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2 Web semântica foi projetada como uma evolução da Web atual Informação deve ter um significado bem definido, permitindo uma melhor cooperação entre computadores e pessoas Tim Berners-Lee, 2001 Como? Aumentando a descrição da informação atual com anotações semânticas Anotação semântica adiciona a descrição de termos no conteudo da Web Descrição destes termos devem estar definidos em uma ontologia Prof. Daniela Barreiro Claro 2

3 Com o intuito que o significado das associações semânticas sejam acessíveis por aplicações, a linguagem da ontologia deve definir a semântica precisamente e deve ter um processamento automatizado O que falta? Uma linguagem para descrever os termos e que permita um raciocinio na descrição destes termos para gerar conhecimento Ou seja inferir novos conhecimentos.. Prof. Daniela Barreiro Claro 3

4 Ontologia (Ribeiro, 2008) Fornece suporte para a evolução de vocabulários e para processar e integrar a informação existente sem problemas de indefinição ou conflito de terminologia. A linguagem RDF-Schema permite a construção de ontologias com expressividade e inferência limitadas, pois fornece um conjunto básico de elementos para a modelagem, e poucos desses elementos podem ser utilizados para inferência OWL estende o vocabulário da RDF Schema para a inclusão de elementos com maior poder com relação a expressividade e inferência. OWL lite, OWL DL e OWL Full Prof. Daniela Barreiro Claro 4

5 Lógica (Ribeiro, 2008) descrição de regras para expressar relações sobre os conceitos de uma ontologia, as quais não podem ser expressas com a linguagem de ontologia utilizada As linguagens Rule Markup Language (RuleML) e Semantic Web Rule Language (SWRL) são exemplos de linguagens propostas para a descrição de regras para a Web Semântica As camadas Prova e Confiança fornecem o suporte para a execução das regras, alem de avaliar a correção e a confiabilidade dessa execução. Ainda em desenvolvimento Prof. Daniela Barreiro Claro 5

6 Ontologia retrata um domínio especifico Nao representa todo o conhecimento, mas uma área do conhecimento Contém termos e relações entre estes termos Termos são chamados de classes ou conceitos Além dos relacionamentos entre as classes, há relacionamentos em outro nivel Propriedades Prof. Daniela Barreiro Claro 6

7 Distintos??? Ontologias definem classes e propriedades entre estas classes Permite criar relacionamentos sofisticados entre as classes Taxonomia Refere-se basicamente a classificação Não trata as propriedades entre estes relacionamentos Taxonomia + Propriedades = Ontologia? Prof. Daniela Barreiro Claro 7

8 Beneficios Comum e compartilhado conhecimento/definição sobre certos conceitos Prove uma forma de reutilizacao do conhecimento do dominio Prove uma maneira que permite que o conhecimento e a semantica codificada seja entendível por uma maquina Permite que processamento de máquina automático seja possível Prof. Daniela Barreiro Claro 8

9 Mas por que estes benefícios são possíveis? Como interpretar as descrições semânticas? Prof. Daniela Barreiro Claro 9

10 Inferência é a derivação de novas sentenças a partir de sentenças antigas (Russel, 2006) Há diversas regras de inferência, mas a mais conhecida é a Modus Ponens Sempre que quaisquer sentença da forma a b se a são dadas, a sentença b pode ser deduzida Prof. Daniela Barreiro Claro 10

11 Se (animal nadar) peixe animal e nadar são dados, então peixe pode ser deduzido Outra regra de inferência é Eliminação-de- E: a regra afirma que, a partir de uma conjunção, qualquer um dos elementos pode ser deduzido A partir de (animal nadar), animal pode ser deduzido Prof. Daniela Barreiro Claro 11

12 As mensagens devem referir-se a um contexto e vocabulário comuns, sobre o qual a troca de mensagens possa ser efetuada dentro de uma semântica bem definida, segura e sem ambigüidades. Esse contexto é provido por ontologias, que normalmente representam o domínio em que os agentes atuam. Exemplo, dois agentes se referem a um 777, porque compartilham a ontologia de meio de transportes, e ambos têm em suas bases de conhecimento o fato de que 777 é uma instância de um avião de carreira. Prof. Daniela Barreiro Claro 12

