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Bau effizienter und effektiver Metasuchmaschinen

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Präsentation zum Thema: "Bau effizienter und effektiver Metasuchmaschinen"—  Präsentation transkript:

1 Bau effizienter und effektiver Metasuchmaschinen
von Daniel Weichert FU-Berlin WS 03/04

2 Definition „Eine Meta-Suchmaschine ist eine Suchmaschine, deren wesentliches Merkmal darin besteht, dass sie eine Suchanfrage an mehrere andere Suchmaschinen weiterleitet, die Ergebnisse sammelt und aufbereitet…“ (www.net-lexikon.de) Global Interface Search Engine Search Engine Search Engine Daniel Weichert FU-Berlin

3 Übersicht (1) Vorteile von Metasuchmaschinen
Generelle Probleme durch unterschiedliche Suchmaschinen Architektur und Aufbau von MSMs Funktionsweise einzelner MSM-Komponenten Weitere Herausforderungen Daniel Weichert FU-Berlin

4 Vorteile von Metasuchmaschinen
Erreichung höherer Internet-Abdeckung Vorteile der Skalierbarkeit durch Nutzung kleinerer (Spezial-)Suchmaschinen Einfachere Benutzung bei „verstreuten Daten“ Effizienteres Aussortieren nicht relevanter Dokumente Daniel Weichert FU-Berlin

5 Übersicht (2) Vorteile von Metasuchmaschinen
Generelle Probleme durch unterschiedliche Suchmaschinen Architektur und Aufbau von MSMs Funktionsweise einzelner MSM-Komponenten Weitere Herausforderungen Daniel Weichert FU-Berlin

6 Generelle Probleme durch unterschiedliche Suchmaschinen
Indexierungsmethode Dokument-Term-Gewichtung Anfrage-Term-Gewichtung Vergleichs-Funktion Dokument-Datenbank Dokument-Version Unvergleichbarkeit untereinander und proprietäres Unwissen Daniel Weichert FU-Berlin

7 Übersicht (3) Vorteile von Metasuchmaschinen
Generelle Probleme durch unterschiedliche Suchmaschinen Architektur und Aufbau von MSMs Funktionsweise einzelner MSM-Komponenten Weitere Herausforderungen Daniel Weichert FU-Berlin

8 Aufbau einer Metasuchmaschine „Architektur“ (1)
User 1 User Interface 2 Database Selector Search Engine Search Engine Daniel Weichert FU-Berlin

9 Aufbau einer Metasuchmaschine „Database Selector“
Auswahl nur sinnvoller Suchmaschinen bei großer Suchmaschinenzahl bei geringer Anzahl auszugebender Ergebnisse Ressourceneinsparung bei Anfrage-Weiterleitung in MSM-Umgebung bei Anfrage-Auswertung in Komponenten-Suchmaschine durch weniger Netz-Verkehr bei Rückgabe-Auswertung in MSM-Umgebung Daniel Weichert FU-Berlin

10 Aufbau einer Metasuchmaschine „Architektur“ (2)
User 1 User Interface 2 Database Selector 3 3 Document Selector Search Engine Search Engine Daniel Weichert FU-Berlin

11 Aufbau einer Metasuchmaschine „Document Selector“
Auswahl zurückzugebender Dokumente Direkte Beeinflussung der Rückgabe-Anzahl Vergleich gegen einen „Ähnlichkeits-Grenzwert“ Maximale Anzahl sinnvoller Dokumente Minimale Anzahl unnützer Dokumente Durchführung für jede ausgewählte Suchmaschine Daniel Weichert FU-Berlin

12 Aufbau einer Metasuchmaschine „Architektur“ (3)
User 1 User Interface 2 Database Selector 3 3 Document Selector 4 Query Dispatcher 5 5 Search Engine Search Engine Daniel Weichert FU-Berlin

13 Aufbau einer Metasuchmaschine „Query Dispatcher “
Verbindungsaufbau zu Komponenten-Suchmaschinen HTTP-Anfrage-Methode (GET/POST) Suchanfrage-Format Verändern der Suchanfrage (Relative) Gewichtung der Anfrage-Terme Anzahl der zurückzugebenden Dokumente Daniel Weichert FU-Berlin

