Conceptos Básicos de Ontologías -...

Unidad 1 :Conceptos Básicos de Ontologías

Maestría en Sistemas ComputacionalesClave: MPSCO-0108 6 Créditos

Sesiones Sabado 7-10

Rafael Vázquez Pérez

viernes 7 de marzo de 14

Contenido

• 1.1 Teoría Fundamental Sobre Ontologías

• 1.2 Que es una Ontología?

• 1.3 Cuales son los principales componentes de una ontología

• 1.4 Tipos de Ontologías

• 1.5 Compromisos ontológicos


Teoría fundamental sobre ontologías

• Una característica crucial de la inteligencia humana es el comportamiento adaptativo.

• De hecho los seres humanos pueden fácilmente adaptarse a nuevas situaciones haciendo uso de sus experiencias anteriores y los conocimientos previos



• Suponga que un niño aprende que

“Pelusa es un gato”



• aprende también que los gatos son animales

animales



• y aprende que los animales no deben ser lastimados.



• el niño sin duda será capaz de aplicar este conocimiento para inferir que, en particular:

• “Pelusa no debe ser lastimado”



• Algo común a los sistemas de IA creados desde Alan Turing hasta los sistemas expertos como Mycin es una representación simbólica y explícita del conocimiento sobre cierto dominio

• Una representación simbólica del conocimento tiene la ventaja de que puede ser separada de los aspectos procedurales relativos a su aplicación y puede ser reutilizada en otros sistemas.



• Las computadoras son esencialmente maquinas que manipulan símbolos y necesitan instrucciones claras sobre como manipular estos símbolos de una forma significativa.

• Por esta razón el conocimiento es representado usando alguna lógica como modelo teórico semántico, de la misma manera que un procedimiento sintáctico, verifica la validez semántica con la cual es ejecutada por una computadora



• Cuando representan simbólicamente el conocimiento de tal forma que una computadora pueda procesarla, surge la pregunta de qué símbolos usar y lo que ellos representan

• Por lo tanto, es posible usar una ontología como modelo del dominio en cuestión


Reina

reina

queen

Queen

reine



• Tal ontología declararía las cosas que son importantes para el dominio en cuestión, así como definir sus relaciones.

• En el contexto de los sistemas basados en el conocimiento, una ontología subyacente esencialmente nos diría que símbolos se necesitan y cómo se supone que deben ser interpretados.

• A nivel lógico, la interpretación puede ser entonces restringida de acuerdo a la ontología por axiomatizar adecuadamente los símbolos



• La representación del conocimiento y las ontologías han ganado una gran importancia en las ultimas décadas.

• Hoy en día las ontologías son aplicadas en agentes de comunicaciones, agentes integradores de información, buscadores web, descriptores de contenidos para facilitar su recuperación y procesamiento de lenguaje natural



• Este interés sobre las ontologías ha sido atraído por la industria por proveedores de tecnología semántica como ontoprise en cooperación con Audi o Deutsche Telekom.

• Aunque las ontologías pueden ofrecer beneficios potenciales para algunas aplicaciones es bien conocido que su construcción es costosa



• El modelado de un dominio no trivial es de hecho una tarea muy difícil y que consume mucho tiempo.

• La principal dificultad estriba en el hecho de que la ontología supone tiene una cobertura significativa para fomentar en forma abreviada el modelo y sus generalizaciones al mismo tiempo.



• Una solución ideal a este problema podría ser, un enfoque para que las ontologías aprendieran automáticamente de los datos

• Tal enfoque haría que se redujera el costo de construcción de las ontologías


¿Que es una Ontología?• La palabra “Ontología” proviene del griego ontos,

que significa “ser” y logos “palabra”.

• En Filosofía se refiere al tema de la existencia, por ejemplo al estudio del ser como tal.

• Mas precisamente es el estudio de las categorías de las cosas que existen o que podrían existir en algún dominio.

• Un dominio ontológico explica el tipo de las cosas en ese dominio


¿Que es una Ontología?

