Ontologias

1
Ontologias

• Prof. Fred Freitas
• CIn - UFPE

2
Objetivo Situar o contexto em que surgiram as
ontologias e a Web semântica

• Dentro da Informática
• A controvérsia declarativo-procedimental
• Porque as ontologias ganharam foco com a Web
• Web Semântica
• Dentro de Inteligência Artificial Simbólica
• Histórico do paradigma declarativo
• Formalismos de representação de conhecimento
• Motivações de reuso e compartilhamento de
  conhecimento
• Integração de conhecimento escrito em formalismos
  de representação diferentes

3
Objetivo Estudar as questões mais técnicas
relativas a Ontologias

• Tipos, exemplos e benefícios de Ontologias
• Ferramentas para as ontologias e a Web semântica
• Ontolingua, Protégé, OntoEdit e ODE
• Engenharia de Ontologias
• Aplicações de Ontologias
• PACT e MASTER-Web
• Tópicos Abertos de Pesquisa

4
O que é uma ontologia?
5
Ontologias

• Corpo de conhecimento declarativo sobre um dado
  domínio, assunto ou área de conhecimento
• Na prática, hierarquias de conceitos (classes)
  com suas relações, restrições, axiomas e
  terminologia associada
• Termo às vezes mal-empregado. Ontologias não são
• Simples hierarquias
• Conjuntos de conceitos associados a
  palavras-chave
• Esquemas de bancos de dados

6
Relacionamentos na Ontologia Ciência
7
Axiomas

• Axiomas são sentenças sempre válidas no domínio
• Servem para inferência e restrições complexas
  Ex Todo empregado tem um ID único

(forall ?person1 (forall ?person2 (gt (and
(own-slot-not-null ID ?person1) (own-slot-not
-null ID ?person2)) (gt (not ( ?person1
?person2)) (not ( (ID ?person1) (ID
?person2))))))
8
Usos de ontologias

• Realizar inferência
• Servir como vocabulário compartilhado numa
  comunicação entre agentes inteligentes
• Codificar conhecimento interoperável
• entre linguagens (F-logic, Prolog, Jess)
• entre formalismos de representação de
  conhecimento (frames, redes semânticas, lógica de
  descrições)
• Definir páginas da Web semântica

9
Contexto das Ontologias em Informática
10
Controvérsia Declarativo-Procedimental

• Abordagem procedimental
• Descreve o funcionamento de processos
  passo-a-passo
• Código compilado, mais rápido, simples,
  controlável e popular
• Metáfora do como
• Abordagem declarativa
• Descreve um domínio com suas entidades e
  características, através de fatos declarativos
  que não estão dentro dos programas
• Motores de inferência deduzem novos fatos a
  partir dos existentes
• Metáfora do o quê

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Nova conjuntura para a controvérsia a Internet

• Grande volume de informações desestruturadas
• HTTP e HTML asseguram apenas navegação e
  apresentação
• Solução procedimental Engenhos de busca
• Análise apenas em nível léxico
• Falta de precisão e muitos resultados
  irrelevantes,
• Principais ausências
• Falta de contexto
• Falta de semântica na definição das páginas

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Soluções possíveis para o tratamento de
informação na Web

• Dotar os sistemas de inteligência
• Agentes inteligentes
• Manipulação cooperativa de informação Oates et
  al 94 distribuição, cooperação e comunicação
  sobre a semântica das páginas
• Restrição de domínios
• Dotar a Internet de inteligência a Web Semântica
• Linguagens e padrões para definir páginas com uma
  semântica clara e definida formalmente
• Os agentes poderão raciocinar e conversar no
  contexto desta semântica
• gt Ontologias desempenham um papel fundamental em
  ambas as soluções!

