Ontologias: Introdução Karin Breitman – PUC-Rio. Software Engineering Lab (LES) – PUC-Rio 2...

Ontologias: Introdução

Karin Breitman – PUC-Rio

Software Engineering Lab (LES) – PUC-Rio 2

Referências

• Ontology Design Patterns and Problems: Practical Ontology Engineering using Protege-OWL - Alan Rector, Natasha Noy, Holger Knublauch, Guus Schreiber, Mark Musen

• John Sowa Web Pages – John Sowa

• My Experience in Building Ontology-driven Applications - Harry Chen, eBiquity Group Meeting, February 9, 2004

• Foundations of the Semantic Web: Ontology Engineering – Alan Rector et al – CS646

• Ontology Development 101 – Noy, N.; McGuiness, D. – A guide to creating

your first ontology – KSL Technical Report, Standford University, 2001 • Ontological Engineering - Gómez-Pérez, A.; Fernadéz-Peréz, M.; Corcho, O. -

Springer Verlag - 2004.

KR and methodologies

• Procedural Knowledge: Knowledge is encoded in functions/procedures. For example: function Person(X) return boolean is

if (X = ``Socrates'') or (X = ``Hillary'') then return true else return false;

Or

function Mortal(X) return boolean is return person(X);• Networks: A compromise between declarative and procedural schemes.

Knowledge is represented in a labeled, directed graph whose nodes represent concepts and entities, while its arcs represent relationships between these entities and concepts.

• Frames: Much like a semantic network except each node represents prototypical concepts and/or situations. Each node has several property slots whose values may be specified or inherited by default.

• Logic: A way of declaratively representing knowledge. For example:– person(Socrates).– person(Hillary).– forall X [person(X) ---> mortal(X)]– DL, FOL, SOL

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Modeling

• Some of the knowledge is lost when it is placed into any particular structure, or may not be reusable (e.g. Frames)

• So, you may ask something that cannot be answered or inferred

• Knowledge evolves, i.e. changes• Knowledge and understanding is very often

context dependent (and discipline, language, and skill-level dependent, and …)

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And, if you are used to logic

• You are working mostly within the world of logic, whereas we are trying to represent knowledge with logic and we are usually dealing with tangible objects, such as trees, clouds, rock, storms, etc.

• Because of this, we have to be very careful when translating real things into logical symbols - this can, surprisingly, be a difficult challenge.

• Consider your method of representation (yes, we do want to compute with it) 5

Thus

• A person who wants to encode knowledge needs to decouple the ambiguities of interpretation from the mathematical certainty of (any form of) logic.

• The nature of interpretation is critical in formal knowledge representation and is carefully formalized by KR scientists in order to guarantee that no ambiguity exists in the logical structure of the represented knowledge.

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Representing Knowledge With Objects

• Take all individuals that we need to keep track of and place them into different buckets based on how similar they are to each other. Each bucket is given a descriptive based on what objects it contains.

• Since the individuals in a given bucket are at least somewhat similar, we can avoid needing to describe every inconsequential detail about each individual. Instead, properties that are common to all individuals in a bucket can just be assigned to the entire bucket at once. Properties are typically either primitive values (such as numbers or text strings) or may be references to other buckets. 7

Representing Knowledge With Objects

• Some buckets will be more similar to each other than others and we can arrange the buckets into a hierarchy based on the similarity.

• If all buckets in a branch in the tree of buckets share a property, the information can be further simplified by assigning the property only to the parent bucket. Other buckets (and individuals) are said to inherit that property.

• Buckets may have different names: e.g. Classes, Frames, or Nodes

• BUT, once we move to (e.g.) DL, not all object rules apply, e.g. cannot override properties

• Multiple inheritance is not always obvious to people8


Web Semântica

• A maior parte dos recursos primários estão em linguagem natural, compreensíveis para humanos.


Web Semântica

• Web Semântica• “A Web Semântica é uma EXTENSÃO da web

atual na qual é dado a informação um SIGNIFICADO bem definido, permitindo com que computadores e pessoas trabalhem em cooperação.” Berners-Lee, Hendler e Lassila

• "The Semantic Web is an extension of the current web in which information is given well-defined meaning, better enabling computers and people to work in cooperation."

