Sistemi basati su conoscenza Semantic Web

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Sistemi basati su conoscenzaSemantic Web

• Prof. M.T. PAZIENZA
• a.a. 2006-2007

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Introduzione

• Internet contiene enormi quantità di dati
  memorizzati in milioni di pagine che vengono
  usate per lo scambio di informazioni.
• In maggioranza sul web vengono create pagine a
  contenuto testuale ma prive di qualunque tipo di
  annotazione semantica. A causa di ciò il processo
  di ricerca si basa ancora quasi esclusivamente su
  keywords vanificando gli obiettivi ambiziosi di
  accesso alle informazioni supportato dal web

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Tim Berners-Lee visione (2001)

• ... a goal of the Web was that, if the
  interaction between person and hypertext could be
  so intuitive that the machine-readable
  information space gave an accurate representation
  of the state of people's thoughts, interactions,
  and work patterns, then machine analysis could
  become a very powerful management tool, seeing
  patterns in our work and facilitating our working
  together through the typical problems which beset
  the management of large organizations.
• T. Berners Lee (ed altri) continuano a lavorare
  per la realizzazione di un tale progetto
  ambizioso ormai universalmente noto come Semantic
  Web

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Situazione attuale syntactic Web
Hendler Miller 02
5
Il syntactic Web è

• ...un luogo in cui
• i calcolatori si preocupano della presentazione
  (attività facile da fare)
• gli uomini curano linterpretazione ed i
  collegamenti (possono fare deduzioni da
  informazion parziali, associazioni mentali,
  possono combinare tra loro informazioni diverse,
  in lingue diverse etc).
• hypermedia, una digital library
• Una libreria di documenti (web pages)
  interconnessi da link ipermediali
• Un database, una piattaforma per applicazioni
• Un comune portale, accessibile da pagine web, di
  applicazioni che presentino i propri risultati
  come pagine web.
• Una piattaforma per multimedia
• BBC Radio 4 anywhere in the world! Terminator 3
  trailers!
• Uno schema unico per i nomi
• Identificatori unici per questi documenti
• ... e gli agenti?

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• Perchè le informazioni siano processabili da un
  agente cè bisogno di
• nomi non ambigui per le risorse (URIs) che
  possono anche collegare dati ad oggetti del mondo
  reale
• un modello di dati comune RDF
• unitamente a modalità di accesso a quei dati sul
  Web
• vocabolari comuni RDFS, OWL
• logiche per il ragionamento OWL, Regole
• The Semantic Web is an infrastructure for the
  interchange and the integration of data on the
  Web
• che estende il web sintattico e non lo
  sostituisce

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Resource Description Framework (RDF)

• RDF permette di scrivere statements che siano
  machine-processable.
• Uno statement RDF è come una frase in cui quasi
  tutte le parole sono URI (Uniform Resource
  Identifier). Ciascuno statement RDF ha tre
  componenti un soggetto, un predicato e un
  oggetto.
• Esempio di statement RDF
• lthttp//aaronsw.com/gt lthttp//love.example.org/ter
  ms/reallyLikesgt lthttp//www.w3.org/People/Berners-
  Lee/Weaving/gt .
• Cosa è scritto nello statement? Il primo URI è il
  soggetto (in questo caso la pagina di Aaron
  Swartz ). Il secondo URI è il predicato e mette
  in relazione il soggetto con loggetto. (In
  questo esempio il predicato è "reallyLikes). Il
  terzo URI è loggetto. (Qui loggetto è il libro
  di Tim Berners-Lee "Weaving the Web), così
  nellesempio si dice che Aaron Swartz really
  likes "Weaving the Web."

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Resource Description Framework (RDF)

• RDF è un grafo.
• Una tripla (s,p,o) soggetto-proprietà-oggetto può
  essere vista come un arco etichettato in un grafo
  
• i.e., un insieme di statements RDF è un grafo
  diretto etichettato
• oggetti e soggetti sono nodi del grafo
• proprietà sono gli archi

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Il Semantic Web è

• Il Semantic Web è un web di dati, una sorta di
  enorme database globale.
• La motivazione per la creazione di una tale
  infrastruttura è altrove, qui si può solo
  identificare larchitettura per sè.