• Informalmente, la ontología de un cierto dominio trata de su terminología (vocabulario del dominio), todos los conceptos esenciales en el dominio, su clasificación , su taxonomía, sus relaciones (incluyendo todas su jerarquías importantes y restricciones) y los axiomas del dominio



• Mas formalmente, para alguien quien desea discutir los tópicos en un dominio D, usando un lenguaje L, una ontología provee un catalogo de tipos de cosas que se asumen que existen en D; Los tipos en la ontología son representados en términos de conceptos, relaciones y predicados de L.



• Tanto formal o informalmente, la ontología es una parte de suma importancia del conocimiento de cualquier dominio.

• Por otra parte, la ontología es la parte fundamental del conocimiento y cualquier otro conocimiento debe invocarla y referirse a ella.



• Las ontologías se han hecho muy populares, no solamente en IA sino también en otras disciplinas de la computación

• Por lo tanto las ontologías están creciendo rápidamente en un campo científico distinto con sus propias teorías, formalismos y enfoques.


Conceptos Básicos

• En IA el término ontología ha sido ampliamente usado en 2 sentidos:

• Un vocabulario de representación, a menudo especializadas para algún dominio o tema.

• Un cuerpo de conocimiento que describe un dominio particular, utilizando un vocabulario de representación


Conceptos Básicos

• En ambos casos, siempre hay una estructura de datos subyacente asociada, que representa la ontología


Areas de la AI y de la Computación que utilizan ontologías

• Representación del Conocimiento

• Ingeniería del Conocimiento

• Modelado Cualitativo

• Ingeniería del Lenguaje

• Diseño de Base de Datos

• Information retrieval and extraction

• Administración y Organización del Conocimiento


Definiciones

• Existen muchas definiciones del concepto de ontología en IA y en computación en general.

• La mas citada es:

• “Ontología es la especificación de una conceptualización” (Gruber 1993)

• Esta definición es ciertamente la mas concisa y requiere de mayor clarificación


Definiciones

• Conceptualización significa una abstracción simplificada del mundo.

• Si en la base de conocimientos de un sistema inteligente esta representado el mundo para algún propósito, entonces debe estar comprometido para alguna conceptualización.


Definiciones

• Es decir, cada cuerpo de conocimiento representado formalmente se basa en una conceptualización.

• Cada conceptualización se basa en los conceptos, objetos y otras entidades que se supone que existe en un área de interés


Definiciones

• Esto clarifica el término “mundo”, en la práctica actualmente se refiere a algún fenómeno en el mundo o algún tema del mundo (o tópico) o en alguna área temática.

• La otra parte de la definición “Especificación” una representación formal y declarativa.


Definiciones• En la estructura de datos que representa la

ontología, el tipo de conceptos usados y las restricciones en su uso declaradas explícitamente mediante un lenguaje formal.

• Esta representación formal implica que una ontología deba ser reconocible por una maquina.

• No puede ser ejecutada como un programa.

• La representación declarativa de algún conocimiento será usada por los programas.


Definiciones• Ontología.- Puede ser visto como el estudio de la

organización y naturaleza del mundo independiente de la forma de nuestro conocimiento acerca de el. (Guarino 1995).

• Guarino argumenta sobre la definición con la noción formal de ontología: Es la teoría que permite establecer de las diferencias entre las entidades del mundo (los objetos físicos, eventos, regiones, cantidades de materia, ...) también como las categorías entre meta niveles usadas para modelar el mundo (conceptos, propiedades, estados, roles, partes,....).


Definiciones

• Ontología es el conjunto de términos del conocimiento, incluyendo el vocabulario, las interconexiones semánticas y algunas reglas simples de inferencia y lógica para algún tema en particular. (Hendler 2001).

• Las partes importantes en esta definición son las interconexiones semánticas y la inferencia lógica


Definiciones

• Swartout y Tate ofrecen una definición metafórica pero extremadamente útil para comprender los principios de una ontología

• Ontología es la estructura básica o armadura sobre la cual una base de conocimientos puede ser construida.

• La siguiente figura ilustra la idea


Definiciones

Como una armadura en concreto, una ontología podría ofrecer un firme y estable

esqueleto del conocimiento para el cual otro conocimiento debería apegarse


¿Que aspectos tienen las ontologías?

