Department of Computer Science Liverpool University · Онтологии и Представление Знаний Борис Конев Department of Computer Science Liverpool

Онтологии и Представление Знаний

Борис Конев

Department of Computer Science

Liverpool University

Знание – сила

Умные машины должны обладать знанием

• Обработка естественных языков

• Компьютерное зрение

• Решение задач

Знания должны быть

• Адекватными

• Представленными в машинной форме

• Возможность рассуждать и порождать

новые знания

Онтологии и представление знаний, 2010 2

Неявное и явное представление знаний

Что есть знание?

• “Встроенное знание”

– Стратегии

– Эвристики

• “Явное знание”

– Правила / инструкции

Если дымно и жарко надо тушить пожар

– Классификация

Дуб это дерево

– Знания о знаниях

Я знаю, что ты знаешь, что я знаю ...

– …


Умные цитаты

‘… problem solving power exhibited … is primarily a consequence of the specialist

knowledge employed by the agent and only very secondarily related to … a power

of the inference method employed’

(Feigenbaum 1977)

‘The idea of explicit representations of knowledge, manipulated by general purpose

inference algorithms, dates back to the philosopher Leibniz, who envisioned a cal-

culus of propositions that exceed in its scope and power the differential calculus he

has developed’

(Brachman, Levesque and Reiter 1991)


Нельзя объять необъятное

Разные цели требуют разные формализмы

• Системы продукций (правил)

• Семантические сети и фреймы

• Логика

• Экспертные системы

Aim low!(Лучше синица в руке...)


Представление знаний для доступа и обмена информацией

Наша цель:

• Общий язык

• Общее понимание терминов


Семантическая Всемирная Паутина (Semantic Web)

Мы пользуемся Синтаксической Всемирной Паутиной

@@

@@

@@R

��

��ресурс

��

��ресурс

��

��ресурс

��

��ресурс

��

��ресурс

AAAAU

HHHHHHHj

��*

@@

@@

@R��

6

��9

href

href href

href

href

href

href


Синтаксическая Всемирная Паутина...

Компьютеры предоставляют информацию (просто),

а люди собирают и интерпретируют (сложно).

• Электронные библиотеки

Страницы, объединенные ссылками

• Базы данных

Доступ к данным через веб-страницу

• Мультимедиа

Интернет-радио.

• Системы наименования

уникальный идентификатор


Что нам нужно?

• Сложные запросы, требующие доступа к неявным знаниям

Найти информацию о “животных, которые пользуются эхолокацией но не

являются дельфинами или летучими мышами”






(Обыкновенная сипуха)







• Поиск информации в хранилищах данных

Как проехать?

Цены на товары и услуги

Результаты экспериментов











• Поиск и использование “интернет-сервисов”

Визуализация взаимодействия белков











• Поиск и использование “интернет-сервисов”

Визуализация взаимодействия белков

• Передача сложных задач “агентам”

Купить путевку в теплые края, не очень далеко, где говорят по-русски


В чем проблема?

Типичная веб-страница

• Разметка:

– как отрисовывать (размер

и цвет шрифтов)

– Гиперссылки на

родственные страницы

• Семантическое содержание

доступно людям но не

компьютерам...


Что видим мы...

WWW2007

The sixteenth International World Wide Web Conference

May 8–12, 2007

Banff, Alberta, Canada

Preliminary Call for Papers

The International World Wide Web Conference Committee (IW3C2) cordially invites you to participate in

the 16th International World Wide Web Conference (WWW2007) to be held on May 8-12, 2007 in Banff,

Canada.

The first WWW conference was held in 1994 at CERN, where the Web was born. Since then, the conference

series has become the premier venue for academics and industry to present, demonstrate, and discuss

the latest ideas about the Web.

WWW2007 will be held in Banff, Alberta, Canada at the world-famous Fairmont Banff Springs Hotel. The

technical program for the five-day conference will include refereed paper presentations, plenary sessions,

panels, and poster sessions, as well as tutorials, workshops, and special sessions for Web developers,

historians, and visionaries.


Что видят машины...