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Contexto das Ontologias em Inteligência
Artificial Simbólica
14
Sistemas Baseados em Conhecimento

• Criar sistemas diretamente a partir do
  conhecimento
• Separação entre o conhecimento e o processo
  dedutivo ou inferência
• Conhecimento sobre o domínio e sobre processos
  são dados (fatos), que podem ficar fora do
  programa
• A concepção passa por 3 especificações
  consecutivas
• O nível de conhecimento ou epistemológico
• O nível lógico
• O nível de implementação

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Formalismos de Representação de Conhecimento

• Prover teorias - fundamentadas em lógica
  matemática - e sistemas para expressar e
  manipular conhecimento declarativo de forma
  tratável e eficiente computacionalmente
• Um formalismo deve prover
• Acesso aos fatos (conhecimento)
• Mecanismo de inferência (ou estratégia de
  resolução)
• Estratégias de controle e escalonamento da
  inferência

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Tipos de formalismos em relação ao foco

• Formalismos orientados a predicados regras de
  produção (vide aula prática) e programação em
  lógica
• Pioneiros
• Foco no processo, funcionamento
• Formalismos orientados a domínios frames, redes
  semânticas, lógica de descrições
• Classes, relações e restrições
• Facilitam a estruturação de conhecimento sobre um
  domínio de aplicação

17
Formalismos orientados a domínios
18
Redes Semânticas

• Proposta por Quillian 68 a partir da modelagem
  da memória semântica humana
• Nós (objetos) conectados por arcos (relações
  binárias)
• Arcos típicos é-um (is-a), é-parte
• Muito utilizadas em Processamento de Linguagem
  Natural
• Ontologias linguísticas (Ex WordNet)

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Redes Semânticas
X pessoa ( nome gt id ( primeiro gt string,
último gt Y string ), Cônjuge gt pessoa (
nome gt id ( último gt Y),Cônjuge gt X))
20
Exemplo de ontologias em redes semânticas
faz
Comer
Animal
Ako
Ako
tem
Pássaro
Mamífero
Pêlos
Ako
Cão
Is-a (instanciação)
Fido
21
Problemas de redes semânticas

• Muitos nós para representar pouca coisa
• Muita repetição de nós
• Não há distinção entre classes e objetos
• Não podemos falar sobre as relações
• Dizer por exemplo que é de 11 ou 1n
• A não ser reificando-as ...
• ...

22
Frames (Quadros)

• Base modelos mentais de psicologia cognitiva
  usados na resolução de problemas Bartlett 32
• Esquemas estruturas de conhecimento
  (estereótipos) armazenadas na memória duradoura,
  baseadas em experiências passadas, a serem
  adaptadas
• Proposta por M. Minsky 75
• Precursores declarativos dos objetos
  procedimentais

23
Animais
Frames
Vivo V
Voa F
Subconjunto
Subconjunto
Figueira 98
Pássaros
Mamíferos
Pernas 2
Pernas 4
Voa V
Subconjunto
Subconjunto
Subconjunto
Canários
Gatos
Humanos
Pernas 2
Cor Amarelo
Membro
Membro
Membro
Piu-piu
Frajola
Fred
Nome Piu-piu
Nome Frajola
Nome Fred
Amigo
Amigo
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Expressividade dos Frames

• Classes
• Herança múltipla
• Instâncias
• Atributos (slots)
• Slots podem ser instâncias de outras classes
  (relações)
• Slots inversos
• Ex Slot Orientados da classe Professor é
  inverso do slot Orientador da classe Aluno
• Ao preencher um o outro é preenchido
  automaticamente
• Facetas
• Restrições sobre os slots
• Inferência por meio de herança e restrições

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Definindo classes e instâncias
(defclass City "Cities are part of countries or
states." (is-a Location) (multislot
is-Part-Of (type INSTANCE) (allowed-classes
Country State) (inverse-slot
has-Parts) (cardinality 1 ?VARIABLE)) (single-s
lot name (type STRING) (cardinality 1
1))) (Locations_00427 of City (is-Part-Of
WA) (name "Washington"))
26
Facetas mais comuns em sistemas de Frames

• Valor default
• Valores permitidos (allowed-values)
• Domínio
• Ex 1..100
• Cardinalidade máxima e mínima
• Tipo inteiro, string, booleano, float, símbolo,
  instância
• Classes permitidas (allowed-classes) válida
  apenas para slots do tipo instância

27
Frames x Objetos procedimentais
Farquhar 97

• Semelhança apenas aparente
• Frames modelam aspectos de um domínio real
• Objetos e suas classes visam modelar estruturas
  de dados e reusar código
• Às vezes frames e objetos se parecem
• Às vezes objetos violam o engajamento ontológico
• Class circulo int x,y int altura
• Class elipse extends circulo
• int largura

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Frames x Objetos procedimentais (cont.)

