Ontologia

Ontologia Arquitetura da Informação Digital

Linguagem Lógica
Lógica Descritiva
Web Semântica
Paulo Augusto Loncarovich Gomes – Bolsista CAPES
RDF
UNESP - Mestrado em Ciência da Informação e Tecnologia OWL
W3C
Fernando Alves Gama
UNESP - Mestrado em Ciência da Informação e Tecnologia

Ontologia e sua origem
• Historicamente a palavra Ontologia tem origem no grego
ontos (ser) e logos (palavra), e apesar do estudo do ontos
originar-se com Aristóteles (384 a.C. – 322 a.C.) e Platão
(428/27 a.C. – 347 a.C.), a utilização do termo Ontologia para
designar um ramo da Filosofia é muito mais recente, tendo
sido introduzido na transição da Idade Média para a Idade
Moderna, na escolástica, por volta dos séculos XVII e XVIII, o
termo foi cunhado na área de Filosofia em 1613 por Rudolf
Goclenius (1547 - 1628) e aparentemente de forma
independente por Jacob Lorhard (1561 – 1609).

(WELTY, GUARINO, 2001)

GOMES,GAMA. Ontologia, 2009.

Conceitos Iniciais
• Para o filosofo Aristóteles “ A Lógica é um instrumento, uma introdução para as ciências e para o
conhecimento”

• Historicamente, a lógica surgiu com o filosofo grego Aristóteles (384-322 A.C.), que fundou a
disciplina de lógica como um sistema de princípios, nos quais todo o resto do conhecimento se
apóia.

• De acordo com Aristóteles, uma argumentação consiste de uma sequência finita de sentenças,
chamadas de premissas, juntamente com uma certa sentença chamada conclusão que segue das
premissas.
Portanto:
• A Lógica é uma ciência dedutiva: o conceito que prova rigorosa é fundamental.

• Lógica: explica a natureza do rigor matemático.

• Lógica: inclui o estudo de fundamentos da matemática.
(GALLAIRE, MINKER, 1977)

No contexto da integração entre bases de dados, bases e conhecimento, as lógicas descritivas vêm
ocupando um lugar de destaque, sendo uma das áreas de estudo mais promissoras da
representação do conhecimento em conjunto com as bases de dados.
(FRANCONI, 2000)


A natureza da Linguagem Lógica
• Lógica são é análise e o criticismo do pensamento. Nós chegamos a conclusões a
partir de dados.

• A argumentação é conduzida a partir de certas normas

• Representar o conhecimento.

• Provê uma representação uniforme.

• Sustenta uma base matemática forte de extrema importância para o
desenvolvimento de bases de dados.
(GALLAIRE, MINKER, 1977)

Criticismo tem origem no alemão Kritizismus, representa em filosofia a posição metodológica própria do kantismo.
Caracteriza-se por considerar que a análise crítica da possibilidade, da origem, do valor, das leis e dos limites do
conhecimento racional constituem-se no ponto de partida da reflexão filosófica.


Lógica Descritiva – filosofia e princípios
• Usar lógica para definir formalmente semântica de
formalismos de representação de conhecimento.

• Estudar computabilidade e complexidade
das linguagens e serviços de inferência
antes de implementá-los.

• Limitar expressividade para garantir que esses serviços
sejam computacionalmente tratáveis.
(NARDI et al., 2002; FRANCONI,
2000)


Lógica Descritiva
• Surgiu como uma evolução das redes semânticas e frames. Seu intuito era
de resolver alguns problemas e limitações que estes encontravam, como,
por exemplo, a falta de uma semântica formal (significado,
comportamento) que permitisse a quebra de ambigüidades através de
raciocinadores.
(BRACHMAN, SCHMOLZE,
1985)

• Final dos anos 70, foi chamada de “Linguagens Terminológicas”, que
buscavam representações com mais engajamento ontológico. Nessa
época surgiu pela primeira vez a modelagem com o uso de TBox e ABox.

• Chegou a ser chamada de “Linguagens Conceituais”

• Começo dos anos 80 surgiu a expressão “Lógica Descritiva”.

