In den Lebenswissenschaften haben sich Ontologien in den letzten Jahren auf breiter Front durchgesetzt und sind in vielen Anwendungs- und Analyseszenarien kaum mehr wegzudenken. So etablierten sich nach und nach immer mehr domänenspezifische Ontologien, z.B. Anatomie-Ontologien oder Ontologien zur Beschreibung der Funktionen von Genen oder Proteinen. Da das Wissen in den Lebenswissenschaften sich rapide ändert und weiterentwickelt, müssen die entsprechenden Ontologien ständig angepasst und verändert werden, um einen möglichst aktuellen Wissensstand zu repräsentieren. Nutzer von Ontologien müssen mit dieser Evolution umgehen können, d.h. um \\\\\\\"Up-to-Date\\\\\\\" zu sein, sollten die aktuellsten Versionen einer Ontologie verwendet werden. Dies ist häufig nur schwer umsetzbar, da die Evolution weitreichende Einflüsse auf existierende Datenbestände, Analyseergebnisse oder Anwendungen haben kann. Innerhalb dieser Dissertation stehen Werkzeuge und Algorithmen zum Umgang mit sich ständig ändernden Ontologien im Bereich der Lebenswissenschaften im Mittelpunkt. Zunächst wird ein generelles Framework für quantitative Evolutionsanalysen eingeführt. Das Framework wird für eine umfassende Analyse der Evolution zahlreicher Ontologien der Lebenswissenschaften verwendet. Die Analysen zeigen, dass alle untersuchten Ontologien stetig verändert (angepasst) werden und ein signifikantes Wachstum aufweisen. Auch für auf Ontologien basierte Mappings, d.h. Verknüpfungen zwischen Datenquellen und Ontologien (Annotation-Mapping) sowie zwischen Ontologien selbst (Ontologie-Mapping), liegen starke und häufige Veränderungen vor. Es besteht somit ein Bedarf, die Evolution von Ontologien in den Lebenswissenschaften und deren Konsequenzen zu unterstützen, d.h. Nutzern von sich ständig ändernden Ontologien angemessene Algorithmen/Werkzeuge bereitzustellen. Die Erkenntnisse aus den durchgeführten Analysen bilden die Basis für die nachfolgenden Arbeiten. Eine immer wiederkehrende Aufgabe im Rahmen der Ontologieevolution besteht in der Bestimmung von Änderungen zwischen zwei Versionen einer Ontologie, d.h. worin besteht der Unterschied und wie hat sich die neuere Version aus der alten Version heraus entwickelt. Das Ergebnis, d.h. der Diff (die Differenz) zwischen den beiden Ontologieversionen, bildet die Basis für weitere Aufgaben wie beispielsweise die Anpassung abhängiger Daten. Innerhalb der Arbeit wird ein neuartiger auf Regeln basierter Algorithmus vorgestellt, welcher den Diff zwischen zwei Ontologieversionen bestimmt. Es werden sowohl einfache wie auch komplexe Änderungen erkannt, was eine kompakte, intuitive und verständliche Diff-Repräsentation garantiert. Es wird theoretisch wie praktisch gezeigt, dass ein vollständiger Diff bestimmt wird, was eine korrekte Migration von Ontologieversionen ermöglicht. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Bestimmung änderungsintensiver bzw. stabiler Regionen in einer Ontologie. Dazu wird die Notation von Ontologieregionen und zugehörige Metrikern zur Beurteilung ihrer Änderungsintensität (Stabilität) eingeführt. Ein neuartiger automatisierter Algorithmus erlaubt die Bestimmung (in)stabiler Ontologieregionen auf Basis veröffentlichter Ontologieversionen in einem vorgegebenen Zeitraum. Durch erkannte Änderungen zwischen Ontologieversionen und mit Hilfe der Ontologiestruktur werden änderungsintensive bzw. stabile Ontologieregionen erkannt. Die Evaluierung anhand großer Ontologien der Lebenswissenschaften zeigt, dass der Algorithmus in der Lage ist (in)stabile Ontologieregionen automatisiert zu bestimmen. Abschließend wird das webbasierte System OnEX und dessen Versionierungsansatz präsentiert. OnEX ermöglicht einen benutzerfreundlichen und interaktiven Zugang zu Informationen über die Evolution und Änderungen in Ontologien der Lebenswissenschaften. Nutzer können Ontologien aus ihrem Interessengebiet bzgl. Evolution untersuchen, indem sie beispielsweise Änderungen an einer Ontologieversion einsehen, welche in einer Analyse oder Anwendung genutzt werden soll. Der OnEX zugrunde liegende Versionierungsansatz ermöglicht eine skalierbare und speichereffiziente Versionierung großer Ontologien durch die Nutzung von Zeitstempeln. Mit Hilfe des Ansatzes konnten 16 Ontologien mit ca. 700 Versionen seit 2002 versioniert und Nutzern über OnEX für Evolutionsanalysen zugänglich gemacht werden.