owl (18/oct) - Departamento de Ciencias e Ingeniería de la

Fundamentos de la Web Semántica
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías y OWL
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Ontologías
DL estructurales
Pablo R. Fillottrani
DL proposicionales
Depto. Ciencias e Ingeniería de la Computación
Universidad Nacional del Sur
OWL
Segundo Cuatrimestre 2013
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Definición
Definición
Definición
I
I
I
I
una ontología es una especificación formal de una
conceptualización compartida de un dominio
por ser formal
I
I
I
el significado es no ambiguo
se expresa mediante un lenguaje formal
permite razonamiento, haciendo explícita información implícita
por ser una especificación
I
I
I
hace explícitas las suposiciones del dominio
clarifica el significado y permite razonamiento
balance entre información explícita e implícita
por ser compartida
I
I
debe establecerse mediante consenso
facilita su uso
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Definición
Usos
Usos de una ontología
I
por ser una conceptualización de un dominio
I
I
I
trata sobre una concreta parte del mundo
permite formar una idea del dominio en la mente de las personas
(y de las máquinas)
forman el esqueleto de la Web Semántica, definiendo
vocabulario básico y permitiendo el razonamiento
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
I
compartir conocimiento en común entre personas y agentes de
software
I
permitir el reuso de información de un dominio
I
hacer explícitas el conocimiento supuesto del dominio
I
separar el conocimiento del dominio del conocimiento de una
aplicación
I
analizar el conocimiento del dominio
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Elementos
Ingeniería de ontologías
I
clases grupos de individuos con características en común
I
generalmente con definición implícita
I
individuos son objetos particulares del dominio, que pueden ser
instancias de clases
I
existe diferencia entre individuos y valores de tipos de datos
I
relaciones definen las posibles conexiones entre individuos y/o
valores
I
generalmente son asociadas a las clases, junto con las
propiedas sobre su instanciación
I
generalmente todo esto se especifica mediante un lenguaje
gráfico
I
axiomas describen propiedades adicionales sobre el dominio,
generalmente especificadas en un lenguaje lógico
Ingeniería de ontologías
I
principios
1. no existe un única forma de modelar un dominio, siempre existen
alternativas viables. La mejor solución siempre depende de las
aplicaciones, y sus futuras extensiones
2. necesariamente el desarrollo de una ontología es un proceso
iterativo
3. los conceptos deben ser cercanos a objetos físicos o lógicos, y
las relaciones deben ser aquellas interesantes para el dominio
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Ingeniería de ontologías
Pasos sugeridos
1. determinar el dominio y el ámbito de la ontología
2. considerar reusar ontologías existentes
3. enumerar términos importantes en la ontología
4. definir clases y su jerarquía
Ingeniería de ontologías
Caracterizando clases y su jerarquías
I
controlar que la jerarquía de conceptos respeta la relación es-un
I
analizar la relación entre hermanos en la jerarquía
I
analizar el uso de herencia múltiple
I
definir cuándo introducir un nuevo concepto o no
5. definir las propiedades de las clases (atributos y relaciones)
I
6. definir las facetas de las propiedades
I
I
7. crear instancias de los conceptos importantes
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Ontologías
tienen propiedades adicionales
restringen en forma diferente los valores
participan en relaciones diferentes
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
Ingeniería de ontologías
Ingeniería de ontologías
Caracterizando propiedades de las clases
I
nueva clase o nuevo atributo?
I
I
I
I
si los conceptos con atributos diferentes se usan en restricciones
en otras clases, entonces conviene crear una clase
si la distinción es importante para el dominio, entonces conviene
crear una clase
la clase a la que un individuo pertenece no debería cambiar
seguido
una instancia o una clase?