WWW2007

The sixteenth International World Wide Web Conference

May 8--12, 2007

Banff, Alberta, Canada

Preliminary Call for Papers

The International World Wide Web Conference Committee (IW3C2)cordially invites you to participate in the 16th InternationalWorld Wide Web Conference (WWW2007) to be held on May 8-12, 2007 inBanff, Canada.

The first WWW conference was held in 1994 at CERN, where the Web was

born. Since then, the conference series has become the premier

venue for academics and industry to present, demonstrate, and dis-

cuss the latest ideas about the Web. WWW2007 will be held in Banff,

Alberta, Canada at the world-famous Fairmont Banff Springs Hotel.

The technical program for the five-day conference will include ref-

ereed paper presentations, plenary sessions, panels, and poster

sessions, as well as tutorials, workshops, and special sessions

for Web developers, historians, and visionaries.


Решение: XML разметка?

<name>WWW2007

The sixteenth International World Wide Web Conference</name><date>May 8–12, 2007</date><location>Banff, Alberta, Canada</location><slogan>Preliminary Call for Papers</slogan>

<announcement>The International World Wide Web Conference Committee (IW3C2) cordially invites

you to participate in the 16th International World Wide Web Conference (WWW2007) to be held on May

8-12, 2007 in Banff, Canada.</announcement>

<statement>The first WWW conference was held in 1994 at CERN, where the Web was born. Since

then, the conference series has become the premier venue for academics and industry to present, demon-

strate, and discuss the latest ideas about the Web. WWW2007 will be held in Banff, Alberta, Canada at

the world-famous Fairmont Banff Springs Hotel. The technical program for the five-day conference will

include refereed paper presentations, plenary sessions, panels, and poster sessions, as well as tutorials,

workshops, and special sessions for Web developers, historians,

and visionaries.</statement>


Есть ли разница с...

<name>WWW2007

The sixteenth International World Wide Web Conference</name>

<date>May 8--12, 2007</date>

<location>Banff, Alberta, Canada</location>

<slogan>Preliminary Call for Papers</slogan>

<announcement>The International World Wide Web Conference Committee

(IW3C2) cordially invites you to participate in the 16th Interna-

tional World Wide Web Conference (WWW2007) to be held on May 8-12,

2007 in Banff, Canada.</announcement>

<statement>The first WWW conference was held in 1994 at CERN, where

the Web was born. Since then, the conference series has become the

premier venue for academics and industry to present, demonstrate,

and discuss the latest ideas about the Web. WWW2007 will be held in

Banff, Alberta, Canada at the world-famous Fairmont Banff Springs

Hotel... </statement>


Машины понимают только...

<name>WWW2007

The sixteenth International World Wide Web Conference</name>

<date>May 8--12, 2007</date>

<location>Banff, Alberta, Canada</location>

<slogan>Preliminary Call for Papers</slogan>

<announcement>The International World Wide Web Conference Com-

mittee (IW3C2) cordially invites you to participate in the 16th

International World Wide Web Conference (WWW2007) to be held on May

8-12, 2007 in Banff, Canada.</announcement>

<statement>The first WWW conference was held in 1994 at CERN, where

the Web was born. Since then, the conference series has become the

premier venue for academics and industry to present, demonstrate,

and discuss the latest ideas about the Web. WWW2007 will be held in

Banff, Alberta, Canada at the world-famous Fairmont Banff Springs

Hotel... </statement>


Требуется явно задать семантику

Соглашение о значении тегов

Использовать Онтологии чтобы описать теги

• Онтологии определяют словарь терминов

• Новые термины могут быть определены как комбинации старых


Опасайтесь преждевременных выводов

• Суета вокруг Семантической Паутины предполагает

Семантика + Web = ИИ


Опасайтесь преждевременных выводов

• Суета вокруг Семантической Паутины предполагает

Семантика + Web = ИИ

• Более реалистичный сценарий

Семантика + Web + ИИ = лучшая Web


Онтологии: происхождение и история

Онтология в Философии

oντoλoγiα раздел философии, изучающий бытие

• Наука бытия (Аристотель, Метафизика, IV, 1)

• Попытка ответить на вопросы

– Что характеризует бытие?

– Что есть?

• Классификация бытия

– Как классифицировать то, что есть?


Онтология в философии

• Что существует?