14 Aufbau einer Metasuchmaschine „Architektur“ (4)
User 1 8 User Interface 2 Database Selector 7 3 3 Document Selector 4 Result Merger Query Dispatcher 6 5 5 Search Engine Search Engine Daniel Weichert FU-Berlin

15 Aufbau einer Metasuchmaschine „Result Merger “
Verschmelzung der Rückgabe-Ergebnisse in sinnvoller Weise EINE Liste mit Ergebnissen Beachtung der Dokument-Rückgabezahl der MSM Bewertung (ranking) auf Basis einer globalen Vergleichsfunktion (gegeben durch MSM) Daniel Weichert FU-Berlin

16 Aufbau einer Metasuchmaschine „Architektur“ (5)
User 1 8 User Interface 2 Database Selector 7 3 3 Document Selector 4 Result Merger Query Dispatcher 6 5 5 Search Engine Search Engine Daniel Weichert FU-Berlin

17 Übersicht (4) Vorteile von Metasuchmaschinen
Generelle Probleme durch unterschiedliche Suchmaschinen Architektur und Aufbau von MSMs Funktionsweise einzelner MSM-Komponenten Weitere Herausforderungen Daniel Weichert FU-Berlin

18 Einzelne MSM-Komponenten „Übersicht“ (1)
Suchmaschinen-Auswahl (database selection) Dokument-Auswahl (document selection) Ergebnis-Verschmelzung (result merging) Daniel Weichert FU-Berlin

19 Einzelne MSM-Komponenten „Database Selection“ (1)
Auswahl nur nützlicher Datenbanken mit Hilfe von einfachen Repräsentanten statistischen Repräsentanten lern-basierten Methoden Daniel Weichert FU-Berlin

20 Database Selection „Einfache Repräsentanten“ (1)
Text-Beschreibung des Datenbank-Inhalts Oftmals manuell erstellt Vergleich Anfrage – Beschreibung Verschiedene Techniken Beschreibung des DB-Inhalts Fachgebiets-Angabe plus Anfrage Restrukturierung der Anfrage Automatisch erstellte Repräsentanten (Bsp.: Termvektoren als Repräsentanten) Daniel Weichert FU-Berlin

21 Database Selection „Einfache Repräsentanten“ (2)
Beispiele: NetSerf topic: country synset: [nation, nationality, land, country, a_people] synset: [state, nation, country, land, common-wealth, res_publica, body_politic] synset: [country, state, land, nation] info-type: facts ALIWEB Template-Type: DOCUMENT Title: Perl URI: /public/perl/perl.html Description: Information on the Perl Programming Language. Includes a local Hypertext Perl Manual, and the latest FAQ in Hypertext. Keywords: perl, perl-faq, language Author-Handle: Daniel Weichert FU-Berlin

22 Database Selection „Einfache Repräsentanten“ (3)
Vorteile Einfache Handhabung Ressourcenschonend Einsetzbar bei hoch spezialisierten Datenbanken Nachteile Datenbank-Beschreibung unzureichend Eventuell Eingriff des Nutzers nötig bei DB-Auswahl Nicht gut einsetzbar bei umfassenden DB Daniel Weichert FU-Berlin

23 Einzelne MSM-Komponenten „Database Selection“ (2)
Auswahl nur nützlicher Datenbanken mit Hilfe von einfachen Repräsentanten statistischen Repräsentanten lern-basierten Methoden Daniel Weichert FU-Berlin

24 Database Selection „Statistische Repräsentanten“ (1)
Nutzung detaillierter Informationen einer KSM über Dokument-Frequenz jedes Terms über Durchschnitts-Gewicht eines Terms über alle Dokumente … Vorteil Hohe Genauigkeit in Bestimmung der Ähnlichkeiten von Dokumenten zu einer Anfrage in einer KSM Nachteil Skalierbarkeit nicht immer optimal Daniel Weichert FU-Berlin

25 Database Selection „Statistische Repräsentanten“ (2)
Methoden Relative KSM-Bewertung Relativer KSM-Ranking-Wert Absolute KSM-Bewertung Unabhängiger Ranking-Wert Schätzung der Anzahl nützlicher Dokumente Schätzung der globalen Ähnlichkeit des der Anfrage am ähnlichsten Dokumentes Daniel Weichert FU-Berlin