(BRACHMAN et al, 1983)

Lógica Descritiva
• As Lógicas Descritivas (DL – Description Logics) são conjuntos de formalismos de
representação do conhecimento que representam o conhecimento de um domínio.

• Primeiramente definem os conceitos relevantes a este domínio, ou seja, sua
terminologia, e utilizam estes conceitos para especificar as propriedades de
objetos e indivíduos do domínio, criando uma descrição do domínio.
(BAADER, NUTT, 2003)


Lógica Descritiva
• Uma lógica descritiva é formada por uma linguagem
descritiva, que é utilizada para definir como os conceitos
e como os papéis são formados, por um mecanismo para
especificar dados sobre os conceitos e papéis (TBox), por
um mecanismo para especificar as propriedades dos
indivíduos (ABox) e por maneiras de se inferir sobre uma
base de conhecimento.
(CALVANESE, 2006, p. 30)

TBox ABox

Lógica Descritiva - Construtores


Lógica Descritiva - Estrutura
Base de Conhecimento
Conhecimento Conhecimento sobre
Terminológico - TBox Objetos - ABox

Mecanismo de Inferência

Inferência/aplicação

(CALVANESE, 2003, p.
31)

Ontologia - TBox TBox
• Terminologia
• Possui um conjunto de declarações e axiomas que
descrevem a estrutura do domínio
• Conhecimento intensional
Mulher ≡ Pessoa ⊓ Fêmea
• “Mulher”: indivíduo que pertence aos conceitos “Pessoa” e
“Fêmea”
Homem ≡ Pessoa ⊓ ¬ Mulher
• “Homem”: indivíduo que pertence ao conceito “Pessoa”
mas não ao conceito “Mulher”


Ontologia - ABox ABox

• Assertivas sobre os indivíduos, ou objetos conhecimento
extensional sobre o domínio de interesse.
TBox:
Mulher ≡ Pessoa ⊓ Fêmea
ABox:
Mulher ≡ (Maria)
Checagem da consistência:
Mulher(Maria ) ≡ Pessoa (Maria) ⊓ Fêmea (Maria)

Conceito da Ontologia
“o termo derivado da palavra grega que significa ‘ser’, mas usado desde o século
XVII para denominar o ramo da metafísica que diz respeito aquilo que existe”
(BLACKBURN, MARCONDES, 1997)

Ontologia é o ramo da Filosofia que tem como objetivo responder às seguintes
questões: “Quais são as categorias do mundo? E quais são as leis que regulam tais
categorias?” (TEIXEIRA, 1999)

“uma ontologia é uma especificação formal e explícita de uma conceitualização
compartilhada”
(GRUBER, 1993)
“um termo corresponde a um conceito particular dentro de um campo
conceitual, designando um conjunto de propriedades e relações com outros
conceitos em um determinado contexto”

(LIMA, 1998)

Interpretação da Ontologia
• 1. Ontologia como uma disciplina da Filosofia;

• 2. Ontologia como um sistema conceitual informal;

• 3. Ontologia como uma proposta semântica formal;

• 4. Ontologia como uma especificação de uma conceitualização;

• 5. Ontologia como uma representação de um sistema conceitual por meio de uma
teoria lógica:
• 5.1 Caracterizada por propriedades formais ou
• 5.2 Caracterizada apenas para propósitos específicos;
• 6. Ontologia como um vocabulário usado por uma teoria lógica;

• 7. Ontologia como um meta-nível de especificação de uma teoria lógica.

(GUARINO, GIARETA, 1995)


Definições da Ontologia
• De acordo com tais definições, com exceção da primeira que se refere ao
sentido filosófico do termo, pode-se identificar duas grandes correntes
teóricas:

• A. Que concebem ontologia como uma entidade conceitual semântica,
formal ou informal, (definições 2 e 3);
• B. Que concebem como um objeto concreto em nível sintático, que tem
seu desenvolvimento e sua utilização guiados por um propósito
específico, (definições de 4 a 7).