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur Entwicklung und Evolution ontologiegetriebener Softwaresysteme erarbeitet. Ontologiegetriebene Softwaresysteme sind Softwaresysteme, bei denen Ontologien als zentrale Designdokumente zum Einsatz kommen. Ontologien sind gleichzeitig zentrale Bestandteile des ausführbaren Systems und dienen zur Strukturbeschreibung und Datenhaltung. Dabei werden Teile des Softwaresystems automatisch aus den Strukturbeschreibungen der Ontologie abgeleitet. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Weiterentwicklung solcher Systeme und stellt dafür einen Katalog von Ontologie-Refactorings auf. Es werden mehrere Werkzeuge, gemeinsam als OntoMore bezeichnet, implementiert, um die Umsetzbarkeit des aufgestellten Konzepts zu zeigen. OntoMore kann Ontologien in Metamodelle und Modelle des EMF umwandeln und somit in Softwaresysteme integrieren. Außerdem ist es in der Lage, Refactorings auf beiden Strukturen synchron auszuführen. Dieser Prozess wird als Co-Refactoring bezeichnet. Damit wird die konsistente Evolution von Ontologien und Modellen sichergestellt. Die Implementierung wird anhand einer Beispiel-Ontologie zum Freelancer-Management evaluiert.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Grundlagen 5 2.1 Modellgetriebene Softwareentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Refactoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 Ontologien und semantische Techniken 11 3.1 Grundlagen semantischer Techniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Ontologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.1 Definition und Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.2 Die Web Ontology Language (OWL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.3 Ontologie-Syntaxen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.4 Beschreibungslogiken, Teilsprachen und Profile . . . . . . . . . . . . . 18 3.2.5 Abfragen mit SPARQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.6 Beispiele für Ontologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Ontologie-Evolution und Versionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.4 Unterschiede zwischen Ontologie-Evolution und Refactoring . . . . . . . . . . . 23 3.5 Zukünftige Entwicklungen – Linked Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4 Eingesetzte Werkzeuge 27 4.1 Verbindung von Ontologien und Modellen mit OntoMoPP . . . . . . . . . . . 27 4.2 Generisches Modell-Refactoring mit Refactory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5 Stand der Forschung 31 5.1 Abbildung von Ontologien auf Domänenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1.1 Einsatz von Ontologien in der Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1.2 Abbildungen zwischen Ontologien und Datenbanken . . . . . . . . . . . 35 5.2 Ontologie-Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2.1 Anforderungen an Ontologie-Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2.2 Elementare und komplexe Änderungsoperationen . . . . . . . . . . . . 38 5.2.3 KAON – Das Karlsruhe Ontology and Semantic Web Framework . . . . 38 5.2.4 Das NeOn-Toolkit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.2.5 Protégé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2.6 Bewertung vorhandener Systeme zur Ontologie-Evolution . . . . . . . . 47 5.3 Co-Evolution von Metamodellen und Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6 Konzept zur Entwicklung und Evolution ontologiegetriebener Softwaresysteme 51 6.1 Gesamtkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.2 OWL-Ecore-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 6.3 Refactorings für OWL und Ecore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.3.1 Definition und Katalog von Ontologie-Refactorings . . . . . . . . . . . 62 6.3.2 Schema eines Ontologie-Refactorings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3.3 Beispiel eines Ontologie-Refactorings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.4 Co-Refactoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.4.1 Definition und Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.4.2 Herleitung und Architekturvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.4.3 Der CoRefactorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7 Praktische Umsetzung 75 7.1 Architektur und eingesetzte Techniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.2 Testgetriebene Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7.3 OWL-Ecore-Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.4 Refactoring mit Refactory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.5 CoRefactorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 8 Evaluation 91 8.1 Die Beispiel-Ontologie: FrOnto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 8.2 Bewertung der Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8.3 Grenzen der Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.4 Grenzen der Konzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 9 Zusammenfassung 101 9.1 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 9.1.1 Das Gesamtkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 9.1.2 Beziehung zwischen Ontologien und Domänenmodellen . . . . . . . . . 