Theory-based knowledge acquisition for ontology development

Abstract

This thesis concerns the problem of knowledge acquisition in ontology development. Knowledge acquisition is essential for developing useful ontologies but it is a complex and error-prone task. When capturing specific knowledge about a particular domain of interest, the problem of knowledge acquisition occurs due to linguistic, cognitive, modelling, and methodical difficulties. For overcoming these four difficulties, this research proposes a theory-based knowledge acquisition method. By studying the knowledge base, basic terms and concepts in the areas of ontology, ontology development, and knowledge acquisition are defined. A theoretical analysis of knowledge acquisition identifies linguistic, cognitive, modelling, and methodical difficulties, for which a survey of 15 domain ontologies provides further empirical evidence. A review of existing knowledge acquisition approaches shows their insufficiencies for reducing the problem of knowledge acquisition. As the underpinning example, a description of the domain of transport chains is provided. Correspondingly, a theory in business economics, i.e. the Contingency Approach, is selected. This theory provides the key constructs, relationships, and dependencies that can guide knowledge acquisition in the business domain and, thus, theoretically substantiate knowledge acquisition. Method construction uses an approach from the field of Method Engineering, which defines how to develop a tailored method with respect to specific requirements on method design, functionality, components, and the underlying assumptions. The development of the method for theory-based knowledge acquisition covers the specification of the (method and outcome) metamodel, activity model, outcomes, roles, and techniques. The evaluation comprises two descriptive approaches to demonstrate the proposed method’s utility. First, a criteria-based approach evaluates the method with respect to design-related, functional, and component-related requirements. Second, a scenario-based evaluation applies the method within a scenario from the domain of intermodal transport chains for acquiring knowledge to build a domain ontology. The contribution of this research is a theory-based knowledge acquisition method for ontology development. The application and usefulness of this method is demonstrated for a particular domain (transport chains) and uses a particular theory of business economics (the Contingency Approach).

Diese Arbeit befasst sich mit dem Problem der Wissensakquisition in der Ontologieentwicklung. Die Wissensakquisition ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung nützlicher Ontologien. Sie stellt jedoch eine komplexe und fehleranfällige Aufgabe dar. Bei der Akquisition von spezifischem Wissen über eine bestimmte Domäne tritt das Problem der Wissensakquisition in Form von linguistischen, kognitiven, modellbildenden und methodischen Schwierigkeiten auf. Um diese vier Schwierigkeiten zu überwinden entwickelt diese Arbeit eine Methode für die theorie-basierte Wissensakquisition. Die Untersuchung des Stands der Forschung beginnt mit der Definition der grundlegenden Begriffe und Konzepte aus den Bereichen Ontologien, Ontologieentwicklung und Wissensakquisition sowie der Darlegung dazugehöriger Annahmen. Nachfolgend wird das Problem der Wissensakquisition analysiert und die identifizierten linguistischen, kognitiven, modellbildenden und methodischen Schwierigkeiten charakterisiert. Die Bedeutung dieser Schwierigkeiten wird durch eine empirische Untersuchung von 15 Ontologien für die Domäne Transportlogistik nachgewiesen. Die Offenlegung der Forschungslücke erfolgt durch die Analyse bestehender Ansätze zur Wissensakquisition und deren Bewertung hinsichtlich des Problems der Wissensakquisition. Basierend auf der identifizierten Forschungslücke wird die Theorie-basierte Wissensakquisition für die Ontologieentwicklung als Lösungsansatz vorgeschlagen. Die Erhebung der Anforderungen als Basis der Gestaltung des Lösungsansatzes wird anhand des Beispiels der Domäne der Transportlogistik vorgenommen. Hierfür werden zunächst die charakteristischen Merkmale der Transportlogistik herausgearbeitet. Auf Grundlage dessen erfolgt die Untersuchung betriebswirtschaftlicher Theorien, d.h. von Organisationstheorien, die Modelle mit Wissen über die betrachtete Domäne in Form der zentralen Konstrukte, (Wechsel-)Beziehungen und Abhängigkeiten bereitstellen. Als Ergebnis der Analyse werden der Situative Ansatz und das ihm zugrundeliegende Modell ausgewählt. Dieses Modell dient als Basis für die Ableitung der Anforderungen und ist somit als Fundament der Theorie-basierten Wissensakquisition. Die Gestaltung der Methode zur Theorie-basierten Wissensakquisition beruht auf einem Konstruktionsansatz aus dem Bereich des Method Engineering. Dieser Ansatz erlaubt es, auf bestimmte Zwecke zugeschnitte Methoden entsprechend den Anforderungen und den dazugehörigen Annahmen zu gestalten. Die Definition der Anforderungen umfasst das Design, die Funktionalität und die Komponenten der Methode. Die Spezifikation der Theorie-basierten Wissens-akquisitionsmethode beinhaltet zwei Metamodelle als Grundlage zur Definition der Methode und deren Ergebnissen, ein Aktivitätsmodell zur Festlegung der Aktivitäten, die Definition der Ergebnisse dieser Aktivitäten sowie die zur Ausführung und Unterstützung der Wissensakquisition notwendigen Rollen und Techniken. Zur Evaluation der Nützlichkeit der entwickelten Wissensakquisitionsmethode werden die in Frage kommenden Evaluationsansätze auf Eignung und Anwendbarkeit untersucht. Als Ergebnis werden zwei deskriptive Ansätze – merkmals-basierte und szenario-basierte Evaluation – ausgewählt. Die merkmals-basierte Evaluation erfolgt im Hinblick auf Kriterien der gestaltungsorientierten Wirtschaftsinformatik-Forschung sowie den Anforderungen an das Design, der Funktionalität und Komponenten der Methode. In der szenario-basierten Evaluation wird ein Szenario der intermodalen Transportlogistik definiert, auf welches die Wissensakquisitionsmethode für die Entwicklung der Domänen-Ontologie angewendet wird. Der Beitrag der vorliegenden Arbeit ist eine Methode zur Theorie-basierten Wissens-akquisition für die Ontologieentwicklung mit dem Ziel, das Problem der Wissensakquisition, d.h. den damit einhergehenden linguistischen, kognitiven, modellbildenden und methodischen Schwierigkeiten entgegenzuwirken. Die Gestaltung und Evaluation dieser Methode erfolgt anhand der Domäne Transportlogistik und des Situativen Ansatzes als betriebs-wirtschaftliche Theorie. Die Arbeit zeigt die Nützlichkeit der Verwendung betriebswirtschaftlicher Theorien zur Verbesserung der Wissensakquisition für die Ontologieentwicklung.