• Что значит, что “что-то существует”?

• Существуют ли абстрактные вещи?

• Что такое объект?

Ontology in Philosophy

In philosophy, ontology is the study of being or existence.

It aims to find out what entities and types of entities exist:

• What exists?

• Is existence a property?

• What is an object?

• Do non-physical(abstract) objects exist?

• How thingsshould be classified?

Aristotle’s ontology:

Semantic Web 2009 (1) http://www.dcs.bbk.ac.uk/~michael/sw/sw.html 28


Онтологии в информатике

“An explicit specification of a conceptualization”

“Явная спецификация концептуализации”[Tom Gruber 1993]

абстрактная модель

какой-то области

6

– классы/концепции/понятия

– свойства и атрибуты классов

– свойства свойств

– экземпляры

6

Онтология задает

– Общий язык

– Общее понимание


Таксономия

Таксономия учение о принципе и практике классификаций.Происходит от греческого ταξις (‘порядок’) и νoµoς (‘закон’ или ‘наука’)

• Классификация Линнея(Карл Линней, 1707–1778)

Службы каталогов

• Yahoo! Web Directory (http://dir.yahoo.com/)

• Open Directory Project 590,000 категорий (http://dmoz.org/)

• Каталог интернет-магазина


http://dir.yahoo.com/

http://dmoz.org/

Почти философия

• CYC, онтология верхнего уровня (проект начат в 1994)

http://www.opencyc.org/

самая большая и полная база знаний в мире


http://www.opencyc.org/

e-Science

• GO: http://www.geneontology.org/,

• MGED: http://mged.sourceforge.net/ontologies/MGEDontology.php, …


http://www.geneontology.org/

http://mged.sourceforge.net/ontologies/MGEDontology.php

Медицина

• Snomed, NCI, Galen и FMA

(полу-) автоматическое ведение медицинских записей

Разные термины могут обозначать одно и то же: ‘стенокардия’ и ‘грудная жаба’


Каталогизация информации

• UN-FAO, NASA, Ordnance Survey, General Motors, Lockheed Martin, …


Структура онтологий

Обычно онтологии имеют две части:

• Названия важных понятий (теги)

– Слон

– Травоядное

– Взрослый_Слон

• Информацию/знание о домене

– Взрослый_Слон весит по крайней мере 2 тонны

– Слон бывает либо Африканский_Слон либо Индийский_Слон


Что будет дальше?

• Формализмы построения онтологий и терминологий

• Логический анализ

• Баланс между выразительной силой и вычислительной сложностью

• Применения к био- и медицинской информатике


Онтологии и Представление Знаний

Борис Конев

Department of Computer Science

Liverpool University

Язык представления онтологий

Должен иметь

• четкий синтаксис

машина будет читать

• формальную семантику

точное понимание, возможность автоматического анализа

• эффективный автоматический анализ

• достаточную выразительную силу


Структурные объекты

• Куиллиан (1966, ’68) — семантические сети

• Минский (1974) — фреймы

• Чень (1976) — ER-диаграммы


Пример: анализ ER-диаграмм

..Студенты

.ISA

.disjoint

.Ф-т информатики .Биолого-почвенный ф-т

.ISA

.disjoint

.Практики .Теоретики

.ISA

.Биологи .Почвенники



..Студенты

.ISA

.disjoint


.ISA

.disjoint


.ISA




..Студенты

.ISA

.disjoint


.ISA

.disjoint


.ISA


Информатики ≡ практики


Не все так просто

• Собаки кусают почтальонов

..кусает.Собака.*

.Почтальона.*

• Все собаки кусают одного почтальона

..кусает.Собака.*

.Почтальона.1

• Одна собака кусает всех почтальонов

..кусает.Собака.1

.Почтальона.*

Анализ становится все сложнее...


Логика предикатов спешит на помощь

• Собаки (все) кусают почтальонов (всех)

∀x, y(dog(x) ∧ postman(y) ⇒ bites(x, y))

• Все собаки кусают одного почтальона

∃y(postman(y) ∧ ∀x(dog(x) ⇒ bites(x, y))))

• Одна собака кусает всех почтальонов

∃x(dog(x) ∧ ∀x(postman(x) ⇒ bites(x, y))))

• …


Тут бы нам и разойтись, но...