I
I
los individuos representan los conceptos más específicos
disponibles
si los individuos forman naturalmente una jerarquía, entonces
conviene representarlos como clases
I
controlar propiedades inversas
I
definir valores por defecto
I
definir valores enumerados
I
definir rango de valores
I
definir cardinalidad máxima y mínima
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Ontologías
Ontologías
Ingeniería de ontologías
Nombres
I
Ingeniería de ontologías
Lógicas para la Descripción - OWL
es conveniente definir una convención sobre nombres, y
adherirse estrictamente a la misma
I
I
I
I
I
I
I
capitalización
delimitadores
prefijos y sufijos
singular o plural
tipos de los nombres
no usar abreviaturas
nombres de subclases
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DL estructurales
I
Fundamentos de la Web Semántica
Ontologías
DL estructurales
DL proposicionales
OWL
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DL estructurales
las lógicas para la descripción son un formalismo lógico que
unifica distintas herramientas de representación del
conocimiento:
I
I
I
I
I
sistemas basados en marcos
redes semánticas
representaciones orientadas a objetos
modelos de datos semánticos
lenguajes de ontologías
I
son un fragmento estructurado de la lógica de predicados
I
proveen un lenguaje para expresar información estructurada y
para razonar sobre la misma
I
aplicaciones
I
I
I
I
I
I
I
modelado conceptual
optimización de consultas y mantenimiento de vistas (DB)
semántica de lenguaje natural
integración inteligente de información
ontologías y terminología
administración de proyectos de software
planificación
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DL estructurales
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DL estructurales
Ambigüedades
I
la lógicas para la descripción formalizan varias representaciones
orientadas a objetos
I
por lo tanto, proveen mecanismos para desambiguar
representaciones imprecisas
I
I
I
clases e instancias
I
clases vs información incompleta en instancias
I
relación de subclase o de instancia
marcos u objetos
clases
slots o atributos
I
relaciones implícitas o explícitas
I
relaciones normales o relaciones especiales
valores
tipos
restricciones
I
cuantificación
I
razonamiento no monótono
formalizan
I
I
I
I
I
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DL estructurales
Fundamentos de la Web Semántica
DL estructurales
Falsos amigos
I
la familia de las lógicas para la descripción son un fragmento de
FOL (lógica de predicados)
I
el significado de las representaciones orientadas a objetos e muy
ambiguo
I
la representación es al nivel de predicados; no se usan variables
en estos formalismos
I
es muy atractivo la naturaleza gráfica de la representación
orientada a objetos
I
una teoría en una lógica para la descripción se divide en dos
partes
I
a partir de esta representación, es fácil desarrollar algoritmos
que ”simulan” razonar sobre la estructura, pero su
comportamiento no tienen justificación
I
I
I
la definición de predicados TBox
una aserción sobre constantes ABox
cualquier lógica para la descripción es un subconjunto de L3 (el
fragmento de FOL que usa a lo sumo tres variables)
Fundamentos de la Web Semántica
DL estructurales
DL estructurales
¿Porqué no FOL?
I
si se usa FOL directamente sin restricciones adicionales
entonces
I
I
I
se destruye la estructura del conocimiento, y no pude ser
aprovechada para generar las inferencias
el poder expresivo es muy alto: no se pueden definir problemas
decidibles y con inferencia eficiente
el poder expresivo es muy bajo: existen ciertos conceptos
interesantes, decidibles que no pueden ser expresados en FOL
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DL estructurales
Elementos en el lenguaje de TBox
I
conceptos denotan conjunto de entidades o clases; se
representan mediante predicados unarios
I
ejemplos
I Estudiante con semántica {x | alumno(x)}
I Soltero con semántica {x | soltero(x)}
I
roles denotan propidades o relaciones; se representan mediante
predicados binarios
I
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ejemplos
I Amigo con semántica {(x , y ) | amigo(x, y)}
I Ama con semántica {(x , y ) | ama(x, y)}
KL-ONE
I
el antecedente inmediato de las lógicas para la descripción es el
sistema KL-ONE para redes semánticas y marcos (1985)
I
permitía la descripción estructurada de objetos, y razonaba sobre
la misma
I
corresponde a la descripción de una compleja estructura
relacional, construida usando un conjunto de constructores
epistemológicamente adecuados
I
distinguía entre el conocimiento conceptual (terminología) y de
las instancias (asercional)
I
el algoritmo para determinar subsunción cumplía un rol
fundamental en la inferencia automática
I
sólo permitía razonamiento estricto, sin defaults
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DL estructurales
Expresiones de conceptos
I
las lógicas para la descripción organizan la información en clases
(conceptos) que agrupan datos homogéneos de acuerdo a una
propiedad en común
I
ejemplo: Estudiante u ∃Amigo.Soltero
I
con significado {x | alumno(x )∧ ∃y .amigo(x , y )∧
soltero(y )}
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DL estructurales
DL estructurales
Clases
I
Objetos
una clase en POO se representa directamente en una lógica
para la descripción
I
{x | alumno(x )} = {x | persona(x ) ∧
s1 identifica a un alumno
alumno(s1) ∧ nombre(s1,0 juan0 )
∃y .nombre(x , y ) ∧ cadena(y ) ∧
∃y .direccion(x , y ) ∧ cadena(y ) ∧
∧direccion(s1,0 patagones0 )
∃y .cursa(x , y ) ∧ carrera(y )}
∧cursa(s1, contador)
∧carrera(contador)
.