26 Statistische Repräsentanten „Ähnlichstes Dokument“ (1)
Definition: Eine Menge von M Datenbanken ist optimal gewichtet [D1, D2, …, DM], wenn es ein k gibt, sodass D1, D2, …, Dk die m ähnlichsten Dokumente beinhalten und jede Di (1<= i <= k) mindestens eines der m Dokumente enthält. Bedingung: msim(q, D1) > msim(q, D2) > … msim(q, Di) = Globaler Vergleichswert des der Anfrage ähnlichsten Dokumentes Auswahl der ersten k KSMs Daniel Weichert FU-Berlin

27 Statistische Repräsentanten „Ähnlichstes Dokument“ (2)
Bestimmung von msim(q, D): Zwei Repräsentanten Global: Globales inverses Dokument-Frequenz-Gewicht gidfi für jeden Term ti Lokal: Wertepaar (mnwi, anwi) mit mnwi = Maximales normalisiertes Gewicht von ti anwi = Durchschnittliches normalisiertes Gewicht von ti Normalisiertes Gewicht = di / |d| di = Gewicht von Term ti in Dokument d |d| = Länge von Dokument d Daniel Weichert FU-Berlin

28 Statistische Repräsentanten „Ähnlichstes Dokument“ (3)
Anfrage-Vektor q = (q1, q2, …, qk) msim(q, D) = Links: Anfrage-ähnlichstes Dokument hat Maximumgewicht des i-ten Anfrage-Terms / |q|: Normalisierung von msim Sortierung der KSMs nach msim(q, D) Daniel Weichert FU-Berlin

29 Statistische Repräsentanten „Ähnlichstes Dokument“ (4)
Einfache Anpassung bei Wort-zusammenhängen Maximales normalisiertes Gewicht dominiert üblicherweise um 2 oder mehr Ordnungen wegen Einberechnungen der Null-Werte im durchschnittlichen Gewicht Einschränkung der Formel für msim(q, D) auf msim(q, D) = max1<=i<=k {qi * ami} mit ami = gidfi * mnwi [Angepasstes normalisiertes Gewicht] Daniel Weichert FU-Berlin

30 Einzelne MSM-Komponenten „Database Selection“ (3)
Auswahl nur nützlicher Datenbanken mit Hilfe von einfachen Repräsentanten statistischen Repräsentanten lern-basierten Methoden Daniel Weichert FU-Berlin

31 Database Selection „Lern-basierte Methoden“
Nutzenbestimmung einer Datenbank durch Erfahrungswerte Verschiedene Techniken Statisches Lernen MRDD (modeling relevant document distribution) Dynamisches Lernen Ranking-Wert-Bestimmung u.a. durch „Maus-Klicks“ Kombination aus statischem und dynamischem Lernen Daniel Weichert FU-Berlin

32 Statisches Lernen „MRDD“ (1)
Bilden einer Menge von Trainings-Anfragen Weiterleitung der T-Anfragen an alle KSM Bilden eines Verteilungs-Vektors aus relevanten Dokumenten pro T-Anfrage und KSM Identifikation der relevanten Dokumente aus Rückgabeliste Aufbau: Pro VV-Dimension Anzahl zu holender Dokumente für nächstes relevantes Dokument Daniel Weichert FU-Berlin

33 Statisches Lernen „MRDD“ (2)
Vergleich Benutzer-Anfrage/Trainings-Anfragen Bestimmung der k ähnlichsten T-Anfragen Pro KSM Errechnung eines Durchschnitts-Verteilungs-Vektors der k T-Anfragen Nutzung dieser Durchschnittsvektoren zur KSM-Auswahl mit Blick auf Precision-Maximierung Daniel Weichert FU-Berlin

34 Statisches Lernen „MRDD“ (3)
Beispiel (Aufbau eines Verteilungsvektors): Für T-Anfrage wurden 100 Dokumente in KSM gefunden (d1, d2, …, d100) [in dieser Reihenfolge] Relevante Dokumente: d1, d6, d20, d88 Verteilungsvektor: {1, 6, 20, 88} Daniel Weichert FU-Berlin