• Логика предикатов слишком сложная, не визуализируется...

(пользователи!)

• Структура может запутаться

∃y(postman(y) ∧ ∀x(dog(x) ⇒ bites(x, y))))

∃x(dog(x) ∧ ∀x(postman(x) ⇒ bites(x, y))))

• Логика предикатов неразрешима

• Не все (даже разрешимые) свойства можно выразить в логике первого порядка

(транзитивное замыкание)


Языки представления онтологий

Слабые языке:

• ER-модели, UML-диаграммы.

• RDFS the Resource Description Framework, with schema vocabulary.

– Рекомендован W3C 1999, 2004.

Более выразительные языки

• Дескрипционные логики, OWL (Web Ontology Language)

– Рекомендован W3C 2004, 2009.

• Правила (RuleML, LP, Prolog);

• Графы концепций;

• Предикатная логика.


RDF — модель представления данных

RDF означает Resource Description Framework

(Схема Описания Ресурсов) http://www.w3.org/RDF/

• Ресурсы идентифицируются при помощи ссылок (URI)

• Утверждения описывают свойства ресурсов при помощи троек вида

.

.

субъект.

.

объект-свойство


http://www.w3.org/RDF/






.

.

субъект.

.


6ресурс(URI)

книга

издатель

место

человек

…








.

.

субъект.

.


6ресурс(URI)

книга

издатель

место

человек

…

6

свойство(URI)

написана

название

…








.

.

субъект.

.


6ресурс(URI)

книга

издатель

место

человек

…

6


написана

название

…

6значение(константа или URI)








.

.

субъект.

.


6ресурс(URI)

книга

издатель

место

человек

…

6


написана

название

…

6значение(константа или URI)

• Сами свойства идентифицируются ссылками и, поэтому, являются ресурсами



RDF и представление графами

(1) Тройки ‘⟨ subject, predicate, object ⟩’

⟨kr, name, “Онтологии и представление знаний”⟩⟨kr, isTaughtBy, BK⟩⟨kr, homepage, http://logic.pdmi.ras.ru/csclub/courses/ontology⟩⟨BK, name, “Борис Конев”⟩


RDF и представление графами

(1) Тройки ‘⟨ subject, predicate, object ⟩’

⟨kr, name, “Онтологии и представление знаний”⟩⟨kr, isTaughtBy, BK⟩⟨kr, homepage, http://logic.pdmi.ras.ru/csclub/courses/ontology⟩⟨BK, name, “Борис Конев”⟩

(2) Граф

.

.

kr.

.

BK

“Онтологии и представление знаний”“Борис Конев”

.

.

http://logic.pdmi.ras.ru/csclub/courses/ontology

@@

@Rhomepage

-isTaughtBy�

��name

6name


Проблема троек

• В RDF используются только бинарные отношения:

Что делать с

referee(X, Y, Z): ‘X — судья в игре между Y и Z’?


Проблема троек

• В RDF используются только бинарные отношения:

Что делать с

referee(X, Y, Z): ‘X — судья в игре между Y и Z’?

Возможное решение: ввести анонимный ресурс

.

.

X.

.

.

.

Y

.

.

Z

-referee ��:player1

XXXXXXXzplayer2

<rdf:Description rdf:ID=′′X′′><referee>

<rdf:Description><player1 rdf:resource=′′#Y′′/><player2 rdf:resource=′′#Z′′/>

</rdf:Description></referee>

</rdf:Description>


Синтаксис RDF

На основе XML:

• Каждый тэг description описывает ресурс

• Каждый вложенный элемент или атрибут является свойством ресурса

<rdf:Description rdf:about=′′#kr′′>

<csclub:isTaughtBy rdf:resource=′′#BK′′/>

<csclub:name>Онтологии и представление знаний</csclub:name>

<csclub:homepage rdf:resource=′′http://logic.pdmi.ras.ru/csclub/courses/ontology′′/>

</rdf:Description>

<rdf:Description rdf:about=′′#BK′′>

<csclub:name>Борис Конев</csclub:name>

</rdf:Description>


RDFS — схема RDF

• RDF предоставляет возможность описать свойства ресурсов, но не позволяет выразить