• La respuesta a esta pregunta depende del nivel de abstracción

• Cuando son implementadas en una computadora, ellas se parecen típicamente como los archivos XML

• También pueden ser representadas usando un lenguaje lógico como KIF.



• Desde siempre las ontologías son acerca de los conceptos y sus relaciones, se pueden representar gráficamente utilizando un lenguaje visual.

• Las herramientas gráficas para la creación de ontologías siempre apoyan la conversión de un formato gráfico a XML o a otro textual.



• Los seres humanos pueden expresar ontologías como conjuntos de enunciados declarativos en un lenguaje natural.

• Sin embargo las declaraciones en lenguaje natural son difíciles de procesar en una computadora.

• Recordemos también de las definiciones de la representación de ontologías en una computadora requiere de un lenguaje formal



• Ejemplo: Una ontología de un músico visualizada como una red semántica

Obviamente esta representación sufre de

muchas deficiencias ademas que no es una

representación formal



• Para mas detalle y una representación gráfica formal consideramos el modelo en UML.

Permite que las propiedades de todos los conceptos usados se especifiquen sin ambigüedad,

así como los roles de sus conceptos en sus relaciones.


¿Que aspectos tienen las ontologías?Esta figura nos muestra parte de una ontología músico en un formato equivalente a XML.

El Lenguaje OWL es usado en esta representación.

La cual es la mas ampliamente usada el día de hoy a nivel de implementación


Repaso red semántica

ExtraerConocimiento

en Frases


Construya la red semántica

• Los Hobbits son personas pequeñas

• Frodo es un Hobbit

• Los Hobbits tienen dedos gordos

• Frodo posee un anillo mágico

• El anillo fue encontrado en una cueva

• Los Hobbits son personas míticas


¿ Porque Ontologías ?

• Las Ontologías proporcionan una serie de características útiles para los sistemas inteligentes, así como para la representación del conocimiento en general y para el proceso de la ingeniería del conocimiento.


Vocabulario

• Una ontología ofrece un vocabulario (o los nombres) para referirse a los términos en un área específica.

• En la vida real hay un espectro vacío de diferentes clases de vocabularios.

• Un vocabulario controlado, como un catalogo ofrece una lista finita de términos junto con una interpretación de esos término.


Vocabulario

• Las ontologías difieren de los vocabularios orientados a los humanos en que ellas ofrecen instrucciones lógicas que describen cuales términos son, como se relacionan unos con otros y reglas especificas para combinar términos y sus relaciones para definir extensiones a ese vocabulario


Principales componentes de una ontología

• Existen diferentes formalismos de representación del conocimiento (y sus correspondientes lenguajes) con fines de formalizar e implementar ontologías.

• Cada uno ofrece diferentes componentes que pueden ser usados para esas tareas.

• Sin embargo, comparten el siguiente conjunto mínimo de componentes*:



• * Los nombres de los componentes dependen del formalismo. Por ejemplo, clases que también son conocidas como conceptos, entidades y conjuntos; las relaciones que también con conocidas como roles y propiedades; etc.



• 1.- Clases representan conceptos, los cuales son tomados en el sentido mas amplio.

• Por ejemplo, en el dominio de viajes, los conceptos son: localidades (ciudades, pueblos, etc), alojamiento (hoteles, hostales, etc), transporte (aviones, trenes, autos, barcos).

• Las clases en las ontologías están usualmente organizadas en taxonomías a través de las cuales los mecanismos de herencia pueden ser aplicados.



• Podemos representar una taxonomía de lugares de entretenimiento (teatro, cine, concierto, etc) o paquetes de viajes ( viajes económicos, viajes de negocios, etc)



• 2.- Relaciones representan un tipo de asociación entre conceptos de un dominio.

• Las relaciones están formalmente definidas como cualquier subconjunto de un producto de n conjuntos, esto es:

• R ⊂ C1 × C1 ×........×Cn

• Las ontologías usualmente contienen relaciones binarias.



• El primer argumento es conocido como el dominio de la relación, y el segundo argumento el rango.

• Por ejemplo en la relación arrivalPlace tiene el concepto Travel como su dominio y el concepto Location como su rango.

• Las relaciones pueden ser instanciadas con conocimiento del dominio.