35 Statisches Lernen „MRDD“ (4)
Beispiel-Fortsetzung (KSM-Auswahl): Durchschnitts-Vektoren: D1: {1, 4, 6, 7, 10, 12, 17} D2: {3, 5, 7, 9, 15, 20} D3: {2, 3, 6, 9, 11, 16} Anzahl auszugebender Dokumente: m = 3 Dokumentzahl pro KSM: m1 = 1; m3 = 3 => Precision = 0,75 KSM-Auswahl: D1, D3 Daniel Weichert FU-Berlin

36 Suchmaschinen-Auswahl „Zusammenfassung“
Einfache Repräsentanten Statistische Repräsentanten „Ähnlichstes Dokument“ Lern-basierte Methoden MRDD Daniel Weichert FU-Berlin

37 Einzelne MSM-Komponenten „Übersicht“ (2)
Suchmaschinen-Auswahl (database selection) Dokument-Auswahl (document selection) Ergebnis-Verschmelzung (result merging) Daniel Weichert FU-Berlin

38 Einzelne MSM-Komponenten „Document Selection“
Einschränkung der Ergebnis-Dokumenten-Anzahl Entscheidung durch Benutzer (Datenbank-)Gewichtete Auswahl Lern-basierte Methoden Garantierte Rückgabe (guaranteed retrieval) Daniel Weichert FU-Berlin

39 Document Selection „Benutzer-Entscheidung“
Benutzer-Entscheidung über Maximalanzahl der Rückgabe-Dokumente pro KSM Vorteil Einfachst-Implementierung Nachteile Nur bei kleiner KSM-Zahl und großem Wissen über selbige günstig Uneffektiv, wenn Dokument-Anzahl pauschal angegeben (pro KSM Dokumente) Daniel Weichert FU-Berlin

40 Document Selection „Gewichtete Auswahl“
Mehr Dokumente von gewichtigeren (nach ‚database selection‘) KSM Basierend auf ‚ranking score‘ oder ‚db rank‘ Vorteile Einfache Implementierung Vernünftige Grundlage Nachteil Möglicherweise zu wenig nützliche Dokumente Daniel Weichert FU-Berlin

41 Document Selection „Lern-basierte Methoden“
Rückblick auf Retrieval-Erfahrungen MRDD (modeling relevant document distribution) QC (query clustering) Daniel Weichert FU-Berlin

42 Document Selection „Lern-basiertes Query Clustering“ (1)
Trainingsphase mit „Übungs-Anfragen“ Clustering dieser Anfragen innerhalb jeder KSM Anfragen Rückgabe-Dokumente Cluster T-Anfrage 1 Dokument A, Dokument C, Dokument D T-Anfrage 1 T-Anfrage 2 T-Anfrage 2 Dokument B, Dokument C, Dokument D T-Anfrage 3 Dokument E, Dokument F, Dokument G T-Anfrage 3 T-Anfrage 5 T-Anfrage 4 Dokument E, Dokument H, Dokument I T-Anfrage 4 T-Anfrage 5 T-Anfrage 5 Dokument E, Dokument F, Dokument I Daniel Weichert FU-Berlin

43 Document Selection „Lern-basiertes Query Clustering“ (2)
Bilden des Durchschnittsvektors (centroid) der Anfrage-Vektoren pro Cluster Gewichtung der Cluster auf Basis der Durchschnitts-Anzahl der relevanten Dokumente aus den besten T ausgegebenen Dokumenten Clustergewicht ~ ‚Precision‘ der Anfragen innerhalb des Clusters Daniel Weichert FU-Berlin

44 Document Selection „Lern-basiertes Query Clustering“ (3)
Wahl des Clusters pro KSM nach Ähnlichkeit mit Benutzer-Anfrage m.H. des ‚centroid‘ Nutzung aller ausgewählten Cluster-Gewichtungen zur Dokument-Auswahl Dokumentanzahl aus KSM Di = m = Gesamtzahl zurückzugebender Dokumente wi = Gewicht des Anfrage-Clusters von Di N = Anzahl der KSMs Daniel Weichert FU-Berlin