• Também não é necessária em frames a inclusão de
  detalhes de implementação, como tamanho de
  strings, etc
• Frames não possuem métodos nem information
  hiding, desnecessária para a declaratividade
• Objetos não possuem facetas
• Frames têm sua parte procedimental
• Daemons procedimentos executados quando um valor
  é lido, incluído ou modificado num slot

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Regra e frames

• Frames e regras podem ser combinados
• CLIPS, para ganhar expressividade, inclui uma
  linguagem interna (COOL C Object-Oriented
  Language) para definir e manipular frames
• Regras CLIPS referenciam estes frames

(defrule x (object (is-a City) (is-Part-Of nil)
(name ?a)) gt (printout t Specify a state for
?a crlf))
30
Lógica de Descrições

• Também chamada de Lógica Terminológica Brachman
  Schmolze 85
• Definição de conceitos por meio de descrições,
  fornecendo nativamente atributos bastante
  expressivos
• Herança Múltipla
• (PRIMITIVE (AND CAR EXPENSIVE-THING) sports-car)
• Instâncias do conceito carro esporte (sports-car)
  herdam as descrições de CAR e EXPENSIVE-THING
• Papéis
• (FILLS thing-driven Corvette)
• Um Corvette desempenha o papel de algo dirigível

31
Lógica de Descrições (cont.)

• Restrição de valores
• (ALL thing-driven CAR),
• Tudo que é dirigível dentro deste domínio é da
  classe CAR
• Restrição de limites
• (AT-LEAST 3 wheel)
• Descrevendo qualquer objeto relacionado a 3
  outros objetos distintos que desempenham o
  papel de roda (wheel)
• Co-referência
• (SAME-AS (driver) (insurance-payer))
• Todos os indivíduos que atuam como motoristas
  (driver) o papel de segurados (insurance-payer)

32
Análise Problemas de SBCs
33
Porque SBCs não se tornaram populares?

• Não muito usados por razoes técnicas históricas
• Programar procedimentalmente é mais fácil,
  rápido, simples e controlável
• Eficiência funcionamento diretamente no código
• Fácil funcionamento despreocupação com
  contextos
• O programador mantém o fluxo de controle

34
Problema Dificuldades de reuso

• Formalismos diferentes não facilitam o reuso
• Reuso é imperativo
• BCs são a parte mais cara de um SBC
• Como ter reuso no nível de conhecimento?
• Como abstrair formalismos?

35
Problemas de reuso Interoperabilidade

• Necessidade de reuso em domínios com grande
  número de conceitos e relações (ex medicina)
• Falta de interoperabilidade entre formalismos,
  mesmo entre os orientados a domínio
• Formalismo diferentes, porém certa similaridade
  expressiva
• Solução visando reuso em nível de conhecimento
  Ontologias!

36
Ontologias
37
Motivações de Ontologias

• Permitir reuso entre formalismos de representação
  diferentes
• Servir como vocabulário compartilhado de
  comunicação entre agentes
• Unidade básica de representação Frames (sem
  daemons)
• Define um domínio, visando maximizar o reuso
  destas definições
• Idealmente não deve refletir nenhum formalismo
• Materialização do nível de conhecimento

38
Ontologias

• Termo oriundo da filosofia
• Ramo da filosofia que lida com a natureza e
  organização da realidade
• Categorias de Aristóteles taxonomia para os
  objetos do mundo
• Kant, Peirce, Whitehead, Heidegger, Wittgenstein,
  ...
• Em informática e inteligência artificial, ganha
  um senso mais prático
• Organização de conhecimento manipulável

39
Definições de ontologia

• Ontologia Especificação de uma conceitualização
  Gruber 91
• Hierarquia de conceitos (classes) com suas
  relações, restrições, axiomas e terminologia
  associada

Huhns Singh 97
40
Definições de ontologia (cont.)