Estudiante = Persona u ∃Nombre.Cadena
u∃Direccion.Cadena
u∃Cursa.Carrera
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DL estructurales
DL estructurales
Redes semánticas
I
Cuantificadores
definición de conceptos y relaciones
I
todas las ranas son también verdes
∀x .alumno(x ) → ∃y .cursa(x , y ) ∧ carrera(y )
Rana v ∃EsColor.Verde
∀x .docente(x ) → ∃y .ensena(x , y ) ∧ carrera(y )
∀x .ayudanteB(x ) → alumno(x ) ∧ docente(x )
I
todas las ranas son sólo verdes
Rana v ∀EsColor.Verde
Estudiante v ∃Cursa.Carrera
I
hay una rana cuyo color es sólo verde
Docente v ∃Ensena.Carrera
AyudanteB v Estudiante
AyudanteB v Docente
⊥ @ Rana u ∀EsColor.Verde
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DL estructurales
DL estructurales
FL menos
FL menos
FL menos
I
I
I
la semántica de FL−
presentaremos ahora la más simple de las lógicas para la
descripción estructurales FL−
I
I
I
sintaxis
C , D → A | C u D | ∀R .C | ∃R
I
siendo A un concepto atómico, R un rol atómico, C , D conceptos
generales
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DL estructurales
DL estructurales
FL menos
FL menos
I
I
I
el constructor u es la conjunción. Ejemplo:
Adulto u Varon u Persona representa al conjunto de
entidades que son al mismo tiempo adultas, de sexo masculino y
personas
en términos POO, esto nos dice que se permite la herencia
múltiple
el constructor ∀R .C permite definir una restricción en los valores
de atributos Ejemplo: ∀Hijo.Doctor representa el conjunto de
elementos tales que todos sus hijos son doctores, que incluye a
quienes no tienen hijos(!).
los conceptos representan clases, conjuntos de individuos
los roles representan relaciones entre pares de individuos
los conceptos atómicos son los nombres de los concepto
primitivos (sin definición)
los constructores constituyen la forma de definir conceptos más
complejos
I
el constructor ∃R garantiza que existirá al menos un valor para el
atributo R Ejemplo: Persona u ∃Hijo es el conjunto de
personas que tienen al menos un hijo
I
la semántica formal se define en base a interpretaciones de
dominios (conjuntos de elementos)
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DL estructurales
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DL proposicionales
FL menos
Subsunción
I
la subsunción C v D, o sea C es cubierto por D, es el principal
problema de razonamiento
I
en términos de semántica, saber si es válido ∀xC (x ) → D (x )
I
en FL− la subsumción no sólo es decidible, sino que además
está en P
I
en FL− existe un algoritmo estructural (basado en la sintaxis de
las expresiones que definen conceptos) que resulve el problema
de subsunción en tiempo O (n2 ) donde n es la longitud de las
expresiones
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DL proposicionales
ALC
A
R
>
⊥
¬C
C uD
C tD
∀R .C
∃R .C
AI ⊆ ∆
RI ⊆ ∆ × ∆
∆
0/
∆\C I
C I ∩ DI
C I ∪ DI
{x | ∀y .R I (x , y ) → C I (y )}
{x | ∃y .R I (x , y ) ∧ C I (y )}
concepto primitivo
rol primitivo
universo
concepto vacío
negación
conjunción
disyunción
cuant. universal
cuant. existencial
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DL proposicionales
Ejemplos
I
la conjunción se interpreta como la intersección del conjunto de
individuos
I
la disyunción se interpreta como la unión del conjunto de
individuos
I
I
la negación se interpreta como el complemento dle conjunto de
individuos
I
I
equivalencias
I ∃R .> ⇐⇒ ∃R
I ¬(C u D ) ⇐⇒ ¬C t ¬D
I ¬(C t D ) ⇐⇒ ¬C u ¬D
I ¬∀R .C ⇐⇒ ∃R .¬C
I ¬∃R .C ⇐⇒ ∀R .¬C
AyudanteB v Alumno t ¬Graduado t Docente condición
necesaria
.