45 Document Selection „Lern-basiertes Query Clustering“ (4)
Vorteile Gute Ergebnisse bei großer Ähnlichkeit von Trainings- und Benutzer-Anfragen Nachteile Schlechte Anpassungsfähigkeit des Verfahrens Schwierige Auswahl der Trainings-Anfragen Großer Zeitaufwand beim Filtern der relevanten Dokumente bei hoher Zahl von Trainings-Anfragen Daniel Weichert FU-Berlin

46 Document Selection „Garantierte Rückgabe“
Mitbetrachtung der globalen Vergleichsfunktionen Umgehung von KSM-Unterschiedlichkeits-Problemen Effektivitäts-Steigerung bei Filterung nützlicher und unnützer Dokumente Ziel: Rückgabe aller nützlichen bei Minimierung von nutzlosen Dokumenten Methoden Anfrage-Modifikation Berechnung des kleinsten lokalen Grenzwertes Daniel Weichert FU-Berlin

47 Garantierte Rückgabe „Anfrage-Modifikation“
Veränderung der Anfrage vor Weiterleitung an KSM Ziel: Rückgabe der KSM-Dokumente in Reihenfolge der globalen Ähnlichkeiten Nachteile Nicht jede Kombination von lokalen und globalen Vergleichs-Funktionen möglich Wissen über Vergleichs-Funktion und Term-Gewichtungs-Formel nötig Daniel Weichert FU-Berlin

48 Garantierte Rückgabe „Kleinster lokaler Grenzwert“
Finden eines Ähnlichkeits-Grenzwertes pro KSM, bei dem alle relevanten Dokumente ausgegeben werden keine unnützen Dokumente zurückgegeben werden Nachteile Lösungsfindung für jedes Globale-Lokale-Vergleichsfunktions-Paar einzeln Lösung existiert nicht immer Daniel Weichert FU-Berlin

49 Dokument-Auswahl „Zusammenfassung“
Benutzer-Entscheidung Gewichtete Auswahl Lern-basierte Methoden Query Clustering Garantierte Rückgabe Daniel Weichert FU-Berlin

50 Einzelne MSM-Komponenten „Übersicht“ (3)
Suchmaschinen-Auswahl (database selection) Dokumenten-Auswahl (document selection) Ergebnis-Verschmelzung (result merging) Daniel Weichert FU-Berlin

51 Einzelne MSM-Komponenten „Result Merging“ (1)
Verschmelzung der Such-Ergebnisse in eine Liste mit Bewertungen nach globaler Ähnlichkeit Schwierigkeiten KSM-Ranking mit eigener Vergleichsfunktion Ähnlichkeitswert nicht unbedingt öffentlich Mehrfache Rückgabe von Dokumenten Daniel Weichert FU-Berlin

52 Einzelne MSM-Komponenten „Result Merging“ (2)
Lokale Ähnlichkeits-Anpassung Nutzung zusätzlicher Informationen (KSM-Bewertung o.ä.) Umwandlung von Dokument-Rang in Vergleichswert Globale Ähnlichkeits-Schätzung Berechnung oder Schätzung globaler Vergleichswerte von Dokumenten Daniel Weichert FU-Berlin

53 Result Merging „Local Similarity Adjustment“ (1)
Überlappungs-Möglichkeiten Keine Überlappungen -> KSMs paarweise disjunkt Überlappungen, aber KSMs nicht identisch KSMs sind identisch ‚Data Fusion‘ – Nutzung verschiedener Ranking-Methoden für höhere Rückgabe-Effektivität Ergebnis-Findung durch Anwendung einfacher Funktionen (max, Summe, …) Tritt nicht in MSMs auf Daniel Weichert FU-Berlin

54 Result Merging „Local Similarity Adjustment“ (2)
Einfach bei gegebenen lokalen Vergleichswerten Normalisierung der Vergleichswerte (0 < s <= 1) Bsp.: sd = Lokaler Vergleichswert von Dokument d wD = Ranking-Wert von KSM D Daniel Weichert FU-Berlin

