Ontologien. Heiko Peter. 24. Juli Institut für Informatik, FSU Jena

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1 Institut für Informatik, FSU Jena 24. Juli 2006

2 Übersicht? Die aus aus Sicht 1 2? Die aus aus Sicht 3 4

3 (I)? Die aus aus Sicht Turm zu Babel -Problem: Verschiedene Entwickler Softwaresystemen verwenden eigene Begriffe und Konzepte in ihren Schemata. (Datenbank-)Schemata enthalten identische Bezeichnungen aber mit verschiedenen Bedeutungen. Gleichbedeutende Begriffe werden durch verschiedene Bezeichnungen repräsentiert.

4 (I)? Die aus aus Sicht Turm zu Babel -Problem: Verschiedene Entwickler Softwaresystemen verwenden eigene Begriffe und Konzepte in ihren Schemata. (Datenbank-)Schemata enthalten identische Bezeichnungen aber mit verschiedenen Bedeutungen. Gleichbedeutende Begriffe werden durch verschiedene Bezeichnungen repräsentiert. Es ist nicht ohne weiteres ein Informations- und Datenaustausch zwischen den Systemen möglich.

5 (II)? Die aus aus Sicht 1. Lösungsvorschlag: Man übersetzt direkt ein Schema in ein anderes Schema. Nachteil dieser Lösung: Bei n Schemata sind O(n 2 ) Übersetzer notwendig.

6 (II)? Die aus aus Sicht 1. Lösungsvorschlag: Man übersetzt direkt ein Schema in ein anderes Schema. Nachteil dieser Lösung: Bei n Schemata sind O(n 2 ) Übersetzer notwendig. 2. Lösungsvorschlag: Man verwendet eine gemeinsame Taxonomie Konzepten (Interlingua) und übersetzt jedes Schema in die gemeinsam vereinbarte Interlingua. Vorteil dieser Lösung: Bei n Schemata sind O(n) Übersetzer notwendig.

7 (III)? Die aus aus Sicht Informatiker führten für eine solche gemeinsame Taxonomie den Begriff ein. Hier bedeutet eine also ein Wörterbuch Begriffen, die in kanonischen Syntax formuliert sind und den jeweils eine allgemein akzeptierte Definition zugeordnet ist. Das Turm zu Babel -Problem tritt im verstärktem Maße im WWW auf und muss auf dem Weg zum Semantic Web angegangen werden.

8 Die in der Philosophie (I)? Die aus aus Sicht Der Begriff stammt ursprünglich aus der Philosophie. Sie ist eine eine philosophische Grunddisziplin der allgemeinen Metaphysik oder Lehre vom Sein. [Bro98] Die lässt sich in eine formale und materiale unterteilen. Die materiale handelt vom organischen Aufbau der Welt als Gegenstand allgem Klassifizierungen. [Bro98] Die materiale ordnet die Elemente des Seins aufgrund bestimmter Merkmale nach Einzelerscheinungen, Gruppen, Arten und Gattungen.

9 Die in der Philosophie (II)? Die aus aus Sicht Der griechische Philosoph Aristoteles stellte zehn fundamentale Kategorien für die Klassifizierung Dingen auf: Substanz, Relation, Qualität, Quantität, Tun, Leiden, Haben, Lage, Ort und Zeit. Being Substance Accident Inherence Property Directedness Relation Containment Movement Intermediacy Quality Quantity Activity Passivity Having Situated Spatial Temporal

10 in? Die aus Es gibt viele unterschiedliche Definitionen. An ontology is an explicit specification of an conceptualization. [Gru93] aus Sicht

11 in? Die aus aus Sicht Es gibt viele unterschiedliche Definitionen. An ontology is an explicit specification of an conceptualization. [Gru93] explizite Spezifikation: Konzepttyp und Constraints sind explizit definiert Voraussetzung für die Maschinenverarbeitbarkeit

12 in? Die aus aus Sicht Es gibt viele unterschiedliche Definitionen. An ontology is an explicit specification of an conceptualization. [Gru93] explizite Spezifikation: Konzepttyp und Constraints sind explizit definiert Voraussetzung für die Maschinenverarbeitbarkeit gemeinsame Konzeptualisierung: gemeinsames Verständnis eines Anwendungsbereichs Gruppe Menschen getragen

13 in? Die aus aus Sicht Es gibt viele unterschiedliche Definitionen. An ontology is an explicit specification of an conceptualization. [Gru93] explizite Spezifikation: Konzepttyp und Constraints sind explizit definiert Voraussetzung für die Maschinenverarbeitbarkeit gemeinsame Konzeptualisierung: gemeinsames Verständnis eines Anwendungsbereichs Gruppe Menschen getragen... an ontology refers to an engineering artefact, constituted by a specific vocabulary used to describe a certain reality, plus a set of explicit assumptions regarding the intended meaning of the vocabulary words. [Gua98]