AyudanteB = Alumno t ¬Graduado t Docente condición
necesaria y suficiente
I
en general, es posible tener expresiones complejas en los dos
lados de la expresión
I
es un lenguaje cerrado con sus constructores
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Fundamentos de la Web Semántica
DL proposicionales
DL proposicionales
Bases de conocimiento
Servicios de razonamiento
una base de conocimiento Σ es hTBox, ABoxi donde TBox es
un conjunto de definiciones de conceptos, y ABox es un
conjunto de aserciones sobre instancias
I ejemplo de TBox
I
.
Estudiante = Persona u ∃Nombre.Cadena
u∃Direccion.Cadena
u∃Estudia.Carrera
∃Ensena.Carrera v ¬Graduado t Docente
I
ejemplo de ABox
I
satisfacibilidad de conceptos Σ 6|= C ≡ ⊥,
Estudiante u ¬Persona
I
subsunción Σ |= C v D, Estudiante v Persona
I
satisfacibilidad Σ 6|= ⊥, Estudiante = ¬Persona
I
control de instancia Σ |= C (a), Estudiante(juan)
I
recuperación {a | Σ |= C (a)}
I
realización {C | Σ |= C (a)}
.
Estudiante(juan), Estudia(juan, contador),
Carrera(contador)
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DL proposicionales
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DL proposicionales
Complejidad de razonamiento
I
todos estos servicios se pueden reducir a satisfacibilidad
I
existen algoritmos para decidir satisfacibilidad en A L C , y por lo
tanto todos los demás tipos de razonamiento
expresividad
FL−
¬A, A L
∃R .C, A L E
¬C, A L C
{a1 , . . .}, A L C O
SH IQ
Σ |= C v D Σ |= C (a)
P
P
P
P
NP
PSPACE
PSPACE
PSPACE
PSPACE
EXPTIME
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DL proposicionales
OWL
Algunas extensiones de A L C
constructor
concepto atómico
universo
vacío
conjunción
disyunción (U )
negación (C )
universal
existencial (E )
cardinalidad (N )
card. calificada (Q )
enumeración
sintaxis
A
semántica
AI ⊆ ∆
>
⊥
C uD
C tD
¬C
∀R .C
∃R .C
≥n R
≤n R
≥n R .C
≤n R .C
{a1 , . . . , an }
∆
0/
C I ∩ DI
C I ∪ DI
∆\C I
{x | ∀y .R (x , y ) → C (y )}
{x | ∃y .R (x , y ) ∧ C (y )}
{x | ]{y | R (x , y )} ≥ n}
{x | ]{y | R (x , y )} ≤ n}
{x | ]{y | R (x , y ) ∧ C (y )} ≥ n}
{x | ]{y | R (x , y ) ∧ C (y )} ≤ n}
{a1I , . . . , anI }
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OWL
I
RDF(S) tiene severas limitaciones expresivas
I
I
I
I
I
sólo relaciones binarias
no tiene características para propiedades (inversa, transitiva,
simétrica)
no permite la definición de conceptos complejos
no permite restricciones de cardinalidad
no permite disyunción
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OWL
I
OWL extiende a RDF Schema para convertirse en un lenguaje
para representación de conocimiento completo para la web
I
OWL permite
I
I
I
I
I
I
conceptos complejos (conjunción, disyunción, negación)
inecuaciones
propiedades locales
propiedades necesarias/opcionales
tipos enumerados
relaciones simétricas, inversas
I
objetivos de diseño para OWL
I
I
I
I
I
I
I
compartible
modificable en el tiempo
interoperable
con detección de inconsistencias
balance entre expresividad y complejidad
facilidad de uso
compatible con estándares existentes (XML, RDF)
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OWL