13 O que é um 777? Freitas et al, Material Aula Prof. Daniela Barreiro Claro 13

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15 Diversos formalismos para representar o conhecimento 1. Regras de Horn pai(x,y) ^ pai(y,z) avô(x,z) se x é pai de y e y pai de z então x é avô de z Uma cláusula de Horn consiste de um conjunto de predicados unidos por conjunções (conectivo e ) implicando em apenas um predicado Freitas et al, Material Aula Prof. Daniela Barreiro Claro 15

16 Formalismos 2. Frames (quadros) [Minsky 75] Classes Conceitos em uma ontologia, normalmente organizados em hierarquia Atributos Caracteristicas de membros de uma classe Pode ser tipo basico (integer, string etc Tipo de instancia de classe, que definem relacoes entre classes Exemplo Professor orienta Estudantes Freitas et al, Material Aula Prof. Daniela Barreiro Claro 16

17 Formalismos 2. Frames Herança, é o conceito de é-um. Pode existir herança multipla Ainda há as facetas que visam restringir os atributos A linguagem de frames atualmente mais usada para a definição de ontologias é a F-Logic [Kifer et al 95] 3. Redes Semânticas Redes Semânticas [Woods 75] definem conceitos ligados por relações, representadas graficamente como arcos Freitas et al, Material Aula Prof. Daniela Barreiro Claro 17

18 Redes Semânticas um sistema baseado em frames, se os arcos da rede forem atributos do frame correspondente a essa rede Um exemplo de uso desta linguagem aparece no seguinte código, que especifica, entre outras coisas, que, se duas pessoas são cônjuges, elas têm o mesmo sobrenome. X: pessoa ( nome => id ( primeiro => string, último => Y: string ), Cônjuge => pessoa ( nome => id ( último => Y), Cônjuge => X)) Freitas et al, Material Aula Prof. Daniela Barreiro Claro 18

19 Freitas et al, Material Aula Representação gráfica de uma Rede Semantica Prof. Daniela Barreiro Claro 19

20 Lógica de Descrições Baseada em redes semânticas Inicialmente chamada de lógica terminológica Frames e semantic networks lack formal (logicbased) semantics DL modela conceitos, perfis(role), individuos(individuals) e os seus relacionamentos. O fundamento da DL é o axioma Sentença lógica relacionando roles e concepts. Os raciocinadores (reasoners) em DL FaCT, FaCT++, RACER, DLP e Pellet implementam o método de tableau Prof. Daniela Barreiro Claro 20

21 Freitas et al, Material Aula Os sistema especialista não podia ser reusado ou compartilhado Geravam bases de conhecimento monolíticas e isoladas Necessidade de compartilhar e reusar os domínios modelados Precisava encontrar uma estrutura comum de representação A construção de ontologias, sob essa ótica, pode ser vista como um passo importante de evolução na especificação de conhecimento. Prof. Daniela Barreiro Claro 21

22 Palavra grega: Ontos (ser) e logia (estudo) Estudo do ser enquanto um ser Primeira estrutura de classificação Árvore de Porphyres, proposta por Aristóteles McGuinness (2004) documento onde as aplicações podem compreender o seu conteúdo Prof. Daniela Barreiro Claro 22

23 Uma ontologia define um domínio, ou, mais formalmente, especifica uma conceitualização acerca deste domínio[gruber 95]. Uma ontologia é uma especificação explícita e formal de uma conceitualização compartilhada. [Studer et al 98] especificação explícita, são as definições de conceitos, instâncias, relações, restrições e axiomas. formal, que é declarativamente definida, portanto, compreensível para agentes e sistemas. conceitualização, que se trata de um modelo abstrato de uma área de conhecimento ou de um universo limitado de discurso. compartilhada, por tratar-se de um conhecimento consensual, seja uma terminologia comum da área modelada, ou acordada entre os desenvolvedores dos agentes que se comunicam. Prof. Daniela Barreiro Claro 23