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Semantic web roadmap

• La parte a sinistra, il web, mostra come una URI,
  tramite lHTTP, viene convertita nella
  rappresentazione di un documento. E poi
  convertita in XML e poi in RDF, per produrre un
  grafo RDF o, a livello logico, in una formula
  logica.
• La parte a destra, la parte semantica, mostra
  come il grafo RDF contiene un riferimento
  allURI.

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Il syntactic Web è

• Un luogo dove
• gli elaboratori gestiscono la visualizzazione dei
  documenti (compito ben definito e facilmente
  implementabile)
• le persone realizzano i collegamenti concettuali
  e linterpretazione (compito ancora non ben
  definito e difficile da realizzare)
• Sarebbe interessante sviluppare processi
  automatici per il punto 2

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Aspettative per il SW

• Porre domande complesse che implichino background
  knowledge (vorrei informazioni su chi
  insegnabasi di dati)
• Localizzare informazioni specifiche allinterno
  di data repositories (ricerche di percorsi di
  viaggio, prezzi di prodotti di una categoria
  merceologica, risultati di esperimenti, )
• Delegare a web agents compiti complessi
• (mostrami un sito dove comprare un laptop
  potente, non molto costoso e soprattutto leggero)

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Qual è il problema?Consideriamo una pagina web
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Qual è il problema?Consideriamo unaltra pagina
web
15
Qual è il problema?Consideriamo ancora unaltra
pagina web
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Qual è il problema?

• Le pagine sono state visualizzate negli opportuni
  formati e colori, i link ipertestuali sono
  opportunamente visualizzati e collegati ad altri
  contenuti il tutto indipendentemente dal
  linguaggio in cui le pagine sono state scritte
• Il contenuto (semantico) di ciascuna pagina è
  accessibile solo agli umani ma non agli
  elaboratori

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Un esempio analisi della query
Who holds the Database course?
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Un esempio matching della query
list_all(X). relation(E,teach), arg1(E,
person_c(X)), arg2(E,course_c(Database course))
teach
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Linformazione vista dalla macchina

• WWW2002
• The eleventh international world wide web
  conference
• Sheraton waikiki hotel
• Honolulu, hawaii, USA
• 7-11 may 2002
• 1 location 5 days learn interact
• Registered participants coming from
• australia, canada, chile denmark, france,
  germany, ghana, hong kong, india, ireland, italy,
  japan, malta, new zealand, the netherlands,
  norway, singapore, switzerland, the united
  kingdom, the united states, vietnam, zaire
• Register now
• On the 7th May Honolulu will provide the backdrop
  of the eleventh international world wide web
  conference. This prestigious event
• Speakers confirmed
• Tim berners-lee
• Tim is the well known inventor of the Web,
• Ian Foster
• Ian is the pioneer of the Grid, the next
  generation internet

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Solutione XML markup con tag ricchi di
significato

• ltnamegtWWW2002
• The eleventh international world wide
  webconlt/namegt
• ltlocationgtSheraton waikiki hotel
• Honolulu, hawaii, USAlt/locationgt
• ltdategt7-11 may 2002lt/dategt
• ltslogangt1 location 5 days learn interactlt/slogangt
• ltparticipantsgtRegistered participants coming from
• australia, canada, chile denmark, france,
  germany, ghana, hong kong, india, ireland, italy,
  japan, malta, new zealand, the netherlands,
  norway, singapore, switzerland, the united
  kingdom, the united states, vietnam,
  zairelt/participantsgt
• ltintroductiongtRegister now
• On the 7th May Honolulu will provide the backdrop
  of the eleventh international world wide web
  conference. This prestigious event
• Speakers confirmedlt/introductiongt
• ltspeakergtTim berners-leelt/speakergt
• ltbiogtTim is the well known inventor of the
  Web,lt/biogt

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Ma cosa dire circa i contenuti?

