Вопрос 12: Онтологии. Разработка концептуальной модели предметной области на основе онтологического подхода.

Основные определения

Определение термина «онтология» зависит от контекста и целей его использования:

• Онтология - раздел философии, изучающий проблемы бытия, наука о бытии
• Онтология - это формальная спецификация концептуализации, которая имеет место в некотором контексте предметной области.

Концептуализация представляет собой описание понятий, а также всю информацию, имеющую отношение к понятиям (свойства, отношения, ограничения, аксиомы, утверждения), необходимую для описания и решения задач в избранной предметной области.

Концептуальная модель - система концептов и отношений предметной области.

Концепт - понятие, отражающее некоторый конкретный или абстрактный объект реального мира

Формально онтология состоит из понятий (терминов, организованных в таксономию), их описаний и правил вывода.

Таксономия - теория классификации и систематизации сложноорганизованных областей действительности

Онтология – это подробная спецификация структуры определенной проблемной области;

Онтология включает в себя словарь (т.е. список логических констант и предикатных символов) для описания предметной области и набор логических высказываний, формулирующих существующие в данной проблемной области ограничения и определяющих интерпретацию словаря;

Онтология предлагает словарь для представления и обмена знаниями по интересующей проблеме и набор связей и свойств, которые определены между имеющимися в ее словаре неделимыми сущностями.

Аспекты интерпретации термина “онтология”

• Философское понятие (какие свойства являются общими для всего сущего?)
• Неформальная концептуальная система (базис для определенной БЗ)
• Формальный взгляд на семантику (формализация семантических структур)
• Спецификация концептуализации (в рамках ИИ-сообщества)
• Представление концептуальной системы через логическую теорию (характеризуемую формальными свойствами или только ее назначением)
• Словарь (используемый логической теорией)
• Спецификация логической теории (метауровневая)

Онтология (в информатике) - это попытка всеобъемлющей и детальной формализации некоторой области знаний с помощью концептуальной схемы. Обычно такая схема состоит из иерархической структуры данных, содержащей все релевантные классы объектов, их связи и правила (ограничения), принятые в этой области

Онтологии - базы знаний специального вида, которые могут «читаться» и пониматься, отчуждаться от разработчика и/или физически разделяться их пользователями. Это формально представленные знания на базе концептуализации (описания множества объектов и понятий, знаний о них и связей между ними) (Гаврилова, Хорошевский)

Модель онтологии

Формально онтология определяется как

$O = <X,R,F>$

,где

• $X$ - конечное множество понятий (концептов) предметной области,
• $R$ - конечное множество отношений между понятиями,
• $F$ - конечное множество функций интерпретации, заданных на концептах и/или отношениях.

При $R = 0$ и $F = 0$ онтология трансформируется в простой словарь. Пример – индексы поисковых машин

Модель онтологической системы

$Z = <O, P, M>$

,где

• O – онтология верхнего уровня (метаонтология), которая содержит общие понятия и отношения, не зависящие от предметной области - «объект», «свойство», «значение» и т.п.;
• P – множество предметных онтологий и онтологий задач предметной области (с учетом предпочтений пользователя);
• M – модель машины вывода данной онтологической системы (например, для изменения критериев релевантности поиска или критериев формирования репозитория).

Модель онтологической системы позволяет описывать взаимосвязь онтологий разных уровней

Классификация онтологий

• метаонтология – содержит общие понятия и отношения, не зависящие от предметной области («объект», «свойство», «значение» и т.п.);
• предметная онтология – содержит понятия, описывающие конкретную предметную область и отношения, семантически значимые для данной предметной области;
• онтология задач (и методов) – содержит в качестве понятий типы решаемых задач, а отношения специфицируют декомпозицию задач на подзадачи;
• прикладная онтология (онтология приложения) – описывает концепты, зависящие как от предметной области, так и от задач
• сетевая онтология – используется для описания конечных результатов действий, выполняемых объектами предметной области или задачи.