24 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 Prof. Daniela Barreiro Claro 24

25 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. Prof. Daniela Barreiro Claro 25

26 Através de uma ontologia é possível: Inferir em bases de conhecimento Ter um raciocínio dedutível Classificar automaticamente conceitos Buscar conhecimento Garantir a interoperabilidade entre vários sistemas Prof. Daniela Barreiro Claro 26

27 Várias ontologias para uso sem necessidade de criar a sua própria Possibilidade de tradução em diversas linguagens e formalismos de apresentação No editor Protégé-2000 [Noy et al 2000], podem ser geradas ontologias em CLIPS, Jess, Prolog, XML, RDF, OIL, DAML-OIL e F-Logic Prof. Daniela Barreiro Claro 27

28 Conceitos Princípios, idéias, categorias de objetos Exemplo: professores, funcionários, estudantes, cursos, departamentos Relações Relacionamento entre conceitos A classe C é uma subclasse da classe C se todo objeto em C é também incluído em C Incluem geralmente uma organização hierárquica de conceitos e de relações que existem entre estes conceitos. Exemplo: professores são funcionários Prof. Daniela Barreiro Claro 28

29 Propriedade X ensina Y Restrições de valores Somente funcionários podem ensinar cursos Disjointness Professores são diferentes de funcionários Relacionamento lógico Todo departamento deve incluir pelo menos 10 funcionários Prof. Daniela Barreiro Claro 29

30 Termo conceito Termo pode ser ambíguo Conceito tem um só sentido, uma única definição Sinônimo É um conceito denotado por vários termos Homônimos Um termo que denota vários conceitos Prof. Daniela Barreiro Claro 30

31 Uma ontologia tem a intenção de: Organizar, estruturar e restringir para representar os conceitos do mundo Exemplo Carro é forçadamente um Veículo Mas nem todo veículo é um carro Normalmente, se organiza uma ontologia em uma taxonomia ou hierarquia de conceitos Porque a categorização de conceitos é uma inferência elementar no dia-a-dia Prof. Daniela Barreiro Claro 31

32 Segue o diálogo Você conhece um restaurante aqui perto? Tem uma pizzaria na esquina Primeiro, generaliza-se (restaurante) E logo em seguida se categoriza: Pizzaria é um restaurante Assim, em um sistema de informática, um simples conhecimento de hierarquização já melhora consideravelmente a capacidade das máquinas. Prof. Daniela Barreiro Claro 32

33 A análise de similaridade semântica é realizada através dos elementos de uma ontologia Estes elementos são analisados de acordo com a sua posiçao na hierarquia

34 O que é mais similar a um virus? a) plant b) bacteria organism Análise baseada na distância distancia(a,b): Número mínimo de nodos separando A e B virus microorganism bacteria plant

35 O que é mais similar a um virus? a) plant b) bacteria organism 3 edges microorganism plant virus 2 edges bacteria

36 O que é mais similar ao tobacco mosaic virus? a) variola major virus b) plant animal virus virus microorganism plant virus organism bacteria plant poxvirus tobacco mosaic virus variola virus variola major virus

37 O que é mais similar ao tobacco mosaic virus? a) variola major virus b) plant (?) animal virus virus 6 edges microorganism plant virus organism bacteria 5 edges plant poxvirus tobacco mosaic virus variola virus variola major virus

38 O conhecimento ontológico ultrapassa o conhecimento taxonômico Pode-se encontrar em uma ontologia: Composições, como categorias (categoria de elementos químicos, categorias anatômicas) Definições completas: condição necessária e suficiente Uma pessoa é um diretor si e somente si existe uma organização que é dirigida por esta pessoa. Restrições de integridade Um livro é editado a um e somente um ISBN; um pai não pode ser mais jovem que seus filhos Prof. Daniela Barreiro Claro 38