• Uma ontologia é uma especificação explícita e
  formal de uma conceitualização compartilhada
  Studer et al 98
• Especificação explícita definições declarativas
  de conceitos, instâncias, relações, restrições e
  axiomas
• Formal declarativamente definida, sendo
  compreensível e manipulável para agentes e
  sistemas
• Conceitualização modelo abstrato de uma área de
  conhecimento ou de um universo limitado de
  discurso
• Compartilhada conhecimento consensual, seja uma
  terminologia comum da área modelada, ou acordada
  entre os desenvolvedores dos agentes que se
  comunicam

41
Tipos de ontologias quanto ao grau de
genericidade

• adaptado de Gómez-Perez 99

42
Ontologias de Representação

• Definem as primitivas de representação - como
  frames, axiomas, atributos e outros de forma
  declarativa
• Tenta abstrair os formalismos de representação
• Ex Frame-Ontology da Ontolingua
• Classes Relação, partição, argumento, axioma, etc

43
Definição de partição na Frame-Ontology
(defrelation Class-Partition
(?set-of-classes)
(and (gt (and
(Member_at_HpkbKif-Sets ?c1 ?set-of-classes)
(Member_at_HpkbKif-Sets ?c2
?set-of-classes) (not ( ?c1 ?c2)))
(Disjoint_at_HpkbKif-Sets ?c1 ?c2))
(gt (Member_at_HpkbKif-Sets ?c
?set-of-classes)
(Class_at_Okbc-Ontology ?c))
(Set_at_HpkbKif-Sets ?set-of-classes)))
44
Ontologias Gerais (ou de topo)

• Trazem definições abstratas necessárias para a
  compreensão de aspectos do mundo, como tempo,
  processos, papéis, espaço, seres, coisas, etc.

Sowa 99
45
Ontologias centrais ou genéricas de domínio (core
ontologies)

• Definem os ramos de estudo de uma área e/ou
  conceitos mais genéricos e abstratos desta área
• Serve de base para a construção de ontologias de
  ramos mais específicos de um domínio
• Ex a ontologia central de direito Valente
  Breuker 96
• Conhecimentos meta-legal, definicional, causal,
  normativo, de responsabilidade, reativos,
  criativo, de agências legais, reação legal,
  comportamentos permitidos, etc
• Servirá para criar ontologias de direito
  tributário, de família e outras

46
Ontologias de domínio e de aplicação

• Ontologias de domínio tratam de um domínio mais
  específico de uma área genérica de conhecimento,
  como direito tributário, microbiologia, etc
• Ontologias de aplicação procuram solucionar um
  problema específico de um domínio
• Referenciam termos de uma ontologia de domínio
• Ex Ontologia para identificar doenças do
  coração, a partir de uma ontologia de domínio de
  cardiologia
• Classificação quanto ao teor ontologias de
  tarefas e de domínio

47
Benefícios e Ferramentas de Ontologias
48
Benefícios das Ontologias

• Reuso massivo de conhecimento
• Incorporação de conhecimento é facilitada,
  inclusive de linguagem natural
• Facilidades de acesso a conhecimento
• Via browser
• Servidores
• Interoperabilidade entre formalismos
• Tradução
• Mapeamento
• Comunicação em nível de conhecimento

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Knowledge Sharing Effort (KSE)

• O KSE produziu inicialmente quatro ferramentas
• Ambiente de edição, manipulação e acesso de
  ontologias Ontolingua
• Tradução Linguagem KIF
• Comunicação entre agentes Linguagem KQML
• Conectividade/ Interoperabilidade OKBC

