Ontologia

OntologiaLinguagem LógicaLógica DescritivaWeb Semântica

RDFOWLW3C

Paulo Augusto Loncarovich Gomes – Bolsista CAPES

UNESP - Mestrado em Ciência da Informação e Tecnologia

Fernando Alves Gama

UNESP - Mestrado em Ciência da Informação e Tecnologia

Arquitetura da Informação Digital

• Historicamente a palavra Ontologia tem origem no grego ontos (ser) e logos (palavra), e apesar do estudo do ontosoriginar-se com Aristóteles (384 a.C. – 322 a.C.) e Platão (428/27 a.C. – 347 a.C.), a utilização do termo Ontologia para designar um ramo da Filosofia é muito mais recente, tendo sido introduzido na transição da Idade Média para a Idade Moderna, na escolástica, por volta dos séculos XVII e XVIII, o termo foi cunhado na área de Filosofia em 1613 por Rudolf Goclenius (1547 - 1628) e aparentemente de forma independente por Jacob Lorhard (1561 – 1609).

(WELTY, GUARINO, 2001)

Ontologia e sua origem

GOMES,GAMA. Ontologia, 2009.

Conceitos Iniciais

• Para o filosofo Aristóteles “ A Lógica é um instrumento, uma introdução para as ciências e para o conhecimento”

• Historicamente, a lógica surgiu com o filosofo grego Aristóteles (384-322 A.C.), que fundou a disciplina de lógica como um sistema de princípios, nos quais todo o resto do conhecimento se apóia.

• De acordo com Aristóteles, uma argumentação consiste de uma sequência finita de sentenças, chamadas de premissas, juntamente com uma certa sentença chamada conclusão que segue das premissas.

Portanto:• A Lógica é uma ciência dedutiva: o conceito que prova rigorosa é fundamental.

• Lógica: explica a natureza do rigor matemático.

• Lógica: inclui o estudo de fundamentos da matemática.(GALLAIRE, MINKER, 1977)

No contexto da integração entre bases de dados, bases e conhecimento, as lógicas descritivas vêm ocupando um lugar de destaque, sendo uma das áreas de estudo mais promissoras da representação do conhecimento em conjunto com as bases de dados.

(FRANCONI, 2000)


A natureza da Linguagem Lógica

• Lógica são é análise e o criticismo do pensamento. Nós chegamos a conclusões a partir de dados.

• A argumentação é conduzida a partir de certas normas

• Representar o conhecimento.

• Provê uma representação uniforme.

• Sustenta uma base matemática forte de extrema importância para o desenvolvimento de bases de dados.

(GALLAIRE, MINKER, 1977)

Criticismo tem origem no alemão Kritizismus, representa em filosofia a posição metodológica própria do kantismo. Caracteriza-se por considerar que a análise crítica da possibilidade, da origem, do valor, das leis e dos limites do conhecimento racional constituem-se no ponto de partida da reflexão filosófica.


Lógica Descritiva – filosofia e princípios

• Usar lógica para definir formalmente semântica de formalismos de representação de conhecimento.

• Estudar computabilidade e complexidade

das linguagens e serviços de inferência

antes de implementá-los.

• Limitar expressividade para garantir que esses serviços sejam computacionalmente tratáveis.

(NARDI et al., 2002; FRANCONI, 2000)


Lógica Descritiva

• Surgiu como uma evolução das redes semânticas e frames. Seu intuito era de resolver alguns problemas e limitações que estes encontravam, como, por exemplo, a falta de uma semântica formal (significado, comportamento) que permitisse a quebra de ambigüidades através de raciocinadores.

(BRACHMAN, SCHMOLZE, 1985)

• Final dos anos 70, foi chamada de “Linguagens Terminológicas”, que buscavam representações com mais engajamento ontológico. Nessa época surgiu pela primeira vez a modelagem com o uso de TBox e ABox.

• Chegou a ser chamada de “Linguagens Conceituais”

• Começo dos anos 80 surgiu a expressão “Lógica Descritiva”.

