Système fondé sur les graphes de connaissances pour la recherche de documents de conception en ingénierie : une approche par raisonnement déductif

Knowledge graph-based system for technical document retrieval : a deductive reasoning-focused exploration

• Auteur / Autrice : Matthias Sesboüé
• Direction : Cecilia Zanni-Merk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 05/09/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, information et ingénierie des systèmes (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de traitement de l'information et des systèmes (Saint-Etienne du Rouvray, Seine-Maritime ; 2006-...)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Lina Fatima Soualmia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cecilia Zanni-Merk, Edlira Vakaj, Cassia Trojahn Dos Santos, Nicolas Delestre, Jean-Philippe Kotowicz, Rossi Setchi, Grégory Zacharewicz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edlira Vakaj, Cassia Trojahn Dos Santos
• DOI : 10.70675/2e1eece2z8ec6z4077z9beez1b998c238a6e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Représentation des connaissances

Représentations de graphes

Ontologies (informatique)

Recherche de l'information

Web sémantique

Ressource Description Framework (informatique)

Mots clés libres

Graphe de connaissances

Technologies du Web sémantique

Knowledge Graph

Ontology

Information Retrieval

OWL (Web Ontology Language)

Semantic Web technologies

Résumé

Ces travaux de recherche industrielle explorent les systèmes fondés sur les graphes de connaissances (KGBS) pour la Recherche d'Informations (RI). Ils ont été menés en partenariat avec l'entreprise TraceParts. Notre cas d'utilisation considère un corpus de documents techniques composé de modèles CAO et de leurs descriptions. Plutôt que d'exploiter les modèles CAO directement, nous nous concentrons sur leurs textes descriptifs. Aujourd'hui, les graphes de connaissances (KG) deviennent omniprésents dans les systèmes d'information et les applications des entreprises. De nombreux domaines de recherche, tels que la RI, ont adopté les KG. Ces artefacts numériques agrègent des données hétérogènes et représentent les connaissances dans un format interprétable par nos ordinateurs. Ce sont des graphes destinés à accumuler et à transmettre les connaissances du monde réel, dont les nœuds représentent des entités d'intérêt et les arêtes les relations entre ces entités. Les projets d'ingénierie et de construction produisent une multitude de documents techniques. Les systèmes de RI sont essentiels pour les industries de ces domaines afin de retrouver efficacement leurs documents. Ces derniers sont complexes, hétérogènes et spécialisés. Bien que ces industries manipulent des documents avec un contenu textuel, ces textes et leurs métadonnées contiennent des concepts et du vocabulaire spécifiques à chaque domaine. Les KG ouverts et les ontologies existantes décrivent des concepts généraux et manquent des connaissances plus fines requises par les applications de RI. Par conséquent, les outils de RI et de gestion des connaissances nécessitent des KG spécifiques à chaque domaine, construits à partir de documents ou étendant des KG existants. Nous explorons tout d'abord les KG, les ontologies et leur relation. Cette revue de littérature nous amène à proposer notre propre définition de KG. Nous considérons les ontologies comme une composante d'un KG et adoptons une perspective fondée sur le Web Sémantique en proposant des technologies issues des normes du Consortium World Wide Web. Nous explorons également la signification théorique et pratique du terme ''sémantique'' avant de poursuivre notre revue de la littérature avec la RI, en mettant l'accent sur la RI fondée sur les KG. Nous mettons en avant des similitudes et distinctions dans les utilisations des KG. Nos contributions introduisent d'abord une architecture pour les KGBS. Cette architecture organise l'acquisition, la modélisation et la consommation des connaissances autour du KG. Nous démontrons que les standards du Web Sémantique fournissent une approche pour chaque composante de notre architecture. Nous utilisons cette dernière pour organiser la présentation de la suite de notre travail. Chacune de nos contributions aborde respectivement l'acquisition, la modélisation et la consommation des connaissances. Pour nos travaux, nous n'avons pas de KG préconstruit ou d'accès à des experts du domaine pour le construire. Par conséquent, nous abordons l'acquisition de connaissances en concevant notre approche d'apprentissage automatique d'ontologies (OLAF). Nous utilisons OLAF pour construire des chaînes de traitements et apprendre automatiquement des ontologies à partir de texte. Nous implémentons notre approche sous forme d'une bibliothèque Python open-source et construisons deux ontologies pour évaluer la pertinence, la facilité d'utilisation et la modularité de notre outil. Nous nous concentrons ensuite sur la modélisation des connaissances, en présentant notre ontologie de RI dont nous démontrons l'utilisation avec un système de RI fondé sur du raisonnement déductif OWL en temps réel. La démonstration de notre ontologie de RI illustre par une implémentation fondée sur le Web Sémantique de notre définition de KG. Enfin, nous mettons en œuvre à échelle industrielle une approche fondée sur les KG avec des données provenant de la plateforme de contenue CAO www.traceparts.com.