101 9.1.3 Konzeption von Refactorings und Co-Refactorings . . . . . . . . . . . . 102 9.1.4 Implementierung von OntoMore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 9.1.5 Evaluation anhand einer Beispiel-Ontologie . . . . . . . . . . . . . . . 103 9.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Anhang i A Weitere Ontologie-Refactorings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i B Auswirkungen von Ontologie-Refactorings bezüglich der Datenmigration . . . . . . i C Die MiniFrOnto vor und nach dem Refactoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii D Refactoring mit der OWL-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Abbildungsverzeichnis vii Tabellenverzeichnis ix Listings xi Abkürzungsverzeichnis xiii Literaturverzeichnis xv / In this thesis an approach is elaborated for the development and evolution of ontology-driven software systems. Ontology-driven software systems are software systems for which ontologies serve as main design documents. Ontologies are furthermore central parts of the running system. They describe the structure of the system and hold data. Parts of the software system are automatically derived from the structure descriptions of the ontology. This work concentrates on the evolution of those systems, thereby defining a catalogue of ontology refactorings. A tool suite called OntoMore is implemented to show the feasibility of the elaborated approach. OntoMore can transform ontologies in metamodels and models of EMF to integrate them in software systems. It can furthermore execute refactorings synchronously on both structures, which is called Co-Refactoring. Hence the consistent evolution of ontologies and models is ensured. The implementation is evaluated with an example ontology about the freelancer domain.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Grundlagen 5 2.1 Modellgetriebene Softwareentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Refactoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 Ontologien und semantische Techniken 11 3.1 Grundlagen semantischer Techniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2 Ontologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.1 Definition und Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.2 Die Web Ontology Language (OWL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2.3 Ontologie-Syntaxen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.4 Beschreibungslogiken, Teilsprachen und Profile . . . . . . . . . . . . . 18 3.2.5 Abfragen mit SPARQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.6 Beispiele für Ontologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Ontologie-Evolution und Versionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.4 Unterschiede zwischen Ontologie-Evolution und Refactoring . . . . . . . . . . . 23 3.5 Zukünftige Entwicklungen – Linked Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4 Eingesetzte Werkzeuge 27 4.1 Verbindung von Ontologien und Modellen mit OntoMoPP . . . . . . . . . . . 27 4.2 Generisches Modell-Refactoring mit Refactory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 5 Stand der Forschung 31 5.1 Abbildung von Ontologien auf Domänenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1.1 Einsatz von Ontologien in der Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.1.2 Abbildungen zwischen Ontologien und Datenbanken . . . . . . . . . . . 35 5.2 Ontologie-Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2.1 Anforderungen an Ontologie-Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 5.2.2 Elementare und komplexe Änderungsoperationen . . . . . . . . . . . . 38 5.2.3 KAON – Das Karlsruhe Ontology and Semantic Web Framework . . . . 38 5.2.4 Das NeOn-Toolkit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.2.5 Protégé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2.6 Bewertung vorhandener Systeme zur Ontologie-Evolution . . . . . . . . 47 5.3 Co-Evolution von Metamodellen und Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6 Konzept zur Entwicklung und Evolution ontologiegetriebener Softwaresysteme 51 6.1 Gesamtkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.2 OWL-Ecore-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 6.3 Refactorings für OWL und Ecore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.3.1 Definition und Katalog von Ontologie-Refactorings . . . . . . . . . . . 