14 Konzeptualisierungen (I)? Die aus aus Sicht Eine Konzeptualisierung ist eine abstrakte und vereinfachte Sicht auf die zu repräsentierende Welt. Sie umfasst die Objekte und Beziehungen zwischen Objekten (möglichen) Welt. Die Menge der Objekte, über die Wissen ausgedrückt werden soll, nennt man Diskurswelt (universe of discourse). Die Menge der (berücksichtigten) Relationen bezeichnet man als relationale Basismenge. Formal ist eine Konzeptualisierung K ein Paar K = (D, R) das aus Diskurswelt D sowie aus der relationalen Basismenge R besteht. [GN88]

15 Konzeptualisierungen (II) Beispiel: Blocks World? Die aus aus Sicht a b c d e Die Diskurswelt bestehe aus den 5 Blöcken: D = {a, b, c, d, e} Die Relation on besteht zwischen zwei Blöcken gdw. ein Block unmittelbar auf dem anderen steht: on = { a, b, b, c, d, e }

16 Konzeptualisierungen (III)? Die aus aus Sicht Beispiel: Blocks World (Fortsetzung) Die Relation clear gilt für einen Block B gdw. kein anderer Block auf B steht: clear = {a, d} Die Relation table gilt für einen Block gdw. der Block auf dem Tisch steht: table = {c, e} Für die gegebene Blocks World ergibt sich somit folgende formale Konzeptualisierung K : K = (D, {on,clear,table})

17 Konzeptualisierungen (IV) Problem: extensionale Beschreibung R c? Die aus aus Sicht a b d e Aus der geänderten Welt resultiert eine veränderte Konzeptualisierung. Die definierten extensionalen Relationen reflektieren eine Situation (in der Welt) aber nicht die intendierte Bedeutung der Relationen. Es sollten aber die intensionalen (konzeptuellen) Relationen beschrieben werden.

18 Konzeptualisierungen (V)? Die aus aus Sicht Lösung: Konzeptuelle Relationen sind auf einem Diskursraum (D, W ) definiert, wobei D die Diskurswelt und W eine maximale Menge Situationen solchen Diskurswelt (auch mögliche Welten genannt) ist. Eine n-stellige konzeptuelle Relation p n auf einem Diskursraum (D, W ) ist eine totale Funktion p n : W 2 Dn. Eine Konzeptualisierung K ist ein Tripel K = (D, W, R) wobei R eine Menge konzeptuellen Relationen auf (D, W ) ist. [Gua98]

19 Arten Modellierungssprachen? Die aus aus Sicht können auf verschiedene Arten formuliert werden: informal semi-informal semi-formal formal natürlichsprachliche Beschreibung Beschreibung in eingeschränkter und strukturierten Form natürlichen Sprache Beschreibung in künstlichen und formal definierten Sprache Beschreibung mit äußerst genau definierten Begriffen mit formaler Semantik in vollständigen und korrekten Sprache

20 : Klassen? Die aus aus Sicht Klassen repräsentieren Konzepte Domäne. Klassen fassen eine Menge Eigenschaften in Form Attributen. Klassen sind häufig in Taxonomien angeordnet.

21 : Klassen? Die aus aus Sicht Klassen repräsentieren Konzepte Domäne. Klassen fassen eine Menge Eigenschaften in Form Attributen. Klassen sind häufig in Taxonomien angeordnet. Beispiel: Klasse Student und Professor x : (Student(x) y : (eingeschrieben(x, y) Kurs(y))) x : (Professor(x) y : (unterrichtet(x, y) Kurs(y)))

22 : Relationen? Die aus aus Sicht Relationen repräsentieren Beziehungen zwischen Konzepten Domäne. Formal ist eine Relation R eine Teilmenge des Kreuzproduktes n Mengen: R M 1... M n In werden üblicherweise binäre Relationen verwendet. Binäre Relationen werden insbesondere zur Beschreibung Klassenattributen verwendet.