(BRACHMAN et al, 1983)


Lógica Descritiva

• As Lógicas Descritivas (DL – Description Logics) são conjuntos de formalismos de representação do conhecimento que representam o conhecimento de um domínio.

• Primeiramente definem os conceitos relevantes a este domínio, ou seja, sua terminologia, e utilizam estes conceitos para especificar as propriedades de objetos e indivíduos do domínio, criando uma descrição do domínio.

(BAADER, NUTT, 2003)


Lógica Descritiva

• Uma lógica descritiva é formada por uma linguagem descritiva, que é utilizada para definir como os conceitos e como os papéis são formados, por um mecanismo para especificar dados sobre os conceitos e papéis (TBox), por um mecanismo para especificar as propriedades dos indivíduos (ABox) e por maneiras de se inferir sobre uma base de conhecimento.

(CALVANESE, 2006, p. 30)

TBox ABox


Lógica Descritiva - Construtores


Lógica Descritiva - Estrutura

(CALVANESE, 2003, p. 31)

Conhecimento Terminológico - TBox

Conhecimento sobre Objetos - ABox

Mecanismo de Inferência

Inferência/aplicação

Base de Conhecimento


Ontologia - TBox

• Terminologia• Possui um conjunto de declarações e axiomas que

descrevem a estrutura do domínio• Conhecimento intensional

• “Mulher”: indivíduo que pertence aos conceitos “Pessoa” e “Fêmea”

• “Homem”: indivíduo que pertence ao conceito “Pessoa”mas não ao conceito “Mulher”

TBox

Mulher ≡ Pessoa ⊓ Fêmea

Homem ≡ Pessoa ⊓ ¬ Mulher


Ontologia - ABox

• Assertivas sobre os indivíduos, ou objetos conhecimento extensional sobre o domínio de interesse.

ABox

Mulher ≡ Pessoa ⊓ Fêmea

Mulher ≡ (Maria)

Mulher(Maria ) ≡ Pessoa (Maria) ⊓ Fêmea (Maria)

TBox:TBox:

ABox:ABox:

Checagem da consistência:Checagem da consistência:


Conceito da Ontologia

“o termo derivado da palavra grega que significa ‘ser’, mas usado desde o século XVII para denominar o ramo da metafísica que diz respeito aquilo que existe”

(BLACKBURN, MARCONDES, 1997)

Ontologia é o ramo da Filosofia que tem como objetivo responder às seguintes questões: “Quais são as categorias do mundo? E quais são as leis que regulam tais categorias?” (TEIXEIRA, 1999)

“uma ontologia é uma especificação formal e explícita de uma conceitualizaçãocompartilhada”

(GRUBER, 1993)

“um termo corresponde a um conceito particular dentro de um campoconceitual, designando um conjunto de propriedades e relações com outros conceitos em um determinado contexto”

(LIMA, 1998)


Interpretação da Ontologia

• 1. Ontologia como uma disciplina da Filosofia;

• 2. Ontologia como um sistema conceitual informal;

• 3. Ontologia como uma proposta semântica formal;

• 4. Ontologia como uma especificação de uma conceitualização;

• 5. Ontologia como uma representação de um sistema conceitual por meio de uma teoria lógica:

• 5.1 Caracterizada por propriedades formais ou• 5.2 Caracterizada apenas para propósitos específicos;

• 6. Ontologia como um vocabulário usado por uma teoria lógica;

• 7. Ontologia como um meta-nível de especificação de uma teoria lógica.

(GUARINO, GIARETA, 1995)


Definições da Ontologia

• De acordo com tais definições, com exceção da primeira que se refere ao sentido filosófico do termo, pode-se identificar duas grandes correntes teóricas:

• A. Que concebem ontologia como uma entidade conceitual semântica, formal ou informal, (definições 2 e 3);

• B. Que concebem como um objeto concreto em nível sintático, que tem seu desenvolvimento e sua utilização guiados por um propósito específico, (definições de 4 a 7).