Re-enter Semantic Web

• At its core, the Semantic Web can be thought of as a methodology for linking up pieces of structured and unstructured information into commonly-shared description logics ontologies.

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Como humanos enxergam esta página


Como o computador enxerga esta página


A Web de hoje

• 8 bilhões de páginas– Mecanismos de busca: Yahoo, Google, AltaVista...– Nenhum mecanismo para “interpretar” o resultado

das buscas.


Cenário: busca pela palavra “morango”• Did you mean: morongo

• :: Morango :: - "As fotos aqui veiculadas, bem como os textos, frames, sinais distintivos,logotipo e marca são de propriedade do site Morango.com.br. ...

• :: Morango -... Divirta-se! "As fotos aqui veiculadas, bem como os textos, frames, sinais distintivos,logotipo e marca são de propriedade do site Morango.com.br. ...

• deviantART: morango~morango. Joana Vieira. is an Antagonist; is Female; is a deviant since Aug8, 2002, 2:02 PM; has 9,972 pageviews; is located in Portugal; ... 500kv k'pow!

• STRABERRY MorangoMORANGO - fruto produzido por erva rasteira, Fragancia vesca, origináriada Europa, possui inúmeras variedades naturais e híbridas. ...

• California Casino MorangoCalifornia Casino Morango ( Casino ). Casino Shop for Casino from 600+ merchantswith one cart. Hundreds of trusted merchants. Thousands of popular brands. ...

• vof Morango - smakelijke aardbeien, vers, vertrouwd en ...vers. aardbeien zijn het lekkerst als ze vers zijn. van eind april tot in novemberplukken wij ze dagelijks voor u. vertrouwd. van aardbeien ...

• Batida Morango recipeA delicious recipe for Batida Morango, with cachaca, strawberries, granulated sugarand crushed ice. Also lists similar drink recipes. ... Batida Morango recipe. ...


Web Sintática

• Biblioteca Digital – Uma biblioteca de documentos chamados páginas (web pages)

interconectados por links• Base de Dados, plataforma para aplicações

– Portal comum para aplicações acessíveis através de páginas web e que apresentam resultados utilizando estas mesmas páginas.

• Plataforma multimídia– Internet Radio, Trailers de filmes, …

• Um esquema de nomeação– Identidade única para documentos

RESUMO: Um lugar onde os computadores são responsáveis pela APRESENTAÇÃO (o fácil) e as pessoas fazem a INTERPRETAÇÃO (o difícil)

Por que não fazer com que os computadores fiquem com a parte mais pesada do trabalho?

Ref: Goble


Web Semântica

• Metadados.• Combinar recursos primários com recursos de

metadados.• Metadados em formato padronizado podem

ser entendidos por software e pessoas.


Web Semântica - Objetivos

“enriquecer a informação disponível com semântica que pode ser entendida por máquinas “

“fornecer acesso inteligente a informação heterogênea e distribuída, permitindo que produtos de software possam fazer uma intermediação entre as necessidades do usuário e as fontes de informação disponíveis. “

ontologia

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Semantic Web Layers

http://www.w3.org/2003/Talks/1023-iswc-tbl/slide26-0.html, http://flickr.com/photos/pshab/291147522/

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Elements of KR in Semantic Web

• Declarative Knowledge• Statements as triples: {subject-predicate-object}

interferometer is-a optical instrument

Fabry-Perot is-a interferometer

Optical instrument has focal length

Optical instrument is-a instrument

Instrument has instrument operating mode

Instrument has measured parameter

Instrument operating mode has measured parameter

NeutralTemperature is-a temperature

Temperature is-a parameter

• A query: select all optical instruments which have operating mode vertical

• An inference: infer operating modes for a Fabry-Perot Interferometer which measures neutral temperature

Ontologia



Tipos de ontologia

Ref: Noy


Ontologia

• Estudo do que existe – being• Platão – metafísica• Aristóteles - 10 categorias• Ontologia: século XVII

Onto (o que existe) + Logos (conhecimento sobre)


Categorias de Aristóteles

Substância Um gato

Qualidade O gato é preto

Quantidade O gato tem 50cm de comprimento

Relação O gato tem metade do tamanho de um....