These industrial research works explore Knowledge Graph-Based Systems (KGBS) for Information Retrieval (IR). They have been conducted in partnership with the company TraceParts. TraceParts is one of the world's leading Computer-Aided Design (CAD)-content platforms for Engineering, Industrial Equipment, and Machine Design. Hence, our use case considers a technical document corpus composed of Computer-Aided Design (CAD) models and their descriptions. Rather than leveraging the CAD models, we focus on their descriptive texts. Knowledge Graphs (KG) are ubiquitous in today's enterprise information systems and applications. Many academic research fields, such as Information Retrieval (IR), have adopted KGs. These digital knowledge artefacts aggregate heterogeneous data and represent knowledge in a machine-readable format. They are graphs intended to accumulate and convey knowledge of the real world, whose nodes represent entities of interest and whose edges represent relations between these entities. The Architecture Engineering and Construction projects produce a wealth of technical documents. IR systems are critical to these industries to retrieve their complex, heterogeneous, specialised documents quickly. Healthcare is another similar domain with such a need. Though these industries manage documents with some textual content, such text and the metadata contain domain-specific concepts and vocabularies. Open KGs and the existing ontologies often describe concepts that are too high-level and need more fine-grained knowledge required by IR applications. Hence, companies' IR and knowledge management tools require domain-specific KGs built from scratch or extending existing ones. Throughout our literature review, we first explore Knowledge Graphs (KG), ontologies, and how they relate to and derive our unifying KG definition. We consider ontologies one component of a KG and take a Semantic Web perspective, proposing illustrative candidate technologies from the World Wide Web Consortium Semantic Web standards. We also explore the theoretical and practical meaning of the term ''semantics''. We then explore the literature on IR, focusing on KG-based IR. We break down this review section, first exploring the literature on IR using the term ''knowledge graph'' and then the one using the term ''ontology''. We thereby point out some similarities and distinctions in the KG usages. Our contributions first introduce a KGBS architecture relating knowledge acquisition, modelling, and consumption arranged around the KG. We demonstrate that Semantic Web standards provide an approach for each KGBS component. To organise our work, we follow this system architecture; hence, each of our contributions addresses knowledge acquisition, modelling, and consumption, respectively. For our work, we do not have a pre-built KG or access to domain experts to construct it. Hence, we address knowledge acquisition by designing our Ontology Learning Applied Framework (OLAF) collaboratively with some of our research group members. We use OLAF to build pipelines to automatically learn an ontology from text. We implement our framework as an open-source Python library and build two ontologies to assess the OLAF's pertinence, usability, and modularity. We then focus on knowledge modelling, presenting our IR ontology and demonstrating its usage with an OWL reasoning-powered IR system. While most IR systems leverage reasoning in an offline process, our approach explores OWL reasoning at runtime. While demonstrating our IR ontology, we illustrate a Semantic Web-based implementation of our KG definition by pointing out each KG component in our IR ontology demonstration. Finally, we tackle the CAD model retrieval challenge our industrial partner TraceParts faces by implementing a KG-based approach at scale and using real-world data. We illustrate moving from an existing text-based technical document retrieval system to a KG-based one. We leverage real-world TraceParts