• ltconfgtWWW2002
• The eleventh international world wide
  webconlt/confgt
• ltplacegtSheraton waikiki hotel
• Honolulu, hawaii, USAlt/placegt
• ltdategt7-11 may 2002lt/dategt
• ltslogangt1 location 5 days learn interactlt/slogangt
• ltparticipantsgtRegistered participants coming from
• australia, canada, chile denmark, france,
  germany, ghana, hong kong, india, ireland, italy,
  japan, malta, new zealand, the netherlands,
  norway, singapore, switzerland, the united
  kingdom, the united states, vietnam,
  zairelt/participantsgt
• ltintroductiongtRegister now
• On the 7th May Honolulu will provide the backdrop
  of the eleventh international world wide web
  conference. This prestigious event
• Speakers confirmedlt/introductiongt
• ltspeakergtTim berners-leelt/speakergt
• ltbiogtTim is the well known inventor of the Web,

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Cè bisogno di semantica

• External agreement sul significato delle
  annotazioni
• Accordo sul significato di un insieme di tag di
  annotazione
• Problemi possibili
• Scarsa flessibilità
• Numero limitato di fatti che possono essere
  espressi
• Uso di Ontologie per specificare il significato
  delle annotazioni
• Le ontologie forniscono un vocabolario di termini
• Nuovi termini posso essere formati combinando
  termini preesistenti Conceptual Lego
• Il significato (semantica) di tali termini è
  formalmente specificato
• E possibile specificare relazioni tra termini in
  ontologie diverse.

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AKT 2003
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Quali le difficoltà?

• I linguaggi ontologici sono complessi
• Le ontologie sono complesse (le persone le
  realizzano facilmente usando lintuizione
  piuttosto che la logica ma lintuizione è
  difficile da formalizzare)
• La complessità del problema è nota sin
  dallantichità (Aristotele), ed ora torna di
  attualità perché il SW diventa significativo una
  volta definiti i problemi di rappresentazione
  della conoscenza

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Struttura delle ontologie

• Le ontologie in genere si basano su due
  componenti principali
• Vengono usati nomi per indicare concetti di
  dominio
• Elefante è un concetto i cui membri sono degli
  animali
• Erbivoro è un concetto i cui membri sono proprio
  quegli animali che mangiano solo piante o parti
  di piante
• Elefante adulto è un concetto i cui membri sono
  proprio quegli elefanti con età superiore a 20
  anni
• Conoscenza di background /vincoli sul dominio
• Gli elefanti adulti pesano almeno 2000 kg
• Tutti gli elefanti sono o elefanti africani o
  elefanti indiani
• Nessun individuo può essere contemporaneamente un
  erbivoro ed un carnivoro

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Gestione delle ontologie

• Necessità di definire tool e servizi per aiutare
  gli utenti a
• Disegnare e mantenere ontologie di qualità,
  ovvero
• Ricche di significato tutte le classi definite
  devono avere istanze
• Corrette catturare le intuizioni degli esperti
• Scarsamente ridontanti evitare sinonimi inutili
• Ampiamente assiomatizzate descrizioni
  dettagliate
• Memorizzare numerose istanze di classi di
  dominio, ovvero
• Annotazioni dalle pagine web
• Rispondere a query relative a classi ed istanze
  dellontologia, ovvero
• Trovare classi più generali/specifiche
• Trovare pagine/annotazioni corrispondenti ad una
  data descrizione
• Integrare ed allineare più ontologie

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Premise a promise
The concept of machine-understandable documents
does not imply some magical artificial
intelligence which allows machines to comprehend
human mumblings. It only indicates a machine's
ability to solve a well-defined problem by
performing well-defined operations on existing
well-defined data. Instead of asking machines to
understand people's language, it involves asking
people to make the extra effort. Tim
Berners-Lee, What the Semantic Web can
represent, 1998. http//www.w3.org/DesignIssues/
RDFnot.html

