Engenharia de Dados

1. Mini-Curso Introdução à Web Semântica Engenharia de Dados Projeto e Desenvolvimento de Ontologias Luiz A M Palazzo André D Jardim Universidade Católica de Pelotas Centro Politécnico Abril de 2009

2. Roteiro Motivação Conceitos Projeto Prática de Projeto Protégé Construção de Ontologias Feedback Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

3. 1 Motivação

4. Noção Informal de Ontologia • Ramo da filosofia que lida com a natureza e organização da realidade. • Ciência do ser (Aristóteles). • Tenta responder as questões: • O que é ser ? • Quais as características comuns a todos os seres? • Em computação: Uma especificação formal compartilhada de uma conceitualização (Gruber, 1993). Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

5. Mas, ontologias para quê? • Para compartilhar conhecimento comum sobre a estrutura da informação: • Entre pessoas • Entre agentes de software (programas) • Para permitir a reutilização do conhecimento sobre um domínio: • Para evitar a “reinvenção da roda” • Para introduzir padrões que permitam a interoperabilidade entre aplicações Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

6. Onde Aplicar Ontologias? Recuperação de informações, Bibliotecas digitais, Gestão de conhecimento Web semântica, Computação pervasiva, Processamento da linguagem natural, Comércio eletrônico, Sistemas multiagentes... Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

7. 2 Conceitos

8. Conceitos Noção precisa de Ontologia Elementos de uma Ontologia Exemplos de Ontologia Vocabulários Glossários Thesauri Taxonomias Redes Semânticas Ontologias Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

9. Noção (mais) Precisa de Ontologia • Especificação formal explícita de uma conceituação compartilhada (Gruber, 1993). • Conceituação: 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 Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

10. Elementos em uma Ontologia Hierarquias de conceitos Entidades Relações Atributos Restrições Regras Dedutivas Instâncias de Conceitos Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

11. 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: fundamentada no vocabulário de alguma(s) língua(s). • De Meta-dados: “especializada” na descrição de recursos on-line sobre qualquer domínio • De Tarefas e Métodos: modela procedimentos e comportamentos abstratos no lugar de entidades ou relações Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

12. Problemas de Modelagem Categorias e conjuntos Medidas Objetos compostos Tempo Espaço Mudanças Eventos e processos Objetos físicos Substâncias Objetos mentais e crenças Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

13. Wordnet • Princeton WordNet: • redes semânticas de 155.287 significados • de 206.941 palavras (146.312 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 mais 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 Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

14. Aplicações com o WordNet Extração e recuperação de informação Classificação de texto Ensino de linguagens Construção de redes semânticas em outras linguagens (EuroWordnet) Robôs de Chat (Geração e interpretação de texto) Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

15. Construindo Ontologias Vocabulários Glossários Thesauri Taxonomias Redes Semânticas Ontologias Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

16. Vocabulários • São conjuntos de termos que descrevem as entidades do domínio e as relações entre elas. • Há vocabulários estabelecidos para diferentes classes de domínios: • Dublin Core: http://dublincore.org/ • Vocabulários e ontologias: http://www-usr.inf.ufsm.br/~rrocha/proj/cva-on/metadados.html • FOAF (Friend Of A Friend) Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

17. Glossários • Uma lista alfabética de termos, limitados a uma área de conhecimento especial, acompanhados das respectivas definições. • http://www.google.com (define:glossary). Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

18. Thesaurus • Uma compilação de termos, com os respectivos sinônimos e/ou antônimos e termos relacionados empregada na indexação de bases de dados. • Forma um vocabulário controlado para descrever os registros na base de dados. • http://www.google.com/ (define:thesaurus). Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

19. Taxonomias • Teoria e prática de descrever, nomear e classificar plantas e animais. • http://www.google.com/ (define:taxonomy). • Vocabulário controlado, usado principalmente para a criação de estruturas de navegação para um sítio na Web. • Freqüentemente baseada em um tesauro, mas pode apresentar hierarquias mais superficiais, ou ausências de alguma estrutura. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

20. Redes Semânticas • Grafos direcionados e rotulados, com nodos representando objetos físicos ou conceituais e arcos representando relações entre os objetos. • Permitem o uso de regras genéricas, herança e programação orientada a objetos. • http://www.google.com/ (define:”semantic network”). Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