23 : Relationen? Die aus aus Sicht Relationen repräsentieren Beziehungen zwischen Konzepten Domäne. Formal ist eine Relation R eine Teilmenge des Kreuzproduktes n Mengen: R M 1... M n In werden üblicherweise binäre Relationen verwendet. Binäre Relationen werden insbesondere zur Beschreibung Klassenattributen verwendet. Beispiel: Relation eingeschrieben x, y : (eingeschrieben(x, y) Student(x) Kurs(y))

24 : Funktionen? Die aus aus Sicht Funktionen sind ein Spezialfall Relationen. Funktionen besitzen die Eigenschaft, dass sie jedem Element des Definitionsbereichs genau ein Element aus dem Wertebereich zuordnen. Beispiel: quadratische Funktion x, y : (y = quad(x) Zahl(x) Positive_Zahl(y)) x : (quad(x) = x x)

25 : formale Axiome? Die aus aus Sicht Formale Axiome dienen zur Modellierung (prädikatenlogischen) Sätzen, die immer wahr sind. Sie werden verwendet, wenn das zu repräsentierende Wissen nicht durch die anderen darstellbar ist. Mit formale Axiomen kann die Konsistenz der überprüft werden. Beispiel: x : (Professor(x) Student(x))

26 : Objekte? Die aus aus Sicht Objekte werden verwendet, um Individuen in zu repräsentieren. Beispiel: Student(Fritz)

27 (I) können nach ihrem Spezifikationsgrad klassifiziert werden [LM01]:? Die aus - formale Ausdrucksstärke + aus Sicht kontrolliertes Vokabular Begriffe/ Glossar Thesauri informales IS-A formales IS-A formale Instanz Frames Disjunkheit Inversheit Teil-Von Werterestriktion Prädikatenlogik

28 (II)? Die aus aus Sicht Kontrolliertes Vokabular: ist eine abgeschlossene Liste Begriffen (z.b. Kataloge). Glossar: ist eine endliche Liste Begriffen und deren zugehörige Bedeutung. Die Bedeutung ist natürlichsprachlich verfasst. Thesaurus: ist ein kontrolliertes Vokabular (oder auch Glossar), dessen Begriffe durch Beziehungen miteinander verbunden sind. Häufig werden folgende Beziehungen im Thesaurus verwendet: Äquivalenz (Synonyme), Taxonomie (Oberbegriffe, Unterbegriffe) Assoziationen (verwandte Begriffe)

29 (III)? Die aus aus Sicht informale IS-A-Hierarchie: ist eine explizite Hierarchie Klassen, wobei nicht konsequent die Unterklassenbeziehung zwischen den entsprechenden Begriffen gilt (Bsp. Yahoo s Begriffshierarchie). formale IS-A-Hierarchie: ist eine explizite Hierarchie Klassen, wobei die Unterklassenbeziehung zwischen Begriffen strikt eingehalten wird, d.h., die Transitivität und die Instanzeigenschaft der Unterklassenbeziehung werden beachtet. formale Instanz: ist eine explizite Hierarchie, die neben der Unterklassenbeziehung auch die Instanzbeziehung erlaubt.

30 (IV)? Die aus aus Sicht Frames: ermöglichen Klassen bestimmte Eigenschaften zuzuordnen. Zusätzlich können diese Eigenschaften vererbt werden. Werterestriktionen: ermöglichen es, die Werte der Klasseneigenschaften zu beschränken.

31 (V)? Die aus aus Sicht können nach dem Allgemeinheitsgrad des repräsentierten Wissens klassifiziert werden [Gua98]: Top-level ontology Domain ontology Task ontology Application ontology

32 (VI)? Die aus Top-level ontologies beschreiben sehr allgemeine Konzepte wie Raum, Zeit, Materie, Ereignis, Aktion,... Diese Konzepte sind unabhängig einem bestimmten Problembereich. aus Sicht

33 (VII)? Die aus aus Sicht Domain ontologies beschreiben das Vokabular für ein generischen Problembereich (z.b. Medizin), indem sie die Konzepte der Top-level ontology weiter spezifizieren. Task ontologies beschreiben das Vokabular für eine generische Aufgabe oder Aktivität (z.b. Diagnostizieren), indem sie die Konzepte der Top-level ontology weiter spezifizieren. Application ontologies beinhalten die Definitionen, die zum Modellieren des Wissens für eine bestimmte Anwendung notwendig sind. Sie erweitern und spezialisieren oft das Vokabular Domain oder Task ontology.

34 ? Die aus aus Sicht Brockhaus Die Enzyklopädie: in 24 Bänden, Michael R. Genesereth and Nils J. Nilsson. Logical Foundations of Artificial Intelligence. Morgan Kaufmann, Thomas R. Gruber. A Translation Approach to Portable Ontology Specifications. Knowledge Acquisitation, 5(2): , Nicola Guarino. Formal Ontology and Information Systems. In Nicola Guarino, editor, Formal Ontology in Information Systems Proceedings of FOIS 98, Trento, Italy, pages IOS Press, Amsterdam, 1998.

35 ? Die aus aus Sicht Ora Lassila and Deborah McGuinness. The Role of Frame-Based Representation on the Semantic Web, Barry Smith. Ontology. In Luciano Floridi, editor, The Blackwell Guide to the Philosophy of Computing and Information (Blackwell Philosophy Guides), chapter 11. Blackwell, Oxford, New York, 2003.