(GUARINO, GIARETA, 1995)


Definições da Ontologia

A definição mais freqüentemente identificada no âmbito da representação do conhecimento é a que define uma ontologia como: “uma especificação explícita de uma conceitualização”, considerando que o termo “explicita”significa que um objeto de nível simbólico deve ser expresso formalmente e de maneira clara, e uma “conceitualização”será composta por objetos, conceitos e as relações existentes em um determinado domínio.

(GRUBER, 1993, p.1, tradução nossa)

A definição mais freqüentemente identificada no âmbito da representação do conhecimento é a que define uma ontologia como: “uma especificação explícita de uma conceitualização”, considerando que o termo “explicita”significa que um objeto de nível simbólico deve ser expresso formalmente e de maneira clara, e uma “conceitualização”será composta por objetos, conceitos e as relações existentes em um determinado domínio.

(GRUBER, 1993, p.1, tradução nossa)


Aplicação da Ontologia

Recuperação de informaçõesRecuperação de informações

Sistemas de Integração de InformaçãoSistemas de Integração de Informação

Gestão de conhecimentoGestão de conhecimento

Processamento da linguagem naturalProcessamento da linguagem natural

Comércio eletrônicoComércio eletrônico

Sistemas multiagentesSistemas multiagentes

ON

TO

LOG

IA


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


Ontologias de Domínio e de Aplicação

• Ontologias de nível alto: descrevem tais conceitos muito gerais: tempo, espaço, evento, ação, etc.

• Ontologias de domínio: descrevem o vocabulário com respeito a um domínio genérico (por exemplo medicina, arquitetura, etc.)

• Ontologias de tarefa: descrevem uma tarefa ou atividade específica, como: venda, diagnóstico.

• Ontologias de aplicação: aqui os conceitos dependem em particular de um domínio a partir de uma tarefa .

(MIZOGUCHI et al., 1999)

• Ontologias terminológico: onde as condições são especificadas para a representação do conhecimento .

• Ontologias de informação: na qual a estrutura de armazenamento do banco de dados é detalhada.

(VAN HEIST, 1997)


Construção de uma Ontologia

(LIBRELOTTO, RAMALHO, HENRIQUES, 2005, adaptado)

TerraTerra

Seres vivosSeres vivos Seres InanimadosSeres Inanimados

AnimaisAnimais PlantasPlantas

PássarosPássaros MamíferosMamíferos AnfíbiosAnfíbios InvertebradosInvertebrados RépteisRépteis PeixesPeixes

IrracionaisIrracionais RacionaisRacionais

HumanosHumanos PessoaPessoaPropriedades:

Peso, altura, etc.

Propriedades:Peso, altura, etc.


Ontologia como Metadados

Animal

Mamífero

Pessoa Cachorro

Raiva

Doença

Maria tem um cachorro chamado Toy

Ontologia

Documento

Instância Instância

Pode Acontecer

GOMES,GAMA. Ontologia, 2009

Software para definição de Ontologia

Ferramenta, para manipulação de ontologia

• Editor de ontologias, feito em Java. Tem disponível uma grande variedade de plugins, nomeadamente, para realizar querys ou exportar a ontologia em diversas linguagens (OWL, RDF, RDFS, e XML Schema). Está disponível em http://protege.stanford.edu

• Mais à frente, num outro capítulo, far-se-á uma descrição pormenorizada desta ferramenta.

• Editor de ontologias para a linguagem OWL. É bastante simples, ideal para quem se queira iniciar no estudo das ontologias. Está disponível em http://img.cs.man.ac.uk/oil/

• Framework em Java para a construção de aplicações de Web Semântica. Esta API permite a manipulação de ontologias escritas em RDF, RDFS e OWL. Tem também um motor de inferência para regras. Está disponível em http://jena.sourceforge.net

• Motor de inferência para Web Semântica. É usado para inferir e fazer querys sobre documentos RDF, RDFS, OWL e SWRL. Está disponível em http://projects.semwebcentral.org/projects/bossam/

• Motor de regras e um ambiente de scripting (contém uma linguagem de script) escrito em Java, que permite inferir sobre ontologias. Ao usá-lo podemos construir software com a capacidade de inferência, usando conhecimento que é disposto através de regras declarativas. Está disponível em http://www.jessrules.com/jess/download.shtml