50
Editor da Ontolingua
Fikes 98
51
Tradução na Ontolingua

• Tradução intermediária para a interlingua KIF
  (Knowledge Interchange Format)
• No. de tradutores cai de (n-1)² para 2n
• KIF foi feita para ser usada com a Frame-Ontology

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Usos da Ontolingua
Colaboradores remotos Escritores
Leitores
Servidor / Editor de Ontologias
HTTP
Editor
Aplicações remotas
Aplic.
NGFP
NGFP
GUI
Servidor
Bibl
DB
Tradutores LOOM,IDL,CLIPS...
Aplicações stand-alone
Aplic.
KQML
Transferência de arquivos (Batch)
BC
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Ontologias disponíveis na Ontolingua

• Normalmente mantidas por grupos de pesquisa
• Metadados de imagens de satélites
• Metadados para integração de bases de dados de
  genoma
• Catálogos de produtos
• Osciloscópios
• Robótica

• Semicondutores
• Modelagem de sólidos
• Matemática
• Engenharia
• Drogas
• Terminologia medica
• Padrão IEEE para interconexões entre ferramentas

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KQML Comunicação entre Agentes Cognitivos

• Introduziu o modelo de Comunicação em Nível de
  Conhecimento ou peer-to-peer
• Modelo baseado na Teoria dos Atos de Fala Austin
  62, que modela a comunicação humana
• Os atos de fala expressam as intenções dos
  agentes
• assertivos (informar)
• diretivos (pedir ou consultar)
• comissivos (prometer ou comprometer-se)
• proibitivos,
• declarativos (causar eventos para o próprio
  comunicador)
• expressivos (emoções)

55
KQML (Knowledge Query and Manipulation Language)

• KQML dá suporte a agentes na identificação,
  conexão e troca de informação com outros agentes.
• Mensagens KQML não enxergam o conteúdo das
  mensagens que elas transportam
• É dividida em três camadas
• camada de comunicação - parâmetros de baixo nível
  da comunicação (sender, recipient, id,etc)
• camada de conteúdo - mensagem
• camada de mensagem - detalhes de interações da
  comunicação ( ling. de conteúdo, ontologia , etc)

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Exemplo de Comunicação em KQML

• (ask-all
• sender CFP-Agent
• receiver PPR-Agent
• reply-with id1
• language JessTab
• ontology Science
• content (object (is-a Link) (URL ?u)
• (anchor ?a(occurs call-for-papers ?a))))

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Ex. de Comunicação em KQML (cont.)

• (tell
• sender PPR-Agent
• receiver CFP-Agent
• in-reply-to id1
• reply-with id2
• language JessTab
• ontology Science
• content (object (is-a Link)
• (URL http//lcn2002.cs.bonn.edu)
• (anchor IEEE Conference on Local Computer
  Networks (LCN 2002))))

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O Protégé

• Ferramenta desktop criada pelo Depto. de
  Informática Médica da Univ. Stanford Noy et al
  2000
• Milhares de usuários
• Flexibilidade
• Editor de ontologias com interface gráfica
• Cria formulários para entrada de instâncias
• Integração de Componentes
• Ex Componentes gráficos, como OntoViz, Jambalaya
• Plugin OKBC acesso remoto à Ontolingua
• Modelo de conhecimento classes primitivas
  (metaclasses) podem ser redefinidas
• CLIPS, Jess, F-Logic, Prolog, RDF, OIL, XML,
  Topic Maps

59
Plugin OKBC acessando a Ontolingua
60
Importando BCs via OKBC
61
Ferramentas do KAON e da Ontoprise

• Desenvolvidas em Karlsruhe, Alemanha
• 1o. protótipo do que viria a ser a Web
  semântica, o Ontobroker Benjamins et al 98
• O KAON (the KArlsruhe ONtology and semantic web
  tool suite) engloba ferramentas para
• edição de ontologias (OntoEdit)
• disponibilizar ontologias num servidor baseado em
  BDs
• criação de ontologias a partir de texto
  (Text-to-Onto)
• busca baseada em ontologias sobre bases de texto
  (SemanticMiner)
• anotação semi-automática de referências a
  ontologias em páginas para a Web
• agrupamento de textos baseados em ontologias