(GUARINO, GIARETA, 1995)


Definições da Ontologia

A definição mais freqüentemente identificada no âmbito da
representação do conhecimento é a que define uma
ontologia como: “uma especificação explícita de uma
conceitualização”, considerando que o termo “explicita”
significa que um objeto de nível simbólico deve ser expresso
formalmente e de maneira clara, e uma “conceitualização”
será composta por objetos, conceitos e as relações existentes
em um determinado domínio.
(GRUBER, 1993, p.1, tradução nossa)


Aplicação da Ontologia
Recuperação de informações

ONTOLOGIA
Sistemas de Integração de Informação

Gestão de conhecimento

Processamento da linguagem natural

Comércio eletrônico

Sistemas multiagentes


Ontologias de Domínio e de Aplicação
• 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
– Referenciam termos de uma ontologia de domínio
– Ex: Ontologia para identificar doenças do coração, a partir
de uma ontologia de domínio de cardiologia
• Classificação quanto ao teor: ontologias de tarefas e de
domínio


Ontologias de Domínio e de Aplicação
• Ontologias de nível alto: descrevem tais conceitos muito gerais: tempo, espaço, evento, ação, etc.

• Ontologias de domínio: descrevem o vocabulário com respeito a um domínio genérico (por exemplo
medicina, arquitetura, etc.)

• Ontologias de tarefa: descrevem uma tarefa ou atividade específica, como: venda, diagnóstico.

• Ontologias de aplicação: aqui os conceitos dependem em particular de um domínio a partir de uma tarefa
.
(MIZOGUCHI et al., 1999)

• Ontologias terminológico: onde as condições são especificadas para a representação do conhecimento .

• Ontologias de informação: na qual a estrutura de armazenamento do banco de dados é detalhada.
(VAN HEIST, 1997)


Construção de uma Ontologia
Terra

Seres vivos Seres Inanimados

Animais Plantas

Pássaros Mamíferos Anfíbios Invertebrados Répteis Peixes

Irracionais Racionais

Propriedades:
Humanos Pessoa
Peso, altura, etc.
(LIBRELOTTO, RAMALHO, HENRIQUES, 2005, adaptado)

Ontologia como Metadados
Ontologia Doença

Animal Raiva
Pode Acontecer

Mamífero

Instância Instância
Pessoa Cachorro

Maria tem um cachorro chamado Toy
Documento
GOMES,GAMA. Ontologia, 2009

Software para definição de Ontologia
Ferramenta, para manipulação de ontologia
Protégé
• Editor de ontologias, feito em Java. Tem disponível uma grande variedade de plugins, nomeadamente, para realizar querys ou exportar a ontologia em diversas
linguagens (OWL, RDF, RDFS, e XML Schema). Está disponível em http://protege.stanford.edu
• Mais à frente, num outro capítulo, far-se-á uma descrição pormenorizada desta ferramenta.

OilEd
• Editor de ontologias para a linguagem OWL. É bastante simples, ideal para quem se queira iniciar no estudo das ontologias. Está disponível em
http://img.cs.man.ac.uk/oil/

Jena
• Framework em Java para a construção de aplicações de Web Semântica. Esta API permite a manipulação de ontologias escritas em RDF, RDFS e OWL. Tem também
um motor de inferência para regras. Está disponível em http://jena.sourceforge.net

Bossam
• Motor de inferência para Web Semântica. É usado para inferir e fazer querys sobre documentos RDF, RDFS, OWL e SWRL. Está disponível em
http://projects.semwebcentral.org/projects/bossam/

Jess
• Motor de regras e um ambiente de scripting (contém uma linguagem de script) escrito em Java, que permite inferir sobre ontologias. Ao usá-lo podemos construir
software com a capacidade de inferência, usando conhecimento que é disposto através de regras declarativas. Está disponível em
http://www.jessrules.com/jess/download.shtml

Racer
• Motor de inferências, baseado em DL (Description Language) que permite descobrir novos relacionamentos e conceitos numa ontologia, e validar e confirmar a sua
consistência. Para aceder aos serviços deste sistema é necessário utilizá-lo em conjunto com outras ferramentas, como por exemplo o Protégé. Está disponível em
http://www.racer-systems.com