• Motor de inferências, baseado em DL (Description Language) que permite descobrir novos relacionamentos e conceitos numa ontologia, e validar e confirmar a sua consistência. Para aceder aos serviços deste sistema é necessário utilizá-lo em conjunto com outras ferramentas, como por exemplo o Protégé. Está disponível em http://www.racer-systems.com

ProtégéProtégé

OilEdOilEd

JenaJena

BossamBossam

JessJess

RacerRacer


• Uma definição da Web Semântica é: uma extensão da Web obtida através da adição de semântica ao atual formato de representação de dados”.

(Berners-Lee, 1990)

• O principal propósito de haver uma Web Semântica é tornar a Web compreensível tanto por humanos quanto por agentes de software componentes.

(Silva et al., 2003) (Szyperski, 1998)

Conceito de Web Semântica


• A “base” da Web atual é a HyperText Markup Language

(HTML), que possibilita a comunicação entre humanos já que estes conseguem entender o conteúdo de páginas criadas com essa linguagem.

• Web Semântica como um meio de tratar o problema de sobrecarga (overload) de informação causado pelo crescimento contínuo da Web em tamanho, linguagens e formatos.

(Benjamins et al., 2002)

Web Semântica


Ontologia na Web SemânticaLinguagens de descrição de ontologias para a Web:

• Simple HTML Ontology Extensions (SHOE)(Heflin & Hendler, 2000)

• Resource Description Framework (RDF)(W3C, 2004e)

• RDF Vocabulary Description Language 1.0 (RDF Schema)(W3C, 2004f)

• DAML+OIL Language (DAML+OIL)(W3C, 2001)

• OWL (W3C, 2004b)

Como essas linguagens são baseadas na eXtensible Markup Language (XML), elas são mais ricas para a descrição de conteúdo do que HTML.


Web Semântica

• A "pilha" da Web Semântica

São necessárias camadas e camadas de metadados, lógica e segurança para tornar a Web legível por máquina. A maioria das representações visuais destas camadas envolvem uma pilha - tipo de torre de blocos que representam todas as camadas. A pilha muda e evolui conforme os conceitos por trás da Web Semântica se desenvolvem.


Web Semântica

• Histórico– Em fins da década de 1990 os desenvolvedores da

web percebem que a utilização de textos inteligíveis somente aos humanos trazia sérios problemas na recuperação da informação.

– Berners-Lee, Handler e Lassila (2001) sugerem a elaboração de um ambiente web onde as informações possam ser compreendidas também pelas máquinas, a fim de automatizar a recuperação.

• Exemplo: – Consultório Médico.

» Usuário pesquisa os especialistas em determinada área, verifica disponibilidade de horário na agenda do médico e marca uma consulta.


Web Semântica

– Para os autores:

• “The Semantic Web is not a separate Web but an extension of the current one, in which information is given well-defined meaning, better enabling computers and people to work in cooperation. ”


Web Semântica

• Arquitetura

– Distribuída em uma série de camadas sobrepostas onde cada camada deverá , obrigatoriamente, ser complementar e compatível com as camadas inferiores; sendo, ao mesmo tempo, independente das camadas superiores. (Ramalho, Vidotti e Fujita 2007)


Web Semântica

• Arquitetura

– Em 2000 Berners-Lee apresenta um dos primeiros modelos de arquitetura da web semântica


Web Semântica

• Arquitetura

– Em 2005 Berners-Lee apresentounovas subdivisões nas camadas.

Fonte: Berners-Lee, 2005 p 17


Web Semântica

– A fim de facilitar a compreensão dentro do contexto das ontologias vamos trabalhar com a primeira definição de arquitetura da web semântica.


Web Semântica

• Unicode

– Esquema padronizado de codificação de caracteres acessível a qualquer sistema computacional.

• Utiliza formato texto.


Web Semântica

• URI – Uniform Resource Identifier

– Ponto de referência a pessoas, lugares e elementos do mundo físico.