62
Requisitos para ferramentas de ontologias

• facilidades de uso
• entendimento intuitivo da interface
• interface gráfica
• visibilidade gradativa
• conexão a repositórios
• portabilidade
• interoperabilidade
• organização dos arquivos gerados
• documentação de alterações
• suporte a trabalho cooperativo
• extensibilidade (capacidade de inclusão de
  componentes)
• ferramentas de apoio

63
Requisitos para formalismos e linguagens de
representação

• Não apenas expressividade, como em Corcho
  Gómez-Perez 2000
• Existência de um motor de inferência
• Acoplamento do motor a um editor de ontologias
• Traduzível
• independência de uma linguagem ou formalismo
  específico
• Popularidade
• Ex F-Logic

64
Aplicações de Ontologias
65
Ramos de aplicação

• Comércio eletrônico
• Gestão de conhecimento
• Workflow
• Tratamento inteligente de informação
• Web semântica

66
PACT (Palo Alto Collaboration Testbed )
Cutovsky et al 93

• Objetivo resolução negociada de problemas de
  projeto de manipuladores robóticos entre sistemas
  já existentes de fábricas da HP e da Lockheed e
  de uma empresa de software

67
PACT (cont.)

• Ontologias
• Matemática para engenharia - quantidades,
  unidades, dimensões, matrizes e funções
• Projeto e configurações - parâmetros,
  componentes, restrições
• (monitor
• from consumer
• to producer
• ontology standard-units-and-dimensions
• language KIF
• content ( (q.magnitude (diameter shaft-a)
  inches) ?x))

68
Uma aplicação da Web semântica ITTalks

• http//ittalks.org/ Cost et al 2002
• Sítio da Web que dá acesso a um BD de palestras,
  pessoas (professores, cientistas, convidados,
  etc) e lugares (salas, instituições
• Cada instância destas classes foi anotada
  semanticamente em DAML
• Ontologias
• tópicos de pesquisa
• perfis pessoais
• calendários
• conversação
• ontologia da ACM (Association for Computer
  Machinery)

69
ITTalks (cont.)

• Os usuários se cadastram especificando que
  tópicos são de seu interesse
• Agentes do sistema notificam-nos quando alguma
  palestra que casa com o perfil de tópicos é
  incluída no BD
• A anotação de tópicos de pesquisa tanto em
  páginas quanto nos perfis de usuários é executada
  por um classificador baseado em aprendizado
  automático
• Com as páginas semanticamente anotadas, será
  fácil, no futuro, preparar um mediador para o
  acesso ao BD

70
(No Transcript)
71
(No Transcript)
72
Tópicos de pesquisa corrente

• Web semântica
• Padrões, princípios, linguagens, limitações
• Concepção de ontologias
• Engenharia de ontologias
• Paradoxo tensão entre aplicação e
  extensibilidade
• Aspectos a serem abordados
• funcional, intencional, social, físico, etc
• Relações parte-todo
• Modularização de ontologias

73
Tópicos de pesquisa corrente (cont.)

• Aprendizado e ontologias
• Construção de ontologias a partir de texto
  (Text-to-Onto)
• Anotação semi-automática de páginas baseadas em
  ontologias
• Extração, agrupamento Hotho et al 2001 e
  classificação de informação (mineração de textos)
• Integração inteligente de informação
• Diversidade de visões de ontologias sobre um
  mesmo domínio, que o abordam sobre perspectivas
  distintas
• Soluções mapeamento e integração semântica
  através de contextos comuns Wache
  Stuckenschmidt 2001

74
Conclusões

• Ontologias revigoraram o paradigma declarativo
• Materialização do nível de conhecimento
• Possibilitaram um modelo de comunicação
  expressivo e intencional para agentes cognitivos
• Área promissora, de pesquisa ativa
• Aplicável principalmente em
• Gestão de Conhecimento
• Web semântica
• e-commerce muitas soluções com comunicação
  baseadas em ontologias