39 Pode-se encontrar em uma ontologia: Funções de cálculo Ritmo cardíaco aconselhado por uma pessoa fazendo um esforço cardio-vascular é (220- idade)*0.65 Propriedades algébricas A relação <é casado com > é simétrica Conhecimento default Por default, um carro tem quatro rodas Relações inversas <faz parte de> e <contém>: porta faz parte de um carro, e um carro contém uma porta Prof. Daniela Barreiro Claro 39

40 Inicialmente, dois grupos trabalharam com ontologias separadamente OIL (Ontology Inference Layer) Grupo europeu É uma evolução do RDF e RDF-S Descreve as classes utilizando frames e uma lista de slots (propriedades) Mais fácil fazer inferências DAML (DARPA Agent Markup Language) Grupo dos Estados Unidos Extensão do RDF Prof. Daniela Barreiro Claro 40

41 OIL ( the Ontology Inference Layer Parte do projeto On-To-Knowledge Web-based representation and inference language for ontologists Logica de Descrições prove a semantica a OIL Sintaxa baseada no RDF OIL foi projetada para combinar a modelagem utilizando frames e o poder, rigor formal e raciocinio automático da Logica de Descricoes É classificada como heavy, core and instance OIL Prof. Daniela Barreiro Claro 41

42 DAML DARPA Agent Markup Language Ao mesmo tempo que OIL estava se desenvolvendo, DAML iniciou nos EUA Extensão do RDF Tanto OIL quanto DAML possuem os mesmos objetivos Seria melhor unificá-las Resultado: linguagem DAML+OIL Prof. Daniela Barreiro Claro 42

43 DAML+OIL tem uma semântica formal Prove uma compreensão humana e por máquina É muito similar a OIL, mas é mais integrada ao RDFS Integração com RDFS é vantajosa pois principalmente pela possibilidade de reutilização de infraestrutura RDFS Porém RDFS não é preciso para descrever uma estrutura sintática RDFS não consegue descrever que uma restrição consiste apenas de uma propriedade e uma classe DAML+OIL é mais proxima da Logica de Descrições do que da abordagem baseada em Frames Prof. Daniela Barreiro Claro 43

44 DAML+OIL No inicio não tinha a especificação de tipos de dados Tipos de dados eram definidos como XML Schemas Distinção entre instancias de objetos de classes(definido usando uma linguagem ontológica) e instancias de tipos de dados (XML Schema) Exemplo: o individuo Italia não pode ter a mesma interpretação que um inteiro 5 DAML+OIL foi a primeira linguagem inspirada na Lógica de Descrições Completamente integrada a Web Semântica Prof. Daniela Barreiro Claro 44

45 W3C criou dois grupos de trabalho dos quais Web Ontology Working Group Criou a OWL Web Ontology Language OWL se tornou a recomendação da W3C em 2004 OWL foi praticamente criada inspirada na DAML+OIL Somente um subconjunto dos grafos RDF corresponde a uma ontologia OWL DL Prof. Daniela Barreiro Claro 45

46 OWL (Ontology Web Language) Mais atributos e características e também facilitara pesquisa automática Deve ser interpretado por máquinas Faz parte das recomendações W3C Permite escrever as classes, as relações aumentando assim o vocabulário e as propriedades em relação à RDF. Prof. Daniela Barreiro Claro 46

47 OWL Dividida em três sublinguagens OWL-Lite, OWL-DL, OWL-Full Cada uma das sublinguagens é uma extensão da anterior. Os elementos da OWL A maioria são classes, propriedades, instâncias de classes e relações Prof. Daniela Barreiro Claro 47