• Exemplo:– URL: Uniform Resource Locator


Web Semântica

• XML – Extensible Markup Languague

– Linguagem de marcação que permite flexibilidade na estruturação de dados.


Web Semântica


– Ao contrário da linguagem HTML, XML não apresenta uma estrutura de tags (etiquetas) pré-definidas. Por essa razão permite ao desenvolvedor rotular dados da maneira que for conveniente.


Web Semântica


– Exemplo


Web Semântica

– XML ainda permite a construção de estruturas de validação de elementos por meio do uso de Document Type Definition (DTD).

• As DTDs determinam quais elementos um documento XML deverá conter, e quais serão os tipos de dados utilizados nos elementos.


Web Semântica

– XML configura-se, portanto, em uma linguagem universal para a definições de marcações, facilitando a troca de informações entre diferentes sistemas computacionais. Não apresenta, entretanto, meios eficientes de empregar significado semântico aos dados.


Web Semântica

• RDF – Resource Description Framework

– Modelagem de dados que permite a representação de classes.

– Possibilita a representação de taxonomias


Web Semântica

• Ontologias na Web Semântica


Web Semântica

• Ontologias na Web Semântica

– Conforme já mencionado uma ontologia pode ser compreendida como uma especificação explícita e formal de um conceito, a fim de descrever um domínio do discurso.

– Antoniou e Harmelen (2004, p. 10) afirmam que

• Typically, an ontology consists of a finite list of terms and the relationships between these terms. The terms denote important concepts (classes of objects) of the domain.


Web Semântica

• Requisitos das Linguagens Ontológicas– Sintaxe bem definida

• Condição necessária na programação para que as máquinas possam processar as informações.

– Semântica Formal• Descreve o significado do conhecimento, de modo preciso

por meio da matemática lógica– Adesão de Classe: Se x é uma instância da classe C, e C é uma

subclasse de D, então podemos afirmar que x é uma instância de D.

– Equivalência de Classe: Se a classe A é equivalente à classe B, e a classe B é equivalente a Classe C, então A é equivalente a Classe C também.


Web Semântica - RDF

• Limitações do Poder de Expressão do RDF Schema na construção de ontologias– Embora a RDFS apresente possibilidades de se

relacionar taxonomias, apresenta algumas deficiências em características que seriam imprescindíveis a modelagem de ontologias. A saber:

• Escopo local de propriedades• Separação de classes• Combinações booleanas de classes• Restrições Cardinais• Caraacterísticas especiais de propriedades

Fonte: Antoniou e Harmelen (2004) Tradução nossa.


Web Semântica - OWL

• Web Ontology Language - OWL– Visando construir uma linguagem rica para a representação

de ontologias, grupos de pesquisa europeus e Americanos se uniram na construção da linguagem DAML+OIL, a qual foi o ponto de partida para a W3C definir a linguagem OWL.

– A OWL descreve de modo mais eficiente os aspectos semânticos e seus possíveis relacionamentos, possibilitando representações mais abrangentes da linguagem RDF e RDFS, vindo a favorecer sua interoperabilidade.


Web Semântica – OWL


Web Semântica

– Dentro do aspecto das ontologias temos as linguagens

• SparQL: Realiza consultas a partir de estruturas RDF a fim de favorecer a recuperação da informação

• DLP: Permite intersecção entre lógica descritiva (OWL DL) e Programação Lógica.

• Rules: Permite a definição de regras lógicas relacionadas aos recursos informacionais.


Web Semântica

• Às camadas Logic framework, Proof e Trust seriam incumbidas as tarefas de:

– tratamento das informações descritas em níveis inferiores,

– comprovação de que os elementos informacionais estejam descritos de maneira adequada, e a

– confiabilidade que as informações estejam descritos de modo correto.

Fonte: Ramalho, Vidotti e Fujita (2007).


Web Semântica?

• Por que Web Semântica?

