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Prof. Fred Freitas - Ontologias Prof. Fred Freitas CIn - UFPE.

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1 Prof. Fred Freitas - Ontologias Prof. Fred Freitas CIn - UFPE

2 Prof. Fred Freitas - 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 Prof. Fred Freitas - 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 Prof. Fred Freitas - 4 O que é uma ontologia?

5 Prof. Fred Freitas - 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 Prof. Fred Freitas - 6 Relacionamentos na Ontologia Ciência

7 Prof. Fred Freitas - 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 (=> (and (own-slot-not-null ID ?person1) (own-slot-not-null ID ?person2)) (=> (not(= ?person1 ?person2)) (not(= (ID ?person1) (ID ?person2))))))

8 Uma pizza de 4 queijos: Roquefort  Queijo Muzzarela  Queijo... Pizza4Queijos ≡ Pizza and temCobertura some Tomate and temCobertura = 4 Queijo and temCobertura only (Queijo or Tomate) Axiomas de definição

9 Prof. Fred Freitas - 9 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

10 Prof. Fred Freitas - Contexto das Ontologias em Informática

11 Prof. Fred Freitas - 11 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”

12 Prof. Fred Freitas - 12 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

13 Prof. Fred Freitas - 13 Soluções possíveis para o tratamento de i nformação 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 => Ontologias desempenham um papel fundamental em ambas as soluções!

14 Prof. Fred Freitas - Contexto das Ontologias em Inteligência Artificial Simbólica

15 Prof. Fred Freitas - 15 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

16 Prof. Fred Freitas - 16 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

17 Prof. Fred Freitas - 17 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

18 Prof. Fred Freitas - Formalismos orientados a domínios

19 Prof. Fred Freitas - 19 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)

20 Prof. Fred Freitas - 20 Redes Semânticas X: pessoa ( nome => id ( primeiro => string, último => Y: string ), Cônjuge => pessoa ( nome => id ( último => Y),Cônjuge => X))

21 Prof. Fred Freitas - 21 Comer Pássaro Animal Mamífero Cão Pêlos Ako tem faz Exemplo de ontologias em redes semânticas Fido Is-a (instanciação)

22 Prof. Fred Freitas - 22 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 1:1 ou 1:n –A não ser reificando-as......

23 Prof. Fred Freitas - 23 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

24 Prof. Fred Freitas - 24 Frames AnimaisAnimais Vivo: V Voa: F PássarosPássarosMamíferosMamíferos SubconjuntoSubconjunto SubconjuntoSubconjunto SubconjuntoSubconjuntoSubconjuntoSubconjuntoSubconjuntoSubconjunto MembroMembroMembroMembroMembroMembro CanáriosCanáriosGatosGatosHumanosHumanos Piu-piuPiu-piuFrajolaFrajolaFredFred Pernas: 2 Voa: V Pernas: 4 Cor: Amarelo Pernas: 2 Nome: Piu-piu Amigo:Amigo: Nome: Frajola Amigo:Amigo: Nome: Fred [Figueira 98]

25 Prof. Fred Freitas - 25 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

26 Prof. Fred Freitas - 26 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-slot name (type STRING) (cardinality 1 1))) ([Locations_00427] of City (is-Part-Of [WA]) (name "Washington"))

27 Prof. Fred Freitas - 27 Facetas mais comuns em sistemas de Frames Valor default Valores permitidos (allowed-values) Domínio –Ex: Cardinalidade máxima e mínima Tipo: inteiro, string, booleano, float, símbolo, instância Classes permitidas (allowed-classes): válida apenas para slots do tipo instância

28 Prof. Fred Freitas - 28 Frames x Objetos procedimentais 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} [ Farquhar 97]

29 Prof. Fred Freitas - 29 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

30 Prof. Fred Freitas - 30 Regra e frames (defrule x (object (is-a City) (is-Part-Of nil) (name ?a)) => (printout t “Specify a state for “ ?a crlf)) 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

31 Prof. Fred Freitas - Análise: Problemas de SBCs

32 Prof. Fred Freitas - 32 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

33 Prof. Fred Freitas - 33 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?

34 Prof. Fred Freitas - 34 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!

35 Prof. Fred Freitas - Ontologias

36 Prof. Fred Freitas - 36 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

37 Prof. Fred Freitas - 37 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

38 Prof. Fred Freitas - 38 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]

39 Prof. Fred Freitas - 39 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

40 Prof. Fred Freitas - Tipos de ontologias quanto ao grau de genericidade adaptado de [Gómez-Perez 99]

41 Prof. Fred Freitas - 41 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

42 Prof. Fred Freitas - 42 Definição de partição na Frame-Ontology (defrelation Class-Partition (?set-of-classes) := (and (=> (and ?c1 ?set-of-classes) ?c2 ?set-of-classes) (not (= ?c1 ?c2))) ?c1 ?c2)) (=> ?c ?set-of-classes) ?c)) ?set-of-classes)))

43 Prof. Fred Freitas - 43 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]

44 Prof. Fred Freitas - 44 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

45 Prof. Fred Freitas - 45 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

46 Prof. Fred Freitas - Benefícios e Ferramentas de Ontologias

47 Prof. Fred Freitas - 47 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

48 Prof. Fred Freitas - 48 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

49 Prof. Fred Freitas - 49 Editor da Ontolingua [Fikes 98]

50 Prof. Fred Freitas - 50 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

51 Prof. Fred Freitas - 51 Usos da Ontolingua Colaboradores remotos Escritores Leitores Aplicações remotas DB Aplic. GUI Aplicações stand-alone Aplic. BC KQ ML NGF P Servidor / Editor de Ontologias Editor Servidor HTT P NGF P Tradutores: LOOM,IDL,CLIPS... Bibl Transferência de arquivos (Batch)

52 Prof. Fred Freitas - 52 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

53 Prof. Fred Freitas - 53 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)

54 Prof. Fred Freitas - 54 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)

55 Prof. Fred Freitas - 55 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))))

56 Prof. Fred Freitas - 56 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)”)))

57 Prof. Fred Freitas - 57 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

58 Prof. Fred Freitas - 58 Plugin OKBC acessando a Ontolingua

59 Prof. Fred Freitas - 59 Importando BCs via OKBC

60 Prof. Fred Freitas - 60 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

61 Prof. Fred Freitas - 61 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

62 Prof. Fred Freitas - 62 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

63 Prof. Fred Freitas - Aplicações de Ontologias

64 Prof. Fred Freitas - 64 Ramos de aplicação Comércio eletrônico Gestão de conhecimento Workflow Tratamento inteligente de informação Web semântica!

65 Prof. Fred Freitas - 65 PACT (Palo Alto Collaboration Testbed ) 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 [Cutovsky et al 93]

66 Prof. Fred Freitas - 66 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))

67 Você já ouviu falar de Siri?

68 Não este!

69 O futuro no celular: Siri

70 A capacidade de lidar com contextos

71 Renault: diagnósticos e manuais“on-the-fly”

72 Vodafone: busca semântica Richard Benjamins

73 public-data-sets-bring-the-cloud-of-data- closer/ Outros tic_technologies/index.html

74 Muitas aplicações aparecendo... BBC: anotações dos jogos olímpicos... e da copa 2013 Globo: todas as mídias semanticamente anotadas Audi Governos Italiano, Espanhol,......

75 Prof. Fred Freitas - 75 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 –Modularização de ontologias

76 Prof. Fred Freitas - 76 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]

77 Prof. Fred Freitas - 77 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


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