Onde O gato está em casa

Quando O gato saiu ontem

Posição O gato está sentado

Possuir O gato tem um rato

Ação O gato está correndo

Sentimento O gato quer leite.


Árvore de Porfírio


Propósito

• Uma ontologia define:

– Vocabulário Compartilhado– Entendimento Comum


Ontologia x ontologia [Guarino98]

• Filosofia– Disciplina Ontologia

• Ciência da Computação– Artefato ontologia (o minúsculo)


Ontologia = Modelo Conceitual

Mundo Real Mundo Computacional

Gap Semântico


Desenvolvimento de Ontologias

• Em geral é mais difícil desenvolver uma ontologia do que desenvolver software:– Não existem boas métricas de avaliação de

ontologias– Um programa é bom se roda, uma ontologia é boa

se funciona com um progarama rodando. • Em geral se escreve um programa DEPOIS de desenvolver

a ontologia• Ovo-Galinha

Ref: Harry Chen


Ontologias X Modelos OO

• Ontologias

– Reflete a estrutura do Mundo Real

– Foco: estrutura dos conceitos

– A representação física de fato não é importante

• Modelos Orientados a Objetos

– Refletem a estrutura dos dados e do código

– Foco: comportamento (métodos)

– Descrevem a representação física dos dados (long int, char, etc...)

Ref: Noy


Continuum Semântico

[Mike Uschold, Boeing Corp]

ConsensoHumanoCompartilhado

Implícito

Descrições textuais

Informal(explícito)

Semântica processada por humanos

Formal(para humanos)

Semântica processada por máquinas

Formal(para máquinas)

• Menos ambiguidade• Melhor interoperação• Mais robusto• Mais difícil

mais para direita


Definição [Berners-Lee]

“an ontology is a document or file that formally defines the relationship among terms”

“ontologia é um documento ou arquivo que formalmente define os relacionamento entre termos”

• Ontologia = taxonomia + regras de inferência


Definição [Gruber93]

“Uma ontologia é uma especificação formal explícita de uma conceitualização compartilhada.”

Conceitualização – modelo abstrato de como as pessoal pensam

Especificação explícita – os conceitos e relacionamentos utilizados neste modelo abstrato são fornecidos através de termos explícitos e bem definidos [Gruninger02]


Definição [Maedche02]

O : = {C, R, HC, rel, AO} que consiste de:

Dois conjuntos disjuntos, C (conceitos/classes) and R (relacionamentos)

Uma hierarquia de conceitos, HC: HC é um relacionamento direto HC C x C chamado hierarquia de conceitos ou taxonomia. HC (C1,C2) significa C1 é um sub-conceito de of C2

Uma função rel : R C x C que relaciona os conceitos de modo não taxonômico

Um conjunto de axiomas AO, expressos em uma linguagem lógica apropriada.


Para que serve uma ontologia?

Noy & McGuiness:• Compartilhar entendimento comum de uma

estrutura de informação por pessoas ou agentes de software

• Permitir o reuso de conhecimento de domínio– Evitar “reinventar a roda”

• Explicitar hipóteses sobre um domínio• Separar conhecimento de domínio de

conhecimento operacional• Análise • Estabelecimento de Regras e Políticas (SWRL)


Para que serve uma ontologia: Busca de Informação

• Utilizar ontologias para reduzir o universo de opções em buscas na web:

– Ontologias restringem o significado de termos utilizados em buscas por palavras chave

– Auxiliam na montagem da query


Busca “revisitada” (sobremesa, fruta, morango)

• liparte - A fruta, Salada - Busca de Ilustrações ClipeArte e... chaves tigela, alimento, comer para fora, cor, corte papel, frescor, ilustração,melão, morango, salada de fruta, sobremesa, uva, vermelho, vertical.