• Suponha que você queira comprar o box da "Trilogia Star Wars" na internet, e que você tenha alguns critérios básicos para a sua compra. Primeiro, você quer DVDswidescreen e não full-screen, e você quer o box que tenha o disco extra de bônus. Segundo, você quer o menor preço disponível, mas você preferiria comprar um box novo, não um usado. Por fim, você não quer pagar muito pelo envio e manuseio, mas você também não quer esperar muito pela entrega.


Web Semântica


Web Semântica

• No atual ponto da evolução da Web, sua melhor aposta seria buscar nos sites de diferentes varejistas, comparando preços e tempo de envio e preços. Você poderia também procurar um site que compare opções de preço e envio entre vários varejistas de uma vez. De qualquer maneira, você tem que fazer a maior parte do "bater perna" virtual, e então tomar sua decisão de compra e fazer seu pedido sozinho.

• Com a Web Semântica, você teria mais uma opção. Você poderia colocar suas preferências em um agente computadorizado, que buscaria na Web, encontraria a melhor opção par você, e faria seu pedido. O agente poderia então abrir um programa de finanças pessoais no seu computador e registrar o valor que você gastou, e ainda poderia marcar a data em que seus DVDs deveriam chegar em seu calendário. Seu agente também aprenderia seus hábitos e preferências, então se você tivesse uma experiência ruim ao comprar de um site em particular, ele saberia que não deve usar mais aquele site.

• O agente faria isso não olhando imagens e lendo descrições como uma pessoa faz, mas buscando metadados que claramente identificam e definem o que o agente precisa saber. Metadados nada mais são que dados legíveis por máquina que descrevem outros dados. Na Web Semântica, metadados são invisíveis quando as pessoas lêem a página, mas são claramente visíveis para os computadores. Metadados também permitem pesquisas na Web mais complexas e focadas, com resultados mais precisos. Para Tim Berners-Lee, inventor da World Wide Web, estas ferramentas farão a Web - atualmente semelhante a um livro gigante - se tornar um banco de dados gigante.


O W3C e a Web Semântica

• O World Wide Web Consortium (W3C) é um consórcio internacional com a

missão de levar a Web ao seu potencial máximo, através do desenvolvimento

de protocolos, especificações e sugestões para garantir o crescimento da Web

no longo prazo.

• O consórcio então propôs e recomendou o Resource Description Framework (RDF) que é uma linguagem para representação de informação a respeito de recursos na Web. A RDF Vocabulary Description Language 1.0 (RDF Schema)

• OWL Web Ontology Language foi recomendada como próximo passo com objetivo de fornecer algumas outras possibilidades para ontologias como escalabilidade, distribuição, compatibilidade com os padrões (standards) Web

para acessibilidade e internacionalização, openness e extensibilidade.

(W3C, 2004e)


Considerações Finais


Dentro do contexto da Arquitetura da Informação as ontologias apresentam considerável relevância no que diz respeito ao desenvolvimento de mecanismos de buscas na web que visem a recuperação da informação a partir da representação do conhecimento.

Bibliografia

• BLACKBURN, S. Consultoria da edição brasileira. In: MARCONDES, D. Dicionário oxford de filosofia. Tradução D. Murcho et al. Rio de Janeiro : Jorge Zahar, 1997.

• CALVANESE, D., DE GIACOMO, G. Descript ion Logics for Conceptual Data Modeling in UML.ESSLLI 2003, Vienna, August 18–22, 2003.

• FRANCONI, E. First Order Logic and ER Schema. Notas de Aula, University of Manchester, 2000.

• GUARINO, N.; GIARETTA, P. Ontologies and knowledge bases – towards a terminological clarification. In: N. MARS (Ed). Towards very large knowledge bases: knowledge building and knowledge sharing. Amsterdam: IOS Press, 1995. p. 25-32.

• GRUBER, Thomas R. (1993), “A Translation Approach to Portable Ontology Specification”. Disponível em: http://tomgruber.org/writing/ontolingua-kaj-1993.pdf> Último acesso em 20 de setembro de 2005.

• WELTY, C., GUARINO, N. Supporting Ontological Analysis of Taxonomic Relationships. Data and Knowledge Engineering, v.39, n.1, p. 51-74, 2001.


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Health & Medicine

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