.journals.elsevier.com/journal-of-web-semantics ◼ Semantic Web Journal ◼ http://www.semantic-web-journal.net/ ◼ Applied Ontology ◼ https://www.iospress.nl/journal/applied-ontology/ ◼ Journal of Biomedical Semantics ◼ https://jbiomedsem.biomedcentral.com/ ◼ 人工知能学会論文誌 ◼ https://www.jstage.jst.go.jp/browse/tjsai/-char/ja/ 2019/6/5 103