отношения между свойствами и классами ресурсов, такие, например, как subClassOf

или rdf:type

– интерпретируются как произвольное бинарное отношение


RDFS — схема RDF

• RDF предоставляет возможность описать свойства ресурсов, но не позволяет выразить

отношения между свойствами и классами ресурсов, такие, например, как subClassOf

или rdf:type

– интерпретируются как произвольное бинарное отношение

• RDFS (RDF Scheme) придает семантику таким отношениям

– ⟨Person, subClassOf, Animal⟩ (все) люди — животные

– ⟨Person, type, Class⟩ Person это класс (множество) объектов

– ⟨isTaughtBy, type, Property⟩ isTaughtBy это свойство

– ⟨isTaughtBy, range, Person⟩ тот, кто учит — человек

– ...


Трудности с семантикой RDFS

• Нет различий между классами и индивидуумами

⟨Species, type, Class⟩⟨Lyon, type, Species⟩⟨Leo, type, Lion⟩

• У свойств могут быть свойства

⟨hasDaughter, type, familyProperty⟩

• “Зарезервированные слова” можно переопределять

⟨type, range, Class⟩⟨Property, type, Class⟩⟨Class, type, Class⟩

Привет, Бертранд Рассел...

“Нестандартная” семантика


Семантика RDF

Семантика RDF задается при помощи RDF Model Theory;

см. http://www.w3.org/TR/rdf-mt/

• V — множество имен (ссылки и константы), входящих в RDF-тройки

• RDF-интерпретация V задается:

– IR, непустое множество ресурсов (домен)


http://www.w3.org/TR/rdf-mt/







– IP ⊆ IR, множество свойств (каждое свойство — ресурс)

(символ v ∈ V является ресурсом т. и т.т. IS(v) ∈ IP )











– IS: V → IR, интерпретация ресурсов(с каждым элементом V ассоциирован ресурс)












– IEXT : IP → 2IR×IR, интерпретация свойств(свойства — бинарные отношения, т.е., подмножества IR × IR)












– IEXT : IP → 2IR×IR, интерпретация свойств(свойства — бинарные отношения, т.е., подмножества IR × IR)

Тройка ⟨s, p, o⟩ истинна в I т. и т.т.

s, p, o ∈ V , IS(p) ∈ IP и (IS(s), IS(o)) ∈ IEXT (IS(p))



Пример

Построим интерпретацию, в которой следующий RDF-граф истинен

.

.

kr.

.

BK


.

.


@@

@Rhomepage

-isTaughtBy�

��name

6name


Пример

Построим интерпретацию, в которой следующий RDF-граф истинен

.

.

kr.

.

BK


.

.


@@

@Rhomepage

-isTaughtBy�

��name

6name

5 6

9

4

3

1 1

78

IR = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10} and IP = {1, 2, 3, 4}

IS(name) = 1, IS(isTaughtBy) = 3, IS(homepage) = 4, IS(kr) = 5,

IS(BK) = 6, IS(http://logic.pdmi.ras.ru/csclub/courses/ontology) = 9,

IS(“Онтологии и представление знаний”) = 7, IS(“Борис Конев”) = 8

IEXT (1) = {(5, 7), (6, 8)}, IEXT (3) = {(5, 6)}, IEXT (4) = {(5, 9)}


Проблемы с RDFS

• RDFS не достаточно выразителен

– Нет локализованных ограничений на домен и множество значений

(множество значений свойства hasChild является людьми, когда применяется к человеку и

слонами когда применяется к слонам)







– Нет ограничений на существование и мощность

(у всех людей есть мать, которая тоже человек,

у матери-героини больше двух детей)










– Не определяются транзитивные, обратные или симметричные свойства

(свойство isPartOf транзитивное,

свойство hasPart обратно isPartOf

свойство touches симметрично)














– ...














– ...

• Трудности с логическим анализом

– Нет средств, поддерживающих нестандартную семантику

– Структурные алгоритмы


Documents

Department of Computer Science Liverpool University · Онтологии и Представление Знаний Борис Конев Department of Computer Science Liverpool