• Folha Online - Equilíbrio - Notícias - Festivais gastronômicos ... -... de dois tipos de fondue salgado, a casa oferece uma sobremesa como cortesia. ... O morango,fruta da estação, dá o sabor do inverno em Monte Verde, distrito da ...

• Forno... RÁPIDA SOBREMESA REFRESCANTE SOBREMESA REQUINTADA SOBREMESA TROPICAL SORVETE COM

FRUTA SORVETE CROCANTE ... COM ABACAXI SORVETE DE MORANGO SORVETE FATIADO ...

• Receitas tradicionais dos Açores de Ana Taveira - Gelados... Na hora de servir serve-se com xarope de morango ou morangos esmagados ... Gelado sobremesa. ...No fundo de um pyrex coloca-se salada de fruta (banana, ananás e outras ...

• Terra - Especial Culinária Morango com suco e casca de laranja, com vinho tinto e anis-estrelado ou com chocolate.Confira nossas sugestões e transforme essa fruta numa sobremesa ainda

• Saúde Vida On Line - Tabela de calorias -... Flan de baunilha c/ calda de morango Royal, 1 porção (130g), 136. ... Fruta c/ caldade chocolate, 2 c. sopa (50g), 90. ... Galak Nestlé sobremesa, Unidade (110g), 181


Porque construir uma ontologia?

• Explicitar significado• Integrar recursos na Web

interoperabilidade


Onde ontologias estão sendo utilizadas?

• e-Science, e.g., Bioinformática– Consórcio Open Biomedical Ontologies Consortium (GO, MGED)– Utilizadas para experiências “in silico” relacionando teoria e dados

• E.g., relacionando dados de fosfatases em modelos de conhecimento biológicos

• Medicina– Construção e manutenção de terminologias Snomed, NCI & Galen

• Organização de estrutras complexas e semi-estruturadas– UN-FAO, NASA, General Motors, Lockheed Martin, …

• Governo/Militares– DARPA, NIST, SAIC,

• Web Semântica• Grid Semântico


Ciência da Computação

• O termo ONTOLOGIA foi “emprestado” pela computação para definir uma descrição explícita dos conceitos de um domínio– Conceitos– Propriedades e Atributos – Restrições em propriedades e atributos– Indivíduos *

• Em geral, um único modelo não é suficiente para representar todas as características de em sistema

• Vários tipos de modelo no desenvolvimento de software:

UML, ER, Esquemas

de BD

Ref: Rector et al


Vocabulário

• “Classe” “Conceito” “Categoria” “Tipo”• “Instância” “Indivíduo”• “Entidade” “Objeto”, Classe ou indivíduo• “Propriedade” “Slot” “Atributo” “Papel

(role)” – Muito cuidado com o termo “role”

• Significa “propriedade” em lógica de descrição• Significa “papel desempenhado” na maioria das

ontologias– Exemplo: Funcionário, Comprador, Vendedor.

Ref: Rector CS646


Conceitos importantes

Objetos que possuem um conjunto de características que nos permitem classificá-los como sendo membros deste grupo.

Conceito/Classe/Entidade/Categoria



Característica

Propriedade/Atributo/Role/Slot



Modo pelo qual duas ou mais classes estão relacionadas

Relacionamento/Restriction


Generalização

tipo deVeículo

Terrestre Aquático

Carro Anfíbio Barco


Composição

parte de

Luminária de Teto

Base Cúpula FiaçãoInterruptor

1 1 1 1

Ontologias não são modeladas através de composição!


Contra exemplo [Welty02]

• Carro & Motor– Carro – propriedade – acomoda pessoas– Motor – propriedade – gera força rotacional

• Motor não acomoda pessoas.... não é um tipo de carro.