62 6.3.2 Schema eines Ontologie-Refactorings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3.3 Beispiel eines Ontologie-Refactorings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.4 Co-Refactoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.4.1 Definition und Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.4.2 Herleitung und Architekturvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.4.3 Der CoRefactorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 7 Praktische Umsetzung 75 7.1 Architektur und eingesetzte Techniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.2 Testgetriebene Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7.3 OWL-Ecore-Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.4 Refactoring mit Refactory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.5 CoRefactorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 8 Evaluation 91 8.1 Die Beispiel-Ontologie: FrOnto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 8.2 Bewertung der Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8.3 Grenzen der Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 8.4 Grenzen der Konzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 9 Zusammenfassung 101 9.1 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 9.1.1 Das Gesamtkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 9.1.2 Beziehung zwischen Ontologien und Domänenmodellen . . . . . . . . . 101 9.1.3 Konzeption von Refactorings und Co-Refactorings . . . . . . . . . . . . 102 9.1.4 Implementierung von OntoMore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 9.1.5 Evaluation anhand einer Beispiel-Ontologie . . . . . . . . . . . . . . . 103 9.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Anhang i A Weitere Ontologie-Refactorings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i B Auswirkungen von Ontologie-Refactorings bezüglich der Datenmigration . . . . . . i C Die MiniFrOnto vor und nach dem Refactoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii D Refactoring mit der OWL-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Abbildungsverzeichnis vii Tabellenverzeichnis ix Listings xi Abkürzungsverzeichnis xiii Literaturverzeichnis xv

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur Entwicklung und Evolution ontologiegetriebener Softwaresysteme erarbeitet. Ontologiegetriebene Softwaresysteme sind Softwaresysteme, bei denen Ontologien als zentrale Designdokumente zum Einsatz kommen. Ontologien sind gleichzeitig zentrale Bestandteile des ausführbaren Systems und dienen zur Strukturbeschreibung und Datenhaltung. Dabei werden Teile des Softwaresystems automatisch aus den Strukturbeschreibungen der Ontologie abgeleitet. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Weiterentwicklung solcher Systeme und stellt dafür einen Katalog von Ontologie-Refactorings auf. Es werden mehrere Werkzeuge, gemeinsam als OntoMore bezeichnet, implementiert, um die Umsetzbarkeit des aufgestellten Konzepts zu zeigen. OntoMore kann Ontologien in Metamodelle und Modelle des EMF umwandeln und somit in Softwaresysteme integrieren. Außerdem ist es in der Lage, Refactorings auf beiden Strukturen synchron auszuführen. Dieser Prozess wird als Co-Refactoring bezeichnet. Damit wird die konsistente Evolution von Ontologien und Modellen sichergestellt. Die Implementierung wird anhand einer Beispiel-Ontologie zum Freelancer-Management evaluiert. / In this thesis an approach is elaborated for the development and evolution of ontology-driven software systems. Ontology-driven software systems are software systems for which ontologies serve as main design documents. Ontologies are furthermore central parts of the running system. They describe the structure of the system and hold data. Parts of the software system are automatically derived from the structure descriptions of the ontology. This work concentrates on the evolution of those systems, thereby defining a catalogue of ontology refactorings. A tool suite called OntoMore is implemented to show the feasibility of the elaborated approach. OntoMore can transform ontologies in metamodels and models of EMF to integrate them in software systems. It can furthermore execute refactorings synchronously on both structures, which is called Co-Refactoring. Hence the consistent evolution of ontologies and models is ensured. The implementation is evaluated with an example ontology about the freelancer domain.