• Por ejemplo, para expresar que el vuelo AA7462-Feb-08-2002 llega a Seattle debemos escribir:

• (arrivalPlace AA7462-Feb-08-2002 Seattle)

• Las relaciones binarias son muchas veces usadas

• Los atributos se distinguen de las relaciones porque su rango es un tipo de dato como un string, numero, etc., mientras que el rango de las relaciones es un concepto.



• El siguiente código define el atributo FlightNumber, el cual es un string.

• Podemos expresar relaciones de una alta aridad.

• Los axiomas formales sirven para modelar sentencias que siempre serán verdaderas.

• Ellas se utilizan formalmente para representar el conocimiento que no puede ser formalmente definido por alguno de los otros componentes



• Instancias son usadas para representar elementos individuales en una ontología.

• Un ejemplo de una instancia es el concepto AA7462 es el vuelo AA7462 que llega a Seattle en febrero 8 de 2006 y cuesta 300 dólares


Tipos de Ontologías• Ontologías de un dominio, en las que se representa el

conocimiento especializado pertinente de un dominio o subdominio, como la medicina, las aplicaciones militares, la cardiología.

• Ontologías genéricas, en las que se representan conceptos generales y fundacionales del conocimiento como las estructuras parte/todo, la cuantificación, los procesos o los tipos de objetos.

• Ontologías representacionales, en las que se especifican las conceptualizaciones que subyacen a los formalismos de representación del conocimiento, por lo que también se denominan meta-ontologías (meta-level o top-level ontologies).


Tipos de Ontologías• A estos tres tipos, [Guarino ,98] añade las ontologías que han

sido creadas para una actividad o tarea específica (denominadas task ontologies), como por ejemplo la venta de productos o el diagnóstico de una enfermedad y las ontologías creadas para una aplicación específica.

• Se podría pensar que al implementar ontologías de este tipo, se debería tratar de representar toda el conocimiento disponible de cada clase en cuestión, pero realmente esto no es recomendable según [Noy,98], solo el conocimiento más realmente y que es realmente necesario para la aplicación, pues de otra manera sería más ineficiente su utilización, se comparte conocimiento inútil, y los procesos inferenciales son más lentos.


Tipos de Ontologías• Teniendo en cuenta lo anterior podemos decir

que el uso de las ontologías se ha extendido enormemente, existiendo en la actualidad sitios en Internet como IEEE Standard Upper Ontology (suo.ieee.org) y Cyc (www.cyc.com) donde se publican ontologías desarrolladas para un dominio particular, permitiendo con esto la reusabilidad de las mismas, y que su utilización para el intercambio de conocimiento en la Web, sea realmente factible, pues sería de dominio público.


http://www.cyc.com

http://www.cyc.com

Compromisos Ontológicos

• Un compromiso ontológico se refiere a una relación entre un idioma y ciertos objetos postulado por ese idioma.

• La "existencia" hace referencia a que no tiene que ser "real", pero sólo existen en un universo de discurso.

• A modo de ejemplo, los sistemas jurídicos utilizan vocabulario referente a las "personas jurídicas" que son entidades colectivas que tienen derechos.

• En los sistemas de información e inteligencia artificial, donde una ontología se refiere a un vocabulario específico y un conjunto de supuestos explícitos sobre el significado y el uso de estas palabras, entonces un compromiso ontológico es un acuerdo para utilizar el vocabulario compartido de una manera coherente y consistente dentro de un contexto específico.


Compromisos Ontológicos

• La frase "Napoleón es uno de mis antepasados ", al parecer nos compromete únicamente a la existencia de dos individuos (es decir, Napoleón y yo) en una línea de ascendencia entre ellos.

• El hecho de que no hay otras personas u objetos se mencionan parece limitar el "compromiso" de la frase. Sin embargo, es bien conocido que las sentencias de este tipo no se pueden interpretar de la lógica de primer orden, donde se destacan las variables individuales de las cosas individuales.

• En su lugar, deben ser representados en alguna forma de segundo orden.

• En el lenguaje corriente, tales formas de segundo orden o usan plurales gramaticales o términos tales como "conjunto de" o "grupo de".


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