48 OWL seguiu a receita modular de OIL, dividindo suas classes em três sublinguagens, de acordo com sua expressividade [Smith et al 2003]: OWL Lite abrange a expressividade de frames e lógica de descrições, com algumas restrições. Por exemplo, a cardinalidade máxima ou mínima assume apenas os valores 0 ou 1. Apesar disso, a linguagem é dotada de riqueza Sintaxe baseada em XML, RDF, OIL semântica, sendo, por isto, ideal para usuários iniciantes e desenvolvedores que preferem frames a lógica de descrições. Atributos (aqui chamados de propriedades) podem ter transitividade, simetria, atributos inversos, propriedades funcionais (se P(x,y) ^ P(y,x) => x=y) e funcionais inversas (se P(x,y) ^ P(z,x) => x=z) e papéis. Prof. Daniela Barreiro Claro 48

49 OWL DL garante completude, decidibilidade e toda a expressividade da lógica de descrições, almejando satisfazer engenheiros de conhecimento familiarizados com esta tecnologia. A expressividade torna-se ainda maior do que em OWL Lite: classes podem ser construídas por união, interseção e complemento, pela enumeração de instâncias e podem ter disjunções. Tipos são mantidos cuidadosamente separados (por exemplo, uma classe não pode ser instância e propriedade ao mesmo tempo). Prof. Daniela Barreiro Claro 49

50 OWL Full fornece a expressividade de OWL e a liberdade de usar RDF, inclusive permitindo novas metaclasses, já que elas são subclasses definidas em RDFS. Mais complexa Não há garantia de computabilidade. É possível manipular e modificar metaclasses. As linguagens menos expressivas (OWL Lite e DL) estão contidas dentro das mais expressivas (OWL DL e Full), de maneira que uma ontologia definida numa linguagem menos expressiva é aceita por uma linguagem mais expressiva; a recíproca, naturalmente, não é verdadeira. Prof. Daniela Barreiro Claro 50

51 owl:class define um grupo de indivíduos com os mesmos atributos rdfs:subclassof define a hierarquia dos conceitos rdf:property determinam a relação entre um indivíduo ou entre indivíduos. São divididos em ObjectProperty e DataProperty ObjectProperty: temfilho entre duas classes Pessoa DataProperty: temidade associada a um tipo Inteiro Prof. Daniela Barreiro Claro 51

52 rdfs:subpropertyof permitem inferir nas relações Propriedade temfilho e tem uma outra propriedade temneto, temneto deve ser uma subpropriedade de temfilho. rdfs:domain o domínio de uma propriedade limita um indivíduo até o máximo de uma propriedade. Se propriedade haschild tem o domínio Parent, então X haschild Y, X é Parent rdfs:range É o intervalo limite do indivíduo Y no exemplo X haschild Y. Individual os indivíduos são instâncias de classes Prof. Daniela Barreiro Claro 52

53 owl:equivalentclass classes equivalentes têm as mesmas instâncias carro pode ser uma classe equivalente a automóvel owl:equivalentproperty propriedade similar a uma outra similar temchefe e tempatrão são propriedades equivalentes sameas em relação aos indivíduos; relações entre dois nomes diferentes que se referem ao mesmo individuo Daniela Barreiro Claro sameas Daniela Claro Prof. Daniela Barreiro Claro 53

54 owl:differentfrom caracteriza também os indivíduos; faz a distinção entre eles Daniela differentfrom Juliana owl:inverseof propriedade é inversa de outra propriedade ischild é o inverso de isparent Se X ischild Y, logo Y isparent X owl:transitiveproperty permite deduzir X Y, Y Z X Z Maria é ancestral de Daniela, e Daniela é ancestral de Pedro, logo, Maria é ancestral de Pedro owl:symetricproperty relações simétricas Pedro éamigo João, logo por simetria, João éamigo Pedro Prof. Daniela Barreiro Claro 54

55 Tecnologias Básicas Web semântica e SWS Composição de Serviços Web Tópicos de Pesquisa Conceitos Básicos Arquitetura Ontologias OWL Daniela Barreiro Claro Raimundo Macêdo Serviços Web e sua relação com Sistemas de Informação dclaro@ufba.br macedo@ufba.br Uma Prof. abordagem Daniela dos Barreiro conceitos Claro básicos às composições semânticas 55