Другие классификации:

• по уровню детализации
• по “природе” предметных областей
• по степени разработки и сопровождения

Основные направления применения онтологий

• Формализованное представление знаний
  • организация общей и предметной терминологии
  • описание предметных областей для совместного использования человеком и компьютером
  • индексирование, фильтрация и классификация формализованных знаний
  • приобретение, структурирование знаний и формирование новых знаний
• Семантическая интеграция информационных ресурсов (Формирование единого сетевого пространства знаний)
• Обеспечение возможности поиска нужной информации (индексирование, фильтрация и классификация формализованных знаний)

Практическое применение онтологий

• Порталы
• Системы автоматизированного сбора информации
• Управление корпоративными информационными ресурсами
• Обучающие системы
• Мультимедийные энциклопедии и коллекции
• Взаимодействие электронных бытовых устройств

Направления развития онтологий

• совершенствование способов доступа к знаниям
• развитие средств разработки онтологий
• совершенствование методов автоматического вывода онтологий
• развитие средств представления
• развитие средств взаимодействия онтологий

Языки представления онтологий

• традиционные языки спецификации онтологий (LOOM, OKBC, OCML, Flogic, LBase)
• специальные языки спецификации онтологий (Ontolingua, CycL, SHOE)
• языки основанные на Web-стандартах (UPML, DAML, OIL, XODL, XML, RDF, RDFS, OWL)

Выбор языка зависит от целей разработки онтологии

OWL (Web Ontology Language) – язык Web-онтологий

Основное назначение OWL – для использования приложениями, которые должны не только представлять информацию человеку, но и обрабатывать ее.

OWL спроектирован для хранения и отображения большого количества разнородной информации и знаний, а также для поддержки семантики и связей между этими знаниями.

OWL предназначен для описания классов и отношений между ними, которые присущи для Web-документов и приложений

Коллекции онтологий

• (KA)2 (Knowledge Annotation Initiative of the Knowledge Acquisition Community) – Аннотация знаний сообществом приобретения знаний (разрабатываются онтологии организаций, проекта, личности, направления исследований, публикаций, событий, исследовательских продуктов, тсследовательских групп) Инструментарий – Ontobroker

• SHOE (Simple HTML Ontology Extensions)) – осуществляет аннотацию Web-страниц семантической информацией

• CYC – ориентация на создание мультиагентной базы знаний всех общих понятий, включая семантическую структуру терминов и связей между ними

• TOVE (Toronto Virtual Enterprise Project)- предметно ориентирована на представление модели корпорации

• Plinius – предназначена для полуавтоматического извлечения знаний в области химии

Критерии разработки онтологий (Gruber)

• Ясность- онтология должна эффективно описывать смысл определяемых терминов.
• Согласованность- онтология должна быть согласованной, определения и выводимые утверждения должны быть непротиворечивыми.
• Расширяемость- онтология должна предусматривать возможность определения новых терминов без необходимости пересмотра существующих определений.
• Минимум влияния кодирования- концептуализация должна быть специфицирована на уровне знаний вне зависимости от конкретного способа кодирования.
• Минимальное онтологическое соглашение- для онтологии должен быть достигнут минимальный объем словаря, достаточный для описания знаний, которые предполагается совместно использовать.

Жизненный цикл онтологий

Планирование (задачи, ресурсы, сроки)

Разработка

• Спецификация – определяет цели создания, предполагаемое использование и потенциальных пользователей
• Концептуализация – обеспечивает структурирование предметных знаний
• Формализация – трансформирует концептуальную модель в формальную или вычислительную
• Реализация – вычислительная модель программируется на соответствующем языке представления знаний
• Проверка - включает в себя идентификацию и редактирование неопределенных терминов; выявление конфликтов и несогласованностей; проверку онтологии на полноту; идентификацию семантических различий между двумя терминами в различных онтологиях; синтаксический анализ; анализ таксономии; семантическую оценку

Поддержка (одновременно с разработкой) – приобретение знаний, оценка онтологии, интеграция при построении новой онтологии с использованием существующих

Уровни формализации онтологии

• Неформализованный. Слабо описанная на естественном языке онтология
• Неформально-структурированный. Онтология описана ограниченным набором лексики естественного языка в структурированном виде Полуформальный. Онтология описана на специальном формально определенном языке
• Строго формальный. Для описания используются тщательно определенные термины с формальной семантикой, теоремы и доказательства для таких свойств, как надежность и полнота онтологии

Основные этапы разработки онтологий:

• определение классов в онтологии (понятий в рассматриваемой предметной области);
• определение слотов (свойств и атрибутов каждого понятия);
• описание допускаемых значений этих слотов и ограничений, наложенных на слоты.
• отображение иерархии классов (подкласс – надкласс);
• определение других отношений между классами.