55 Result Merging „Local Similarity Adjustment“ (3)
Nutzung des Dokument-Ranges ohne lokalen Vergleichswert Direkte Nutzung des Dokument-Ranges Umwandlung von Dokument-Rängen in Vergleichswerte Daniel Weichert FU-Berlin

56 Result Merging „Local Similarity Adjustment“ (4)
Direkte Nutzung des Dokument-Ranges Reihum nächst bestes Dokument der nächst besten KSM in Liste einfügen „Zufällige“ Auswahl (MRDD KSM-Auswahl) Umwandlung von Dokument-Rängen r = Lokaler Dokument-Rang ri = Ranking-Wert von KSM Di rmin = Niedrigster KSM-Ranking-Wert m = Anzahl aller auszugebender Dokumente Daniel Weichert FU-Berlin

57 Result Merging „Local Similarity Adjustment“ (5)
Problem: Vorhandensein eines Dokumentes in mehreren KSMs Lösungen Durchführung von LSA-Verfahren danach Ergebnis-Behandlung wie in Pro-Fusion Nicht unbedingt sinnvoll bei MSM KSM sieht Dokument nicht als sinnvoll an Dokument eventuell in KSM nicht vorhanden Forschungsgebiet Daniel Weichert FU-Berlin

58 Result Merging „Global Similarity Estimation“
Berechnung oder Schätzung von globalen Vergleichswerten Dokument-Download (document fetching) Nutzen von „gefundenem Wissen“ Herausfinden von Indizierungs-Methode und Vergleichs-Funktion möglich Wissen über Vergleichbarkeit von Vergleichsfunktionen, Anpassungs-Möglichkeiten von Vergleichsfunktionen, Bewertung von lokalen Vergleichsfunktionen in Hinblick auf die globalen Daniel Weichert FU-Berlin

59 Global Similarity Estimation „Document Fetching“ (1)
Dokument wird normalerweise nicht „mitgeliefert“ URL höchstens eine Zusammenfassung Download der KSM-Dokumente Errechnung sämtlicher globaler Vergleichs-Funktionsparameter möglich (Kosinus-Funktion) Globale Dokument-Frequenz ist Summe aller lokalen Dokument-Frequenzen (bei wenig Überlappung) Daniel Weichert FU-Berlin

60 Global Similarity Estimation „Document Fetching“ (2)
Vorteile Herausfiltern von nicht erreichbaren URLs Ranking auf Basis aktueller Dokumente Markierung der Suchwörter möglich Nachteile Zeit- und Ressourcenaufwendig Viele Dokumente (aber paralleles Downloaden) Große Dokumente (aber nur Download des Dokumentanfangs) Daniel Weichert FU-Berlin

61 Ergebnis-Verschmelzung „Zusammenfassung“
Lokale Vergleichswert-Anpassung Globale Vergleichswert-Schätzung Daniel Weichert FU-Berlin

62 Übersicht Vorteile von Metasuchmaschinen
Generelle Probleme durch unterschiedliche Suchmaschinen Architektur und Aufbau von MSMs Funktionsweise einzelner MSM-Komponenten Weitere Herausforderungen Daniel Weichert FU-Berlin

63 Weitere Herausforderungen (1)
Integration lokaler Systeme mit verschiedenen Indexierungsmethoden Integration lokaler Systeme mit verschiedenen Anfrage-Mustern Informationsfindung zu Komponenten-Suchmaschinen Effektivere Ergebnis-Verschmelzung Zusammenarbeit von MSM und Komponenten-Suchmaschinen Daniel Weichert FU-Berlin

64 Weitere Herausforderungen (2)
Neue Indexierungs- und Gewichtungsmethoden Verbesserung der Effektivität der Metasuche Verteilung der MSM-Komponenten Standard-Fälle für Tests von „database selection“, „document selection“ und „result merging“ Daniel Weichert FU-Berlin

65 Zusammenfassung Aufbau einer Metasuchmaschine MSM-Bauteil-Funktionen
Database Selector Document Selector Result Merger Daniel Weichert FU-Berlin

66 Quellenangaben Weiyi Meng, Clement Yu, King-Lup Liu “Building efficient and effective metasearch engines” (ACM Computing Surveys, Volume 34 Issue 1. March 2002) Daniel Weichert FU-Berlin


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