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

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

2 Roteiro 1.Motivação 2.Conceitos 3.Projeto 4.Prática de Projeto 5.Protégé 6.Construção de Ontologias 7.Feedback Projeto e Desenvolvimento de Ontologias 2

3 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 4

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 5

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

7 Conceitos

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

9 Noção (mais) Precisa de Ontologia formal explícita conceituação compartilhada ().Especificação formal explícita de uma conceituação compartilhada (Gruber, 1993). Conceituação:Conceituação: modelo das entidades, relações, axiomas e regras de algum domínio. Formal:Formal: Processável por máquina Permitindo raciocínio automático Com semântica lógica formal Compartilhada:Compartilhada: por uma comunidade, permitindo entendimento. ConceitosConceitos de computação relacionados: Base de conhecimento reutilizável Esquema de banco de dados Projeto e Desenvolvimento de Ontologias 9

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

11 Tipologia das Ontologias Especialista: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:Conceitual: fundamentada na capacidade de raciocinar. Lingüística:Lingüística: fundamentada no vocabulário de alguma(s) língua(s). De Meta-dados:De Meta-dados: especializada na descrição de recursos on-line sobre qualquer domínio De Tarefas e Métodos:De Tarefas e Métodos: modela procedimentos e comportamentos abstratos no lugar de entidades ou relações Projeto e Desenvolvimento de Ontologias 11

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 12

13 Wordnet Princeton WordNet: redes semânticas de significados de palavras ( substantivos) do inglês organizados em 4 categorias sintática: substantivos, verbos, adjetivos e advérbios, são agrupados em conjuntos de sinônimos disponível online: resulta de mais de 15 anos de desenvolvimento manual por time de psico-lingüistas EuroWordNet: 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 13

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 14

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

16 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: –Vocabulários e ontologias: on/metadados.html –FOAF (Friend Of A Friend)

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

18 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. (define:thesaurus)./

19 Projeto e Desenvolvimento de Ontologias 19 Taxonomias Teoria e prática de descrever, nomear e classificar plantas e animais. (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.

20 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. (define:semantic network).

21 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. (define:ontology).

22 Projeto

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

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 24

25 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.

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

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

28 Passo1: Determinar o Domínio e o Escopo 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 28 determine scope consider reuse enumerate terms define classes define properties define constraints create instances

29 Projeto e Desenvolvimento de Ontologias 29 Passo 2: Considerar a Reutilização 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. determine scope consider reuse enumerate terms define classes define properties define constraints create instances

30 Projeto e Desenvolvimento de Ontologias 30 O que reutilizar? Bibliotecas de Ontologias –Protégé Ontology Library –DAML ontology library –Ontolingua Ontology Library Ontologias de Senso Comum –IEEE Standard Upper Ontology: –Cyc: Swoogle:

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

32 Projeto e Desenvolvimento de Ontologias 32 Passo 4: Definir Classes e Hierarquias de Classes 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. consider reuse determine scope define classes define properties define constraints create instances enumerate terms

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 33

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 34

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

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 36

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 37

38 Passo 5: Definir as Propriedades das Classes – Slots Os slots, na definição de uma classe, descrevem atributos de instâncias da classe e sua relação com outras instâncias Cada vinho possui uma cor, quantidade de açucar, produtor, distribuidor, ano de safra, etc. Projeto e Desenvolvimento de Ontologias 38 consider reuse determine scope define constraints create instances enumerate terms define classes define properties

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 39

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 40

41 Passo 6: Definir Restrições 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 41 consider reuse determine scope create instances enumerate terms define classes define constraints define properties

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 42

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 43

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 44

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 45

46 Passo 7: Criação de Instâncias 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 46 consider reuse determine scope create instances enumerate terms define classes define properties define constraints

47 Revisão : O s 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 47


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