Exemplo

Ser vivoEspécie

humanosIdade

Sexo

homens mulheres

crianças

X é uma subcategoria de y

Taxonomia dos seres vivos

adultos


Prática: Criando um novo projeto

• Abra o Protégé:

• Selecione Create New Project


Criando um novo projeto

• Selecione OWL Files (.owl or .rdf)• Selecione Finish


Criando uma hierarquia de Classes

• Crie a seguinte hierarquia utilizando os comandos Create Subclass e Create Sibling Class da janela de Asserted Hierarchy


CamelNotation

• Notação utilizada para uniformizar as ontologias

• Chama-se CamelNotation– Letra maiúscula para classes – Ingrediente, Animal– Letra minúscula para propriedades – temPatas,

temCobertura

• Use a convenção que quiser mas…– SEJA CONSISTENTE!

Copyright © 2005, The University of Manchester


Criando uma hierarquia de Classes

• Crie a seguinte hierarquia de classes:

Artes e EntretenimentoMúsica, Televisão, Rádios

Ciência e Meio Ambiente

Engenharia, Física, AgropecuáriaMapas e VistasCâmeras Online

EconomiaInformática, Compras

Notícias Revistas, Televisão, Rádio

EsportesFutebol, Aquáticos, Artes Marciais,

SaúdeClínicas, Hospitais

Sociedade e CulturaReligião., Espiritualidade, TransportesAéreas, Rodoviárias, Viagens e TurismoMinas Gerais, Hospedagem,


Mais Exemplos

• Outras taxonomias– Yahoo! categorias

• Catálogos de compras on-line – Submarino– LojasAmericanas.com– Amazon.com

• Dublin Core (Metadados)• Ontologias de Topo

– SUO– Sumo


Estrutura das ontologias

• São todos ontologias ???• Artefatos com diversos graus de estruturação

– Taxonomias– Tesauros– Metadata Schemes – Ontologias– Lógica


Tipos de ontologia

Ref: Noy


Tipos de Ontologia

• Vocabulários Controlados – – Lista finita de termos. Um – Exemplo:NAICS (North American Industry Classification

System) de produtos e serviços

• Glossários – – Lista de termos com significados em linguagem natural. – Similar ao de um dicionário - termos são organizados

alfabeticamente, – Exemplo de glossário: é o NetGlos (The Multilingual Glossary

of Internet Terminology) que reúne terminologia relacionada a recursos na Internet.

• Tesauros – lista de termos e suas definições que – padroniza a utilização de palavras para indexação.


Tipos de ontologia

• Hierarquias tipo-de informais – – Hierarquias que utilizam o relacionamento de generalização

(tipo de) de maneira informal.– Exemplo: Yahoo. – Não respeitam integralmente o relacionamento de

generalização:• “aluguel de carro” e “hotel”, não são “tipos-de-viagem”

Hierarquias tipo-de formais – Hierarquias que incluem instâncias de um domínio. Nestas hierarquias os relacionamentos de generalização são respeitados integralmente. Um exemplo é a taxonomia dos seres vivos, ilustrada na próxima seção.

• Frames – Representação proposta por Marvin Minsky. – Primitivas: classes (ou frames) – É largamente utilizado em modelagem de conhecimento.


Diferenças: Taxonomia e Ontologia

• Taxonomia: “Classificação de entidades de informação no formato de uma hierarquia, de acordo com relacionamentos que estabelecem com entidades do mundo real que representam.” Michael Daconta

• Servem Para:– classificar informação em uma– hierarquia (árvore) – utilizando APENAS relacionamento pai-filho

(generalização ou “tipo-de”)


Diferenças: Taxonomia e Ontologia

• Generalização: único tipo de relacionamento que existe entre os termos de uma Taxonomia.

• Não se pode:– atribuir características ou propriedades aos termos

atributos,– exprimir outros tipos de relacionamento:

• parte-de, • causa-efeito, • localização, • Associação..

• Para isto é necessário construir uma ontologia.


Exemplo de Taxonomia


Diferenças: Tesauro e Ontologia

• Tesauro: “um vocabulário controlado organizado segundo uma ordem conhecida e estruturado de modo a disponibilizar claramente os relacionamentos de equivalência, associação, hierárquicos e homônimos existentes entre termos.” ANSI/NISO Monolingual Thesaurus Standard

• Servem para:– Garantir que conceitos sejam descritos consistentemente – Permitir com que usuários possam refinar buscas e localizar a

informação que necessitam.

