Introdução às Ontologias

1. Introdução às Ontologias Jacques Robin e Franklin Ramalho CIn-UFPE

2. Roteiro • O que é uma ontologia? • Elementos de uma ontologia • Origem e motivação das ontologias • Tipologias das ontologias • Exemplo de ontologia conceitual especialista • Exemplo de ontologia conceitual geral • Exemplo de ontologia lingüística geral • Problemática geral e questões sobre ontologias

3. O que é uma ontologia? • Definição: especificação (semi-)formal explícita de uma concepção compartilhada • Concepção: modelo das entidades, relações, axiomas e regras de algum domínio • Formal: • processável por máquina • permitindo raciocínio automático • com semântica lógica formal • Compartilhada: por uma comunidade, permitindo entendimento • Conceitos de computação relacionados: • Base de conhecimento reutilizável • Esquema de banco de dados

4. Elementos de uma ontologia • Hierarquia de conceitos: • entidades • cada entidade definida por conjunto de pares atributo-valor • correspondem: • as classes dos modelos orientado a objetos • as entidades do modelo relacional • aos termos do modelo lógico • atributos propriedades x atributos relações • preenchidos por valores atômicas (tipos primitivos) x por outros conceitos • Status epistemológico do valor • Exatamente conhecida, default, probabilista • relações • sem hierarquia x em hierarquia paralela a hierarquia de entidades • correspondem: • associações, agregações e atributos dos modelos OO cujos valores são objetos • as relações do modelo relacional • aos predicados do modelo lógico

5. Elementos de uma ontologia • Restrições: • sobre valores possíveis dos atributos do conceitos • correspondem: • as assinaturas de classes em modelos OO • as axiomas universalmente quantificados em modelos lógicos • as restrições de integridade nos esquema de BD • Regras dedutivas: • sobre atributos de (conjunto de) conceitos • permitem inferência automática da existência de instâncias de conceitos a partir da existência de outras instâncias • correspondem: • as regras dos sistemas especialistas e programação em lógica • aos métodos dos modelos OO • as visões em BD

6. Elementos de uma ontologia • Instâncias de conceitos: • definição de entidade e relações específicos (indivíduos) • correspondem: • aos fatos de sistemas especialistas e programação em lógica • aos objetos dos modelos OO • aos dados dos BD

7. Serviços suportados por uma ontologia • Consultas e manipulação: • correspondem: • métodos de acesso a valor e de reflexão em linguagens OO • consultas de interrogação e manipulação em BD • ask, tell e retract das bases de conhecimento • sobre conceitos: • Quais são as entidades E relacionadas a entidade e0 via relações r1, r2? • Quais são as relações R mais gerais que r1? • Definição d de entidade E é consistente com o resto da ontologia? • sobre instâncias • um indivíduo I com propriedades P1, ..., Pn é instância de quais conceitos? • Raciocínio automático • geralmente dedutivo

8. Sistemas Especialistas desde 80 Psicologia Cognitiva desde 60 Lingüística desde 60 Processamento de Linguagem Natural desde 80 Origem e motivação para ontologias Gerenciamento do Conhecimento em Organizações desde 90 Integração de Dados desde 95 Ontologias Engenharia de Software: requisitos e reuso desde 90 Filosofia desde 350 A.C. Sistemas Multi-agentes desde 95 Recuperação de Informação na Web desde 00

9. Tipologia das ontologias • Especialista: modela um domínio particular restrito • Geral: • modela o conhecimento de senso comum compartilhado por todos os seres humanos • parte de mais alto nível, reutilizável em vários domínios • Conceitual: fundamentada na capacidade de raciocinar • Lingüística: fundamenta no vocabulário de uma(s) língua(s) • De meta-dados: “especializada” na descrição de recursos on-line, no entanto sobre qualquer domínio • De tarefas e métodos: modela procedimentos e comportamentos abstratos no lugar de entidades ou relações

10. Exemplo de ontologia especialista: fragmentos de uma ontologia acadêmicaem UML

14. Exemplo de ontologia conceitual geral: fragmentos da ontologia de senso comum de Russell e Norvig em UML

16. Sub-problemas de modelagem de uma ontologia geral • Categorias e conjuntos • Medidas • Objetos compostos • Tempo • Espaço • Mudanças • Eventos e processos • Objetos físicos • Substâncias • Objetos mentais e crênças

17. Ontologias Genéricas: Categorias • Também chamadas de classes, relações, tipos ... • conjuntos de objetos com propriedades comuns • organiza e simplifica a base de conhecimento. • Exemplos de simplificação: • comprar(Maçã123) x comprar(Maçã) - classe-instância • Todo mamífero bebe leite - herança • Taxonomia: • tipo particular de ontologia: • relações hierárquicas entre classe e sub-classes em forma de árvores • propriedades discriminantes • ex. biologia sistemática

18. Relações entre Categorias • Disjunção: não há interseção entre as categorias "s Disjunção(s) Û ("c1,c2 c1Î s Ù c2Î s Ù c1¹ c2Þ c1Ç c2 = f) ex. Disjunção({Animais, Vegetais}) • Decomposição exaustiva "s,c DecomposiçãoExaustiva(s,c) Û ("i. i Î c Û$c2 c2Î s Ù i Î c2) ex. DecomposiçãoExaustiva({Americano, Canadense, Mexicano}, Norte-Americano) • Partição: decomposição exaustiva disjunta "s,c Partição(s,c) Û Disjunção(s) DecomposiçãoExaustiva(s,c) ex.. Partição(({macho, fêmea}), animal)

19. Ontologias Genéricas: também podem representar • Medidas • Valores atribuídos às propriedades dos objetos do mundo real: peso, comprimento, altura, etc... • Objetos compostos • formados por partes que também são objetos: relação “parte-de”. • Mudanças com eventos • Cálculo de eventos: um fato é verdade em um intervalo de tempo.