• quindi

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Soluzioni per il SW

• Ladesione a linguaggi per la rappresentazione
  della conoscenza sul web, come RDF e OWL,
  dovrebbe garantire una effettiva interoperabilità
  della conoscenza distribuita tra più sorgenti
  informative autonomamente definite.
• Il passaggio da syntactic a semantic web più che
  richiedere una maggiore intelligenza da parte dei
  sistemi di calcolo, può avvenire se si
  definiscono metodologie condivise (standard) per
  la rappresentazione della conoscenza.
• ma

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Modelli e Meta-modelli

• OWL, RDF etc.. non sono modelli del
  mondo/dominio, sono modelli per la
  rappresentazione della conoscenza e, di
  conseguenza, meta-modelli per descrivere oggetti
  del mondo reale.
• Se si afferma A is-a B, si intende
• che tutte le istanze di A sono anche istanze di B
• che tutte le istanze di A sono soggette alle
  restrizioni delle proprietà che sono specificate
  su B
• Non si può affermare
• come le istanze di A (o B) si relazionino con
  oggetti del mondo reale

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Soluzioni per il SW

• Per tornare alle parole di Berners-Lee, non cè
  alcuna necessità di
• magical artificial intelligence
• natural language understanding
• bensì soltanto di aderire ad un livello
  ontologico
• non necessariamente ad una sola ontologia
  generale
• ma un insieme di ontologie di fiducia che
  vengono condivise in un dato contesto.

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Semantica di una ontologia

• La semantica di una ontologia viene definita
  tramite
• linterpretazione data da coloro che usano
  lontologia stessa allinterno di un framework
  specifico (red car è una macchina rossa o un
  modellino di macchina rossa?)
• luso che le applicazioni fanno dei concetti
  dellontologia allinterno del framework in cui
  sono coinvolte
• Lo spazio dei nomi si comporta, sotto tutti gli
  aspetti, come referente degli oggetti allinterno
  dello stesso framework. Si ipotizza che
• gli umani siano capaci di interpretare nella
  stessa maniera gli stessi nomi nello stesso
  spazio dei nomi, così come
• le macchine siano capaci di usare tali dati
  consistentemente.

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Cosa accade in caso di mancato agreement
semantico?

• Esistono molte ontologie tra loro diverse e
  continuamente altre vengono sviluppate
  relativamente allo stesso dominio o a domini
  parzialmente sovrapposti
• Integrare le loro informazioni è importante sia
• a livello di schema
• Migrazione della conoscenza ed interrogazioni
  remote
• a livello di dati
• Espandere la conoscenza relativa agli stessi
  oggetti
• Tale integrazione può essere realizzata
  attraverso processi di
• Ontology Merging (produzione di una sola risorsa
  globale da altre pre-esistenti)
• Ontology Alignment (mappings tra due risorse
  esistenti)

SK
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Cosa accade in caso di mancato agreement
semantico?

• La mancanza di un qualsivoglia accordo rende
  difficile che
• concettualizzazioni analoghe in diverse ontologie
  siano facilmente mappate una con laltra
• questi mappings siano semanticamente
  conservativi
• Ciò implica che i sistemi di calcolo siano
  coinvolti in attività ulteriori di processing per
  rendere la conoscenza
• comprensibile
• interoperabile

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Ruolo del linguaggio naturale

• Su quale informazione possono basarsi le
  macchine? Il linguaggio
• Il linguaggio (naturale), alla fine, può essere
  considerato lultima risorsa sfruttabile
• Rimane lunico modo per trasferire la semantica
  dei dati
• Aiuta gli umani a capire come oggetti formali
  corrispondano alla loro conoscenza sul mondo
• Può essere daiuto alle macchine nellarmonizzare
  differenti concettualizzazioni
• Pro offre un modo ricco ed universalmente
  accettato per esprimere il significato
• Contro è ambiguo fenomeni di synonimia ed
  omonimia
• Limportanza del linguaggio è spesso
  sottostimata, sotto molti aspetti
• Risultati sperimentali (e.g. nel Ontology
  Alignment)
• Standard (nessuno standard nè per associare il
  linguaggio alla conoscenza concettuale, nè per
  rappresentare la stessa conoscenza linguistica)
• Risorse / Infrastrutture