21. Ontologias • Empregam um vocabulário controlado que descreve os objetos do domínio e as relações entre eles. • Possuem uma gramática para usar os termos do vocabulário na expressão de algo significativo sobre o domínio de interesse. • O vocabulário é empregado na construção de consultas e declarações. • Ontologias podem incluir glossários, taxonomias e tesauros, mas normalmente apresentam maior expressividade e capacidade de inferência. • http://www.google.com/ (define:ontology). Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

22. 3 Projeto

23. Roteiro • Engenharia de Ontologias • Projeto de Ontologias • Domínio e Escopo • Reutilização • Termos • Classes • Propriedades • Restrições • Instâncias Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

24. Engenharia de Ontologias • Definir os termos do domínio e o relacionamento entre eles: • Definir os conceitos do domínio (classes) • Organizar os conceitos em uma hierarquia (sub-classes e superclasses). • Definir os atributos e propriedades (slots) que as classes podem apresentar e as restrições sobre seus valores. • Definir indivíduos e os valores de seus slots Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

25. Projeto de Ontologias • Metodologia 101 (Noy & McGuiness): • Determinar o domínio e o escopo, • Considerar reutilização, • Enumerar Termos, • Definir Classes, • Definir Propriedades, • Definir Restrições, • Criar Instâncias. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

26. A ontologia é só o começo: Bases de Dados Declarar estrutura Ontologias Bases de Conhecimento Descrição do domínio AplicaçõesIndependentes Agentes de Software Solução de Problemas Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

27. Metodologia 101 determine scope consider reuse enumerate terms define classes define properties define constraints create instances determine scope consider reuse enumerate terms consider reuse define classes enumerate terms define classes define properties define classes define properties define constraints create instances define classes create instances consider reuse define properties define constraints create instances • Na realidade, um processo interativo: Projeto e Desenvolvimento de Ontologias Em teoria:

28. Passo1: Determinar o Domínio e o Escopo determine scope consider reuse enumerate terms define classes define properties define constraints create instances Qual o domínio a ser coberto pela ontologia? Para quê será usada esta ontologia? Para que tipo de questões a informação na ontologia deve oferecer respostas? Respostas a estas questões podem mudar ao longo do ciclo de vida da ontologia. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

29. Passo 2: Considerar a Reutilização consider reuse determine scope enumerate terms define classes define properties define constraints create instances • Por que reutilizar ontologias? • Para poupar esforços. • Para interagir com as ferramentas que usam outras ontologias. • Para empregar ontologias que foram validadas através do uso em outras aplicações. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

30. O que reutilizar? • Bibliotecas de Ontologias • Protégé Ontology Library http://protege.stanford.edu/ontologies.html • DAML ontology library http://www.daml.org/ontologies/ • Ontolingua Ontology Library http://www.ksl.stanford.edu/software/ontolingua/ • Ontologias de SensoComum • IEEE Standard Upper Ontology: http://suo.ieee.org/ • Cyc: http://www.cyc.com/ • Swoogle: http://swoogle.umbc.edu Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

31. Passo 3: Enumerar os Termos Importantes enumerate terms consider reuse determine scope define classes define properties define constraints create instances • Quais os termos sobre os quais se vai falar? • Quais as propriedades desses termos? • O que se quer dizer sobre esses termos? Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

32. Passo 4: Definir Classes e Hierarquias de Classes define classes consider reuse enumerate terms determine scope define properties define constraints create instances • Uma classe é um conceito do domínio. • Representa uma coleção de elementos com propriedades similares. • Classes podem ser estruturadas em hierarquias, incluindo os conceitos de superclasses e subclasses. • Os objetos do domínio são instâncias de classes. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

33. Herança entre Classes As classes normalmente constituem uma hierarquia taxonômica. Uma hierarquia de classes é uma hierarquia É_UM. Uma instância de uma subclasse é uma instância de uma superclasse. Se a classe for pensada como um conjunto de elementos, uma subclasse é um subconjunto. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

34. Exemplos • Maçã é uma subclasse de Fruta: • Toda maçã é uma fruta. • Vinho Tinto é uma subclasse de Vinho: • Todo vinho tinto é um vinho. • Chianti é uma subclasse de Vinho Tinto: • Todo Chianti é um vinho tinto. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

35. Níveis na Hierarquia de Classes Nível Superior Nível Interme- diário Nível Inferior Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