Conceito de Web Semântica
• Uma definição da Web Semântica é: uma extensão da Web
obtida através da adição de semântica ao atual formato de
representação de dados”.
(Berners-Lee, 1990)

• O principal propósito de haver uma Web Semântica é tornar a
Web compreensível tanto por humanos quanto por agentes
de software componentes.
(Silva et al., 2003) (Szyperski, 1998)


Web Semântica
• A “base” da Web atual é a HyperText Markup Language
(HTML), que possibilita a comunicação entre humanos já que
estes conseguem entender o conteúdo de páginas criadas
com essa linguagem.

• Web Semântica como um meio de tratar o problema de
sobrecarga (overload) de informação causado pelo
crescimento contínuo da Web em tamanho, linguagens e
formatos.
(Benjamins et al., 2002)


Ontologia na Web Semântica
Linguagens de descrição de ontologias para a Web:

• Simple HTML Ontology Extensions (SHOE)
(Heflin & Hendler, 2000)

• Resource Description Framework (RDF)
(W3C, 2004e)

• RDF Vocabulary Description Language 1.0 (RDF Schema)
(W3C, 2004f)

• DAML+OIL Language (DAML+OIL)
(W3C, 2001)

• OWL
(W3C, 2004b)

Como essas linguagens são baseadas na eXtensible Markup Language (XML), elas são mais ricas
para a descrição de conteúdo do que HTML.

Web Semântica
• A "pilha" da Web Semântica
São necessárias camadas e camadas de
metadados, lógica e segurança para tornar a
Web legível por máquina. A maioria das
representações visuais destas camadas
envolvem uma pilha - tipo de torre de blocos
que representam todas as camadas. A pilha
muda e evolui conforme os conceitos por trás
da Web Semântica se desenvolvem.


Web Semântica
• Histórico
– Em fins da década de 1990 os desenvolvedores da
web percebem que a utilização de textos inteligíveis
somente aos humanos trazia sérios problemas na
recuperação da informação.
– Berners-Lee, Handler e Lassila (2001) sugerem a
elaboração de um ambiente web onde as informações
possam ser compreendidas também pelas máquinas,
a fim de automatizar a recuperação.
• Exemplo:
– Consultório Médico.
» Usuário pesquisa os especialistas em determinada área,
verifica disponibilidade de horário na agenda do médico e
marca uma consulta.


Web Semântica
– Para os autores:
• “The Semantic Web is not a separate Web but an
extension of the current one, in which information is
given well-defined meaning, better enabling computers
and people to work in cooperation. ”


Web Semântica
• Arquitetura
– Distribuída em uma série de camadas sobrepostas
onde cada camada deverá , obrigatoriamente, ser
complementar e compatível com as camadas
inferiores; sendo, ao mesmo tempo,
independente das camadas superiores. (Ramalho,
Vidotti e Fujita 2007)


Web Semântica
• Arquitetura
– Em 2000 Berners-Lee apresenta um dos primeiros
modelos de arquitetura da web semântica


Web Semântica
• Arquitetura
– Em 2005 Berners-Lee apresentou
novas subdivisões nas camadas.

Fonte: Berners-Lee, 2005 p 17


Web Semântica
– A fim de facilitar a compreensão dentro do
contexto das ontologias vamos trabalhar com a
primeira definição de arquitetura da web
semântica.


Web Semântica
• Unicode
– Esquema padronizado de codificação de
caracteres acessível a qualquer sistema
computacional.
• Utiliza formato texto.


Web Semântica
• URI – Uniform Resource Identifier
– Ponto de referência a pessoas, lugares e
elementos do mundo físico.
• Exemplo:
– URL: Uniform Resource Locator


Web Semântica
• XML – Extensible Markup Languague
– Linguagem de marcação que permite flexibilidade
na estruturação de dados.