Fundamentos de la Web Semántica
OWL
I
I
requerimientos
I
I
I
I
I
I
las ontologías son objetos en la web
es decir, deben contener información sobre sus metadatos
(versiones, autores, etc)
definen clases, propiedades, tipos de datos, rango/dominio,
individuos
(des)igualdad para clases e individuos
restricciones de cardinalidad
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OWL
no se tuvieron en cuenta
I
I
I
I
I
I
valores por defecto
razonamiento mundo cerrado
combinación de propiedades
aritmética y operaciones sobre cadenas
importación parcial
definición de vistas
extensiones con reglas y procedurales
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OWL
Variantes de OWL: OWL Full
I
OWL Full
I
I
I
I
I
no hay restricciones en el uso del vocabulario (sólo las impuestas
por RDF)
se pueden usar clases como instancias
semántica basada en la teoría de modelos de RDF
razonamiento usando motores FOL (no decidible)
la semántica de ciertas KB se corresponde con la de OWL DL
Variantes de OWL: OWL DL
I
OWL DL
I
I
I
I
I
I
uso restringido del vocabulario
clases no pueden usarse como instancias
definido con una sintaxis abstracta
semántica basada en la semántica de las lógicas para la
descripción
correspondencia directa con DLs
razonamiento mediante motores DL
Fundamentos de la Web Semántica
Fundamentos de la Web Semántica
OWL
OWL
Variantes de OWL: OWL Lite
OWL y Lógicas para la descripción
I
I
OWL Lite
I
I
I
I
I
I
OWL Lite se corresponde con S H I F (D)
I
sin negación ni conjunción explícita
restricciones de cardinalidad limitadas (0/1)
sin enumerados (nominales)
semántica basada en DL
razonamiento basado en motores DL
sólo una pequeña restricción sintáctica con respecto a OWL DL
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I
OWL DL se corresponde con S H OI N (D)
I
I
clases, propiedades, individuos, valores, intersección, unión(!),
negación(!), existenciales, universales, restricciones de
cardinalidad 0/1 sin calificar
restricciones de cardinalidad para todo n, nominales
OWL Full no se corresponde con ninguna lógica para la
descripción
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OWL
OWL
Constructores OWL
constructor
Axiomas OWL
DL
ejemplo
C1 u . . . u Cn
Persona u Varon
C1 t . . . t Cn
Alumno t Docente
¬C
¬Varon
{rojo, verde}
+
∀R .C
∀Hijo.Doctor
∃R .C
∃Hijo.Abogado
∃P .{o}
∃CiudadanoDe.USA
≤n P .C
≤n Hijo.Abogado
≥n P .C
≥n Hijo.Varon
tipos de datos XML Schema: int, string, real, etc...
intersectionOf
unionOf
complementOf
oneOf {a1 , . . . , an }
allValuesFrom
someValuesFrom
value
minCardinality
maxCardinality
I
SubClassOf
I
EquivalentClasses
I
SubPropertyOf
I
EquivalentProperties
I
SameIndividual
I
DisjointClasses
I
DifferentIndividuals
I
InverseOf
I
Transitive
I
Symmetric
Fundamentos de la Web Semántica
OWL
Sintaxis de OWL
I
RDF es la sintaxis oficial
I
I
I
sintaxis basada en UML
I
I
I
posiblemente ambigua
gran comunidad de usuarios
sintaxis XML
I
I
I
difícil de leer para humanos
difícil de implementar para los parsers
no es lo mismo que RDF
más legible
sintaxis abstracta, más orientada a humanos