20. Medidas • Valores atribuídos aos objetos do mundo real: servem para descrever objetos • ex. peso, comprimento, altura, diâmetro, ... • Medidas quantitativas são fáceis de representar • ex. Tamanho(L1) = Polegadas(1,5) = Centímetros (3,81) • Medidas qualitativas são mais complicadas • ex. beleza de um poema, dificuldade de um exercício • O importante é ordenar "e1, e2 e1Î Exercícios Ù e2Î Exercícios Ù Elabora(João,e1) Ù Elabora(Pedro,e2) Þ Dificuldade(e1) < Dificuldade(e2)

21. Objetos Compostos • Objetos formados por partes que também são objetos • São caracterizados pela estrutura dos objetos que os compõem • ex. massa de um carro é a soma das massas de suas partes(carroceria, motor, pneu, ...) • Para representá-los, usamos a relação ParteDe • e.g., ParteDe(motor, Carro), ParteDe(pneu, Carro) • Exemplo: "a Bipede(a) Þ $ l1, l2, b Perna(l1) Ù Perna(l2) Ù Corpo(b) Ù ParteDe(l1,a) Ù ParteDe(l2,a)ÙParteDe(b,a) Ù Ligado(l1,b) Ù Ligado(l2,b) Ù l1 ¹ l2 Ù " l3 Perna(l3) Ù ParteDe(l3,a) Þ (l3 = l1 Ú l3 = l2)

22. Objetos Compostos • ParteDe também serve para descrever estrutura de eventos: Script ou Schema • ex. comer no restaurante • Quando se está interessado apenas nas características do conjunto: BunchOf • ex. peso do saco de Maçãs • BunchOf(Maçãs) define um objeto composto formado pelas Maçãs do saco.

23. Representando Mudanças com Eventos • Cálculo de situações: • adequado quando temos um único agente realizando ações discretas e instantâneas (uma ação por situação). • inadequado quando: • existem vários agentes no mundo. • o mundo pode mudar espontaneamente. • mudanças ocorrem continuamente. • Cálculo de eventos: versão contínua do calculo de situações • No cálculo de situações, um fato é verdade em uma situação • No cálculo de eventos, uma coisa é verdade num intervalo de tempo • ex. SubEvento(BatalhaDaNormandia,SegundaGuerraMundial) SubEvento(SegundaGuerraMundial, SéculoXX)

24. Representando Mudanças com Eventos

25. i Meet(i,j) j i Before(i,j) After(j,i) j i During(i,j) j i Overlap(i,j) j Tempos, Intervalos e Ações

26. Cálculo de Eventos: Exemplos • Se duas pessoas ficaram noivas, então em algum intervalo no futuro elas irão se casar ou acabar o noivado: "x,y,i0 T(Noivado(x,y),i0) Þ $i1 (Encontra(i0,i1) È Depois(i1,i0)) Ù T(Casamento(x,y) È FimNoivado(x,y), i1) • A segunda guerra de Canudos ocorreu na Bahia no século XIX $g g Î Guerras Ù SubEvento(g,SéculoXIX) Ù ParteDe(Localização(g),Bahia)

27. Exemplo de ontologia lingüística geral: fragmentos de WordNet em UML

28. Wordnet • Princeton WordNet: • redes semântica de 70100 significados • de 95600 palavras (57000 substantivos) do inglês • organizados em 4 categorias sintática: substantivos, verbos, adjetivos e advérbios, • são agrupados em conjuntos de sinônimos • disponível online:http://www.cogsci.princeton.edu/~wn/ • resulta de 15 anos de desenvolvimento manual por time de psico-lingüistas • EuroWordNet: http://www.hum.uva.nl/~ewn/ • Resultado de um grande projeto da comunidade européia • Versão multi-língua adicionando e inter-ligando WordNets do Espanhol, Francês, Italiano, Alemão, Holandês, Tcheco e Estoniano ao do Inglês

29. unit, social unit Person, individual, someone, human family, household, menage relative, relation body,organic structure Brother, blood brother sister, sis leg arm hipernímia meronímia antonímia sinonímia Legenda: Wordnet

30. WordNet Online

32. Aplicações com o WordNet • Extração e recuperação de informação • Classificação de texto • Ensino de linguagens • Construção de redes semânticas em outras linguagens (EuroWordnet) • Chatterbots (Geração e interpretação de texto)

34. Problemática geral e questões sobre ontologias • Divisão: • como delimito as classes e os atributos? • quais são as distinções que trazem valor agregado? • Escopo: • qual conhecimento incluir? • qual a fronteira do meu domínio? • Granularidade: • até que nível de detalhe modelar os domínio? • problema da ramificação? • Validação: • como avalio a qualidade do modelo? • como escolho entre várias modelagem alternativas (as vezes propostas por pessoas diferentes)?] • como identificar aspectos importantes que estão faltando?

35. Problemática geral e questões sobre ontologias • Muito difícil responder a essas perguntas porque: • Almejados reuso e relativa independência de aplicação impedem ser guiado completamente pelos requisitos de uma aplicação restrita • Para ontologias gerais de senso comum pior devido a imensidão em largura e profundidade do conhecimento a modelar • Metodologias ainda incipientes • Methontology: • Sensus: http://www.isi.edu/natural-language/resources/sensus.html • No entanto, já existe tentativa de padronização: http://suo.ieee.org/