Web Semântica
– Ao contrário da linguagem HTML, XML não
apresenta uma estrutura de tags (etiquetas) pré-
definidas. Por essa razão permite ao
desenvolvedor rotular dados da maneira que for
conveniente.


Web Semântica
– Exemplo


Web Semântica
– XML ainda permite a construção de estruturas de
validação de elementos por meio do uso de
Document Type Definition (DTD).
• As DTDs determinam quais elementos um documento
XML deverá conter, e quais serão os tipos de dados
utilizados nos elementos.


Web Semântica
– XML configura-se, portanto, em uma linguagem
universal para a definições de marcações,
facilitando a troca de informações entre
diferentes sistemas computacionais. Não
apresenta, entretanto, meios eficientes de
empregar significado semântico aos dados.


Web Semântica
• RDF – Resource Description Framework
– Modelagem de dados que permite a
representação de classes.
– Possibilita a representação de taxonomias


Web Semântica
• Ontologias na Web Semântica


Web Semântica
• Ontologias na Web Semântica
– Conforme já mencionado uma ontologia pode ser
compreendida como uma especificação explícita
e formal de um conceito, a fim de descrever um
domínio do discurso.
– Antoniou e Harmelen (2004, p. 10) afirmam que
• Typically, an ontology consists of a ﬁnite list of terms
and the relationships between these terms. The terms
denote important concepts (classes of objects) of the
domain.


Web Semântica
• Requisitos das Linguagens Ontológicas
– Sintaxe bem definida
• Condição necessária na programação para que as máquinas
possam processar as informações.
– Semântica Formal
• Descreve o significado do conhecimento, de modo preciso
por meio da matemática lógica
– Adesão de Classe: Se x é uma instância da classe C, e C é uma
subclasse de D, então podemos afirmar que x é uma instância de
D.
– Equivalência de Classe: Se a classe A é equivalente à classe B, e a
classe B é equivalente a Classe C, então A é equivalente a Classe
C também.


Web Semântica - RDF
• Limitações do Poder de Expressão do RDF
Schema na construção de ontologias
– Embora a RDFS apresente possibilidades de se
relacionar taxonomias, apresenta algumas
deficiências em características que seriam
imprescindíveis a modelagem de ontologias. A saber:
• Escopo local de propriedades
• Separação de classes
• Combinações booleanas de classes
• Restrições Cardinais
• Caraacterísticas especiais de propriedades

Fonte: Antoniou e Harmelen (2004) Tradução nossa.


Web Semântica - OWL

• Web Ontology Language - OWL
– Visando construir uma linguagem rica para a representação
de ontologias, grupos de pesquisa europeus e Americanos se
uniram na construção da linguagem DAML+OIL, a qual foi o
ponto de partida para a W3C definir a linguagem OWL.
– A OWL descreve de modo mais eficiente os aspectos
semânticos e seus possíveis relacionamentos, possibilitando
representações mais abrangentes da linguagem RDF e RDFS,
vindo a favorecer sua interoperabilidade.


Web Semântica - OWL


Web Semântica – OWL


Web Semântica
– Dentro do aspecto das ontologias temos as
linguagens
• SparQL: Realiza consultas a partir de estruturas RDF a
fim de favorecer a recuperação da informação
• DLP: Permite intersecção entre lógica descritiva (OWL
DL) e Programação Lógica.
• Rules: Permite a definição de regras lógicas
relacionadas aos recursos informacionais.


Web Semântica
• Às camadas Logic framework, Proof e Trust seriam
incumbidas as tarefas de:
– tratamento das informações descritas em níveis inferiores,
– comprovação de que os elementos informacionais estejam
descritos de maneira adequada, e a
– confiabilidade que as informações estejam descritos de modo
correto.
Fonte: Ramalho, Vidotti e Fujita (2007).


Web Semântica?
• Por que Web Semântica?
• Suponha que você queira comprar o box da "Trilogia Star
Wars" na internet, e que você tenha alguns critérios
básicos para a sua compra. Primeiro, você quer DVDs
widescreen e não full-screen, e você quer o box que
tenha o disco extra de bônus. Segundo, você quer o
menor preço disponível, mas você preferiria comprar um
box novo, não um usado. Por fim, você não quer pagar
muito pelo envio e manuseio, mas você também não
quer esperar muito pela entrega.


Web Semântica


Web Semântica
• No atual ponto da evolução da Web, sua melhor aposta seria buscar nos sites de diferentes
varejistas, comparando preços e tempo de envio e preços. Você poderia também procurar um site
que compare opções de preço e envio entre vários varejistas de uma vez. De qualquer maneira,
você tem que fazer a maior parte do "bater perna" virtual, e então tomar sua decisão de compra e
fazer seu pedido sozinho.

• Com a Web Semântica, você teria mais uma opção. Você poderia colocar suas preferências em um
agente computadorizado, que buscaria na Web, encontraria a melhor opção par você, e faria seu
pedido. O agente poderia então abrir um programa de finanças pessoais no seu computador e
registrar o valor que você gastou, e ainda poderia marcar a data em que seus DVDs deveriam
chegar em seu calendário. Seu agente também aprenderia seus hábitos e preferências, então se
você tivesse uma experiência ruim ao comprar de um site em particular, ele saberia que não deve
usar mais aquele site.

• O agente faria isso não olhando imagens e lendo descrições como uma pessoa faz, mas buscando
metadados que claramente identificam e definem o que o agente precisa saber. Metadados nada
mais são que dados legíveis por máquina que descrevem outros dados. Na Web Semântica,
metadados são invisíveis quando as pessoas lêem a página, mas são claramente visíveis para os
computadores. Metadados também permitem pesquisas na Web mais complexas e focadas, com
resultados mais precisos. Para Tim Berners-Lee, inventor da World Wide Web, estas ferramentas
farão a Web - atualmente semelhante a um livro gigante - se tornar um banco de dados gigante.


O W3C e a Web Semântica
• O World Wide Web Consortium (W3C) é um consórcio internacional com a
missão de levar a Web ao seu potencial máximo, através do desenvolvimento
de protocolos, especificações e sugestões para garantir o crescimento da Web
no longo prazo.

• O consórcio então propôs e recomendou o Resource Description Framework
(RDF) que é uma linguagem para representação de informação a respeito de
recursos na Web. A RDF Vocabulary Description Language 1.0 (RDF Schema)

• OWL Web Ontology Language foi recomendada como próximo passo com
objetivo de fornecer algumas outras possibilidades para ontologias como
escalabilidade, distribuição, compatibilidade com os padrões (standards) Web
para acessibilidade e internacionalização, openness e extensibilidade.
(W3C, 2004e)


Considerações Finais
Dentro do contexto da Arquitetura da Informação as
ontologias apresentam considerável relevância no que diz
respeito ao desenvolvimento de mecanismos de buscas na
web que visem a recuperação da informação a partir da
representação do conhecimento.


Bibliografia
• BLACKBURN, S. Consultoria da edição brasileira. In: MARCONDES, D. Dicionário oxford de filosofia.
Tradução D. Murcho et al. Rio de Janeiro : Jorge Zahar, 1997.

• CALVANESE, D., DE GIACOMO, G. Descript ion Logics for Conceptual Data Modeling in UML.ESSLLI
2003, Vienna, August 18–22, 2003.

• FRANCONI, E. First Order Logic and ER Schema. Notas de Aula, University of Manchester, 2000.

• GUARINO, N.; GIARETTA, P. Ontologies and knowledge bases – towards a terminological
clarification. In: N. MARS (Ed). Towards very large knowledge bases: knowledge building and
knowledge sharing. Amsterdam: IOS Press, 1995. p. 25-32.

• GRUBER, Thomas R. (1993), “A Translation Approach to Portable Ontology Specification”.
Disponível em: http://tomgruber.org/writing/ontolingua-kaj-1993.pdf> Último acesso em 20 de
setembro de 2005.

• WELTY, C., GUARINO, N. Supporting Ontological Analysis of Taxonomic Relationships. Data and
Knowledge Engineering, v.39, n.1, p. 51-74, 2001.


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