• Contam com uma lista de relacionamentos pré defidos adicionais (além do de generalização)– Sinônimo - Similar a, Equivalente,– Homônimo – mesma grafia,– Mais amplo do que – hierarquia, pai de, super classe,– Mais restrito do que - hierarquia – filho de, sub classe,– Associado - relacionado a,


Diferenças: Tesauro e Ontologia

• Relacionamentos Pré Definidos: únicos tipos de relacionamento que podem existir entre os termos de um Tesauro

• Muitas vezes é necessário relacionar conceitos utilizando relacionamentos do tipo parte-de, membro-conjunto, fase-processo, lugar-região, material-objeto, causa-efeito

• Não se pode:– exprimir outros tipos de relacionamento além dos pré

definidos:

• Para isto é necessário construir uma ontologia.


Exemplo de Tesauro- WordNet

• Resultado da busca ao termo “tank” (tanque) no WordNet.


Enfoques

• Inteligência artificial – Engenharia do conhecimento

– Esforços voltados ao mapeamento de domínios, criação de grandes bases de conhecimento para mapear o conhecimento humano

– Construídas por experts

• Web semântica– Ontologias voltadas para aplicações específicas– Construídas por engenheiros de software


IA

• Enfoque top down• Tempos antigos “divide et impera”• Sistema e sub-sistema [von Bertalanffy]• Dijkstra (programming considered a human activity)

• Especifica as partes individualmente• Satisfeito? O problema está resolvido?• Constrói as partes individualmente

Se uma das partes ainda é complexa: subdividir


Ontologias enfoque Top-down

• Cyc upper ontology– Base de conhecimento com 3000 termos (termos

mais gerais da realidade consensual dos humanos)

• WordNet– Banco de dados léxico para a língua inglesa com

mais de 42.000 termos


CYC


Exemplo WordNet

WordNet 1.7.1 Search Search word:

Results for "Synonyms, ordered by estimated frequency" search of noun "dessert"

1 sense of dessert

Sense 1dessert -- (a dish served as the last course of a meal) => course -- (part of a meal served at one time; "she prepared a three course meal")

Return to overview for dessert Return to WordNet home


Ontologias de Topo

• Ontology Schemas– Abstrações de alto nível que restringem a

construção • Objetos e Processos (3D versus 4D)

– Grandes Controvérsias• Sumo, Dolce, Onions, GALEN, SBU,…

– Necessárias quando se trabalha em grupos muito grandes.


Web Semântica

• Grande número de pequenas ontologias interligadas

• Em alguns anos toda empresa, universidade, agência governamental terá seu conteúdo conectado a uma ontologia

• James Hendler, Agents and the Semantic Web


Pequenas ontologias existirão em toda parte

Todos dispositivos possuem ontologia própria

Ref: Harry Chen


Ontologias de Domínio

• Conceitos específicos a um campo ou área de conhecimento

• Animais, Doenças, Comida, Arte, ….– Onde começar

• Enterder ontologias no sentido bottom up ou middle out.

• Níveis– Ontologias de Domínio de Topo – Pontos de partida para

aquele domínio ou área de conhecimento• Seres Vivos, Região Geográfica…

– Ontologia de Domínio – conceitos da área• Gato, Elefante, Montanha, Rio

– Instances – the things in the world• Garfield, Pico das Agulhas Negras.


Ontologias são apenas o começo...

OntologiasOntologias

Agentes de

Software

Agentes de

Software Métodos para

Resolução de

Problemas

Métodos para

Resolução de

Problemas

Aplicações

Independentes de

Domínio

Aplicações

Independentes de

Domínio

Bases de

Dados

Bases de

Dados

Declararestrutura

Bases de

Conhecimento

Bases de

Conhecimento

Fornecerdescrições de

Domínio

Web

Semântica

Web

Semântica

Ref: Rector et al

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