36. Formas de Desenvolvimento Top-down – define os conceitos mais gerais e depois os especializa. Bottom-up – define os conceitos mais específicos e então os organiza em classes mais gerais. Middle-out – define os conceitos mais importantes primeiro e depois os generaliza ou especializa, conforme o caso. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

37. Documentação • Classes (e slots) usualmente possuem documentação: • Descrevendo a classe em linguagem natural • Listando hipóteses do domínio relevantes para a definição da classe • Listando sinônimos • Documentar classes e seus slots é tão importante quanto documentar o código de programas. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

38. Passo 5: Definir as Propriedades das Classes – Slots define properties determine scope consider reuse enumerate terms define classes define constraints create instances Os slots, nadefinição de umaclasse, descrevematributos de instâncias da classe e suarelação com outrasinstâncias Cadavinhopossuiumacor, quantidade de açucar, produtor, distribuidor, ano de safra, etc. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

39. Propriedades (Slots) • Tipos de Propriedades: • Propriedades intrínsecas: sabor e cor de um vinho. • Propriedades extrínsecas: nome e preço de um vinho. • Partes: ingredientes em um prato. • Relações com outros objetos: produtor do vinho (adega). • Propriedades Simples e Complexas: • Propriedades simples (atributos): contém valores primitivos (strings, números, ...). • Propriedades complexas: contém (ou apontam para) outros objetos. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

40. Slots e Herança de Classes • Uma subclasse herda todos os slots da superclasse • Se um vinho tem um nome e um sabor, um vinho tinto também tem um nome e um sabor. • Se uma classe tem múltiplas superclasses ela herda os slots de todas elas. • Vinho do porto é tanto um vinho de sobremesa quanto um vinho tinto. • Ele herda “conteúdo de açucar: alto” da primeira superclasse e “cor:vermelha” da segunda. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

41. Passo 6: Definir Restrições define constraints determine scope consider reuse enumerate terms create instances define classes define properties • Restrições sobre Propriedades (facetas) descrevem ou limitam o conjunto de valores possíveis para um slot. • O nome de um vinho é um string • O produtor do vinho é uma instância de adega • A adega possui exatamente uma localização Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

42. Facetas Comuns Cardinalidade do Slot – o número de valores que um slot possui. Tipo de Valor do Slot – o tipo de valor que o slot pode apresentar. Valores Mínimo e Máximo – um intervalo de valores para um slot numérico. Valor Default – o valor que um slot apresenta, a menos que explicitamente especificado de outra forma. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

43. Cardinalidade do Slot • Cardinalidade • Cardinalidade N significa que o slot deve ter N valores. • Cardinalidade Mínima • Cardinalidade mínima 1 significa que o slot deve apresentar pelo menos um valor (requerido) • Cardinalidade mínima 0 significa que o valor do slot é opcional. • Cardinalidade Máxima • Cardinalidade máxima 1 significa que o slot pode ter no máximo um valor (slot monovalorado) • Cardinalidade máxima maior do que 1 significa que o slot pode ter mais do que um valor (slot multivalorado) Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

44. Tipos de Valores • String: um string de caracteres (“Château Lafite”) • Numero: inteiro ou em ponto flutuante (15, 4.5) • Booleano: um valor lógico verdadeiro/falso • Tipo enumerado: uma lista de valores permitidos (alto, médio, baixo) • Tipo complexo: uma instância de uma outra classe. • Especificar a classe a que a instância pertence Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

45. Facetas e Herança entre Classes • Uma subclasse herda todos os slots da superclasse. • Uma subclasse pode reescrever as facetas para restringir a lista de valores permitidos. • Diminuir o escopo da cardinalidade • Substituir uma classe em um determinado escopo por uma subclasse. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

46. Passo 7: Criação de Instâncias create instances determine scope consider reuse enumerate terms define classes define constraints define properties • Criar uma instância de uma classe: • A classe se torna um tipo direto da instância. • Qualquer superclasse do tipo direto é um tipo da instância. • Atribuir os valores dos slots para a instância: • Devem estar de acordo com as restrições nas facetas • Ferramentas de aquisição de conhecimento podem ser empregadas para esta verificação. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias

47. Revisão: Os Sete Passos • Determinar o domínio e o escopo, • Considerar reutilização, • Enumerar Termos, • Definir Classes, • Definir Propriedades, • Definir Restrições, • Criar Instâncias. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias