Ontologias e Web Semântica

Ontologias e Web Semântica
Charles Alberton Herdt Dyson Pereira Junior Maurício Edgar Stivanello

Roteiro Introdução Ontologias Web Semântica

Introdução Cenário Atual
Internet introduz um problema de manipulação de informação: Possui grande volume de informações não estruturadas ou pouco estruturadas; Alguns dos grandes problemas são: Consulta: encontrar o que se deseja Integração: integrar informações de várias fontes Interpretação: extrair significado das páginas Comunicação: interconectar sistemas

Introdução Cenário Atual - Consultas
O modelo atual de busca não é preciso, pela falta de semântica; O grande volume de informações não estruturadas agrava a situação; Problema de precisão, pois é baseado em links e palavras chave

Introdução Cenário Atual - Consultas

Introdução Cenário Atual - Integração
Integração de Informações: O site A tem descrição de produtos de software; O site B tem preços de material de computação; Problema: Combinar produtos e preços; Dificuldade Como integrar tais informações?

Introdução Cenário Atual - Interpretação
Humanos extraem significado com facilidade; Para as máquinas não é tão fácil; Como é possível extrair informações sem conhecer de antemão o formato utilizado na criação das páginas?

Nome Foto

A extração de informações somente é possível para um conjunto de páginas com formato bem conhecido ( através de wrappers ); Ex: Coleta de títulos e preço de vendas em um site de comércio eletrônico;

Introdução Cenário Atual - Comunicação
Como interconectar sistemas que falam da mesma coisa mas com linguagens diferentes?

Introdução Cenário Atual
Resumindo: O conteúdo pode ser lido, mas é difícil de ser processado pela máquina; É difícil automatizar processos; Solução: A solução seria descrever os dados contidos na Web e representá-los de forma conveniente...

Introdução Cenário Atual - Solução...
A IA forneceu alternativas para resolver problemas de manipulação de informação na Internet; Resurge o paradigma declarativo lógico para a resolução dos problemas surgidos com a Internet;

Introdução Cenário Atual - Solução...
Como captar a semântica do conteúdo das páginas da web? Dotar os sistemas de inteligência e autonomia; Fazer com que as páginas possuam uma semântica clara e definida. As ontologias representam um papel fundamental em ambas as soluções.

Ontologias Introdução
É possível representar conhecimento através de formalismos orientados a classes e relações: Frames; Redes Semânticas; Lógicas de restrição; Estes formalismos fundamentam a representação do conhecimento em ontologias. Teoria de frames, que baseou a criação da orientação a objetos; Redes semânticas, onde são definidos conceitos e relacionamentos; Lógicas de descrição onde as definições são feitas por meio de descrições esparsas;

Ontologias Definição “Uma especificação explícita e formal de uma conceitualização compartilhada” Por Especificação explícita: definições de conceitos, relações Por formal: compreensível para agentes e sistemas Por conceitualização: se trata de um modelo abstrado de uma área de conhecimento Por compartilhado: conhecimento consensual

Ontologias Classificação das Ontologias
Tipos de Ontologias: de Representação; Gerais; Centrais; de Domínio; de Aplicação. Ontologias de representação definem as primitivas de representação - como frames, axiomas, atributos e outros – de forma declarativa. Ontologias gerais (ou de topo) trazem definições abstratas necessárias para a compreensão de aspectos do mundo, como tempo, processos, papéis, espaço, seres, coisas, etc. Ontologias centrais (core ontologies) ou genéricas de domínio definem os ramos de estudo de uma área e/ou conceitos mais genéricos e abstratos desta área. Por exemplo, a ontologia central de direito criada por Valente e Breuker [96], inclui conhecimentos normativos, de responsabilidade, reativos, de agências legais, comportamentos permitidos, etc. 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, como identificar doenças do coração, a partir de uma ontologia de domínio de cardiologia. Normalmente, ela referencia termos de uma ontologia de domínio.

Ontologias KSE – Knowledge Sharing Effort
Até anos 90, Ontologias estavam isoladas. Percebido então os benefícios da reutilização; KSE criado para prover meios de reutilização do conhecimento; Como resultado, encontram-se disponíveis várias ontologias e ferramentas. O projeto KSE (Knowledge Sharing Effort – em português, esforço de compartilhamento de conhecimento) [Farquhar 96] tornou-se pioneiro em escolher os frames como base para a construção de ontologias reusáveis e ambientes para a sua especificação e reuso.

Ontologias Ferramentas para manuseio
Ferramentas KSE (KQML, KIF, Editor de Frames, OKBC, Chimaera, Servidor, Repositório); Protégé-2000; Ferramentas KAON e Ontoprise. O projeto KSE produziu o primeiro conjunto de ferramentas para a manipulação e uso de ontologias a angariar popularidade, por dispor de um leque de funcionalidades bastante amplo. Estas ferramentas tinham por objetivos viabilizar a comunicação de agentes em nível de conhecimento e proporcionar a edição padronizada e reuso de ontologias, mesmo em formalismos de representação diferentes. KQML (Knowledge Query Manipulation Language, linguagem de manipulação de consultas a conhecimento; A linguagem KIF (Knowledge Interchange Format, formato para intercâmbio de conhecimento) foi especificada com dois propósitos: ser uma linguagem conteúdo em mensagens entre agentes, e servir como uma interlingua na tradução entre linguagens de formalismos de representação. Editor de frames ontolingua : Esta ferramenta disponibiliza uma interface de acesso através de navegadores, possibilitando a qualquer usuário da Web a visualização das ontologias criadas e disponíveis, a criação de novas e o trabalho colaborativo. Okbc: O OKBC (Open Knowledge Base Connectivity, em português, conectividade para bases de conheciemnto) [Chaudri et al 98] consiste de uma API (Application Programming Interface, interface para programação de aplicações) para garantir a interoperabilidade entre diferentes linguagens de representação. Servidor e repositório utilizados para a persistência da base; O Chimaera [McGuinness et al 2000], uma ferramenta que surgiu mais adiante, teve por motivação ajudar a resolver discrepâncias entre ontologias similares, evento freqüente após a relativa popularização das ontologias. Ela funciona como uma ferramenta para diagnose de ontologias, indicando a ausência de dados obrigatórios, por exemplo, e também para comparação entre ontologias, indicando atributos e classes semelhantes. - Na esteira destes acontecimentos, o ambiente Protégé, que vinha sendo desenvolvido pelo Departamento de Informática Médica da Universidade de Stanford face às necessidade de ontologias médicas desde os anos 80, ocupou o nicho de mercado aberto pela Ontolingua. Em seu projeto original, o Protégé era uma ferramenta de aquisição de conhecimento limitada a um sistema especialista para oncologia, o Oncocin [Gennari et al 2003]. Ela foi se modernizando para, gradativamente, acompanhar a evolução de tecnologia de SBCs.: servir para aquisição de conhecimento diretamente de especialistas de domínios - com menos dependência de engenheiros de conhecimento -, permitir diversos formalismos e estratégias de inferência, integrar tarefas (aquisição de ontologias e instâncias, ambiente de teste com inferência) num mesmo ambiente, criar automaticamente formulários para entrada de conhecimento, acessar ontologias via OKBC e a combinar de ontologias. -O grupo de ontologias da cidade de Karlsruhe, Alemanha, que congrega hoje o Instituto de Métodos Formais do Departamento de Economia, o Centro de Pesquisas em Informática (Forschungszentrum Informatik - FZI) e uma empresa, a Ontoprise, é um dos mais prolíficos em produção científica e prática na área de ontologias, tendo inclusive criado o primeiro protótipo do que viria a ser a Web semântica, o Ontobroker [Benjamins et al 98]. -E ste grupo desenvolveu uma suíte de ferramentas para ontologia e Web semântica chamada de KAON (the KArlsruhe ONtology and semantic web tool suite) [KAON 2003], e ferramentas comerciais para a aplicação de ontologias em comércio eletrônico, gestão de conehcimento em empresas e Web semântica. Entre elas estão um editor de ontologias (o OntoEdit), um servidor de ontologias baseado em bancos de dados – que respondeu em no máximo 5 segundos a testes com conceitos, 1 milhão de instâncias e atributos -, uma ferramenta para criação de ontologias a partir de texto (o Text-to-Onto [Maedche & Staab 2000]), outra para busca sobre bases de texto baseada em ontologias (SemanticMiner [Ontoprise 2003]), outra para anotação semi-automática de referências a ontologias em páginas para a Web, e outra para agrupamento de textos baseados em ontologias.

Ontologias Engenharia de Ontologias
Princípios de construção de Ontologias: Clareza; Legibilidade; Coerência; Extensibilidade; Mínima codificação; Mínimo compromisso ontológico. Clareza: Os programas usam diferentes modelos e abstrações na resolução de seus problemas. Na definição do conhecimento, deve-se ter a objetividade de definir apenas o que se presume ser útil na resolução da classe de problemas a ser atingida. Definições completas, com condições necessárias e suficientes, devem ter precedência sobre definições parciais. Legibilidade: As definições devem guardar correspondência com as definições correntes e informais. A ontologia deve usar um vocabulário compartilhável – normalmente o jargão e terminologia usados por especialistas do domínio. Coerência: As inferências derivadas da ontologia definida devem ser corretas e consistentes do ponto de vista formal e informal com as definições. Extensibilidade: A ontologia deve permitir extensões e especializações monotonicamente e com coerência, sem a necessidade de revisão de teoria, que consiste na revisão lógica automática de uma base de conhecimento em busca de contradições. Mínima codificação: Devem ser especificados conceitos genéricos independente de padrões estabelecidos para mensuração, notação e codificação, garantindo a extensibilidade. Essa genericidade é limitada pela clareza. Esta característica se contrapõe à programação imperativa orientada a objetos, porque, por exemplo, atributos de objetos trazem tipos básicos e informações sobre a implementação. Mínimo compromisso ontológico: Para maximizar o reuso, apenas o conhecimento essencial deve ser incluído, gerando a menor teoria possível acerca de cada conceito, e permitindo a criação de conceitos novos, mais especializados ou estendidos.

Ontologias Criação ontologia geográfica em 7 passos
Determinar o domínio e o escopo da ontologia; Domínio: Geografia Aplicação: Planificador de rotas Perguntas possíveis: Qual é a distância entre duas cidades? Que tipo de conexão existe entre duas cidades? Em que país se encontra uma cidade? Quantas fronteiras são atravessadas?

Reutilizar ontologias existentes; Verificar se é possível utilizar ou estender alguma das ontologias existentes. Existem várias fontes disponíveis: Ontolingua Ontology Library ( DAML Ontology Library (

Levantar termos importantes; Termos importantes para o problema de planificação de rotas: capital Conexão por terra fronteira Estado estrada cidade conexão

Definir classes e sua hierarquia; Selecionar do passo 3 somente os objetos, definindo sua hierarquia:

Definir propriedades das classes; Selecionar do passo 3 as propriedades e atribuir às classes:

Definir restrições das propriedades; Tipo de propriedade; Valores permitidos; Cardinalidade; Tipos de relacionamentos.

Definir restrições das propriedades; Inverso Simétrico Transitivo

Instanciar as classes, criando a base de conhecimento.

Web Semântica Introdução
Evolução da Web atual; Definição W3C: É a idéia de se ter dados na web definidos e ligados de maneira tal que possam ser usados por máquinas não só com o objetivo de apresentação, mas para automação, integração e reuso de dados entre aplicações. Idealizada por Tim Berners-Lee; Falar sobre a Web Semântica, que vem a ser a tentativa de evoluir a Web e resolver os problemas anteriormente citados; Basicamente o que se deseja é organizar os dados onde eles estejam descritos e ligados de tal maneira que seja possível além da apresentação, a manipulação desse conhecimento por computadores. Sir Timothy "Tim" John Berners-Lee (born June 8, 1955 in London) is the inventor of the World Wide Web and director of the World Wide Web Consortium, which oversees its continued development.

Web Semântica Web Atual X Web Semântica
A idéia é que se evolua de uma Web temos recursos e ligações sem descrição; Para uma Web onde se tenha recursos e relacionamentos identificaveis.

Berners Lee, T. et al., The Semantic Web. [2001]
Web Semântica Camadas da proposta W3C A W3C tem sugerido uma série de tecnologias organizadas em camadas; Onde se tem definidas desde a codificação de caracteres até as camadas lógicas no topo; Berners Lee, T. et al., The Semantic Web. [2001]

Web Semântica Camada Unicode - URI
Garante o uso padronizado do mesmo conjunto de caracteres; URI – Identificador Universal de Recursos Provê uma forma unívoca de identificação e localização de recursos; Ex: URL – documentos, imagens, músicas, etc; – pessoas; Unicode é um padrão de codificação de caracteres de 16bits, contendo símbolos de linguagens internacionas, matemáticos e financeiros, além de espaço para uso customizado. É uma forma globalizada de dar nome para as coisas. Pode ser visto como chave primária na forma de string; Uma URL dá acesso a um recurso pela Internet (um documento, uma imagem, uma musica,

Web Semântica Camada XML + XMLS
XML – Extensible Markup Language escolhida como a linguagem de programação para Web Semântica Função: Auto-descrição das informações (metadados) Padronizar a publicação e troca de dados entre aplicações Web XML prove uma sintaxe para estruturar documentos através de marcadores. XML foi escolhido pois estende a funcionalidade do HTML; O HTML foi projetado principalmente para apresentação de dados e definição de links entre documentos, já o XML é mais flexível;

Metadados: Auto-descrição das informações ? Metadados: para que os dados sejam bem definidos, devem ser colocados em contexto por metadados. São dados sobre dados. Um número de cartão de crédito em um pedaço de papel fica sem sentido até para um ser humano. O metadados serve para dizer ao computador o contexto de determinada informação, de forma que ele possa usa-la. Número do cartão de crédito do João da Silva

HTML Metadados Aparência Estrutura geral: Usa pares de marcadores para a delimitar blocos; Possui um conjunto de marcadores definidos. A maioria dos marcadores é utilizado para aparência. Alguns marcadores do cabeçalho fazem papel de metadados, mas são insuficientes; Finalidade: Define o aspecto visual do documento; Marcadores de metadados insuficientes; Não possui criação de novos marcadores; Preocupação apenas com apresentação;

Estrutura geral: Documento texto estruturado em blocos; Cada bloco possui outros blocos ou texto; Usa pares de marcadores para a delimitar blocos; Permite a criação de seus próprios marcadores; Finalidade: Estruturar o documento este na forma hierárquica. Cada ponto na hierarquia é endereçavel; Criação de marcadores; Blocos endereçáveis; Organização hierárquica;

XML Schema Permite restrições sobre um documento: Define os marcadores válidos; Define regras de validade para o conteúdo de cada bloco: O marcador <reunião> deve conter Exatamente um marcador <local>; 2 ou mais marcadores <pessoa>; O marcador <pessoa> deve conter Exatamente um marcador <nome> Define uma estrutura de dados XMLSchema é a linguagem para restringir a estrutura de um documento XML. Pode por exemplo: Definir os marcadores válidos; Definir os marcadores que devem aparecer;

HTML XML XMLS O que se tem com o HTML é um arquivo desestruturado; Com o XML se tem um arquivo onde as informações estão organizadas em blocos; O XMLS descreve a organização de documentos de uma mesma categoria;

Web Semântica Camada RDF – Sentido por conexão
Temos sintaxe, mas não semântica; Sentido: O sentido se estabelece através de relações entre as coisas; Só podemos definir formalmente o sentido de uma palavra com outras palavras; XML permite várias maneiras de descrever a mesma informação; RDF padroniza. Só podemos definir formalmente o sentido de uma palavra com outras palavras; Priberam: disciplina que estuda as palavras e os enunciados como sendo objectos abstractos com um conjunto de propriedades e entre os quais se estabelecem relações ;

Web Semântica Camada RDF
RDF – Resource Description Framework É um modelo de dados para referenciar objetos e como eles estão relacionados; Representado usando a sintaxe XML; Descreve os recursos através de declarações; é um modelo de dados para referenciar objetos e como eles estão relacionados;

Declarações são triplas(sujeito,predicado,objeto): Recurso tem propriedades que têm valores; Recurso Propriedade Valor Declaração Recursos: qualquer coisa do mundo que esteja sendo descrita Propriedades: caracterizam o recurso; Valor: pode ser literal ou outro recurso; As várias declarações formam uma ficha de um recurso;

Declarações RDF podem ser vistas como grafos direcionados e rotulados: editora título Recursos são representados por Elipses; Literais são representados por Retângulos; Usa URI para diminuir ambiguidade; autor Vida dos Dinossauros

Descrição RDF: <?xml version="1.0"?> <rdf:RDF xmlns:rdf=" xmlns:dc=" <rdf:Description rdf:about=" <dc:title> Vida dos Dinossauros </dc:title> <dc:creator <dc:publisher rdf:resource=" </rdf:Description> </rdf:RDF> Bloco mais geral importa o vocabulário padrão RDF, mais um vocabulário padrão de descrição de recursos; Bloco description descrevendo a página do livro: Blocos interno são declarações de propriedades;

Web Semântica Camada RDFS
RDF Schema: Criação de um modelo para recursos de determinada categoria; Utiliza o conceito de classes da OO; RDFS é o vocabulário para descrever os recursos na forma de hierarquia de classes e propriedades; Ao invés de definir modelos, foi disponibilizado um meio de criar suas próprias categorias; Através de classes é possível especificar quais propriedades devem aparecer na descrição de um recurso. Criação de vocabulários para comunidades específicas;

Classe RDFS: <?xml version="1.0"?> <rdf:RDF xmlns:rdf=" xmlns:rdfs=" <rdfs:Class rdf:ID="Livro"> </rdfs:Class> <rdfs:Property rdf:ID="Titulo"> <rdfs:domain rdf:resource=”#Livro”/> <rdfs:range rdf:resource=” </rdfs:Property> <rdfs:Property rdf:ID="Autor"> <rdfs:range rdf:resource=” </rdf:RDF> Aqui temos a definição de uma classe livro e suas propriedades título e autor;

RDFS não fornece detalhes suficientes para descrever recursos: Não possuiu restrições de existência ou cardinalidade. Não possui propriedades transitivas, inversas ou simétricas.

Web Semântica Camada Ontologia
Adiciona mais vocabulário para descrever propriedades e classes: Relações entre classes; Cardinalidade; Igualdade; Tipagem mais rica de propriedades; Caracteristicas de propriedades; Esta é camada mais importante e pesquisada da Web semântica. Ela é responsável por oferecer a expressividade necessária à representação de ontologias. Isso é feito aproveitando a extensibilidade de RDFS para definir restrições complexas e outras construções que implementam características de frames e lógica de descrições. Adiciona mais vocabulário para descrever propriedades e classes: entre outros, relações entre classes, cardinalidade, igualdade, características de propriedades e classes de enumeração;

Web Semântica Camada Ontologia
OWL – Web Ontology Language Já existe uma linguagem padrão, a OWL (Web Ontology Language, ou linguagem de ontologias para a Web) [Smith et al 2003], que, na verdade, deriva de um consenso entre duas propostas, a européia OIL e a DAML.

Web Semântica Camadas Lógica, Prova e Validação
Ainda não tomaram corpo: Lógica: especificação de regras que atuam sobre instâncias e recursos; Prova: executa as regras da camada lógica (mecanismos de inferência); Validação: avalia se a prova está correta ou não (verificação de autenticidade e resolução de contradições). As camadas mais altas da proposta de Web semântica ainda não tomaram corpo. A camada lógica permite a especificação de regras que atuam sobre instâncias e recursos, enquanto a camada de prova as executa, e a de confiança avalia se a prova está correta ou não [Koivunen & Miller 2001]. Para que estas camadas entrem em operação, as camadas inferiores devem estar bem sedimentadas, o que ainda está acontecendo. Além do mais, sob o ponto de vista ontológico, não é interessante antecipar o uso de ontologias com regras, pois isto pode restringir a sua aplicabilidade. Porém regras podem ter utilidade para restringir atributos e exprimir axiomas.

Web Semântica Conclusão
A WS é uma tentativa ambiciosa de construir uma estrutura complexa que permita que os computadores nos auxiliem na manipulação da informação; Esforço na produção de metadados; Padronização de vocabulários; Massa crítica; Formalismos complexos (demanda para boas ferramentas); Humans are capable of using the Web to carry out tasks such as finding the Swedish word for "car," to reserve a library book, or to search for the cheapest DVD and buy it. However, a computer cannot accomplish the same tasks without human direction because web pages are designed to be read by people, not machines. The Semantic Web is a project aimed to make web pages understandable by computers, so that they can search websites and perform actions in a standardized way. The potential benefits are that computers can harness the enormous network of information and services on the Web. A computer could, for example, automatically find the nearest manicurist or book an appointment that fits a person's schedule. Currently there is much data on our computers which we cannot browse, or process by, for example, pulling into a spreadsheet, graphing it or joining it with other data. This includes personal data like calendars, playlists, GPS coordinates, and bank statements; enterprise product and workflow and resources; and public data such as weather, events and the properties of materials. A lot of the things that could be done with the Semantic Web could also be done without it, and indeed already are done in some cases, but the Semantic Web provides a standard which makes such services far easier to implement. Tim Berners-Lee originally expressed the vision of the semantic web as follows: I have a dream for the Web [in which computers] become capable of analyzing all the data on the Web – the content, links, and transactions between people and computers. A ‘Semantic Web’, which should make this possible, has yet to emerge, but when it does, the day-to-day mechanisms of trade, bureaucracy and our daily lives will be handled by machines talking to machines. The ‘intelligent agents’ people have touted for ages will finally materialize. (Berners-Lee, 1999)

Web Semântica Referências
Freitas, Frederico Luiz Gonçalves: Ontologias e a Web Semântica. Acessado em 20/08/2006. Disponível em onto.doc. Barreau, Guillaume: Ferramentas de Web Semântica aplicadas à gestão de conhecimento ligado ao linux. Acessado em 20/08/2006. Disponível em e_barreau.pdf#search=%22%22guillaume%20barreau%22%20web%20se m%C3%A2ntica%22 W3C World Wide Web. Acessado em 20/08/2006. Postal disponível em Humans are capable of using the Web to carry out tasks such as finding the Swedish word for "car," to reserve a library book, or to search for the cheapest DVD and buy it. However, a computer cannot accomplish the same tasks without human direction because web pages are designed to be read by people, not machines. The Semantic Web is a project aimed to make web pages understandable by computers, so that they can search websites and perform actions in a standardized way. The potential benefits are that computers can harness the enormous network of information and services on the Web. A computer could, for example, automatically find the nearest manicurist or book an appointment that fits a person's schedule. Currently there is much data on our computers which we cannot browse, or process by, for example, pulling into a spreadsheet, graphing it or joining it with other data. This includes personal data like calendars, playlists, GPS coordinates, and bank statements; enterprise product and workflow and resources; and public data such as weather, events and the properties of materials. A lot of the things that could be done with the Semantic Web could also be done without it, and indeed already are done in some cases, but the Semantic Web provides a standard which makes such services far easier to implement. Tim Berners-Lee originally expressed the vision of the semantic web as follows: I have a dream for the Web [in which computers] become capable of analyzing all the data on the Web – the content, links, and transactions between people and computers. A ‘Semantic Web’, which should make this possible, has yet to emerge, but when it does, the day-to-day mechanisms of trade, bureaucracy and our daily lives will be handled by machines talking to machines. The ‘intelligent agents’ people have touted for ages will finally materialize. (Berners-Lee, 1999)

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