Daten, Information, Wissen explizites und implizites Wissen Expertensysteme (Aufgaben, Aufbau, Komponenten) Diagnoseziel Klassifikation

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1 Was bisher geschah Daten, Information, Wissen explizites und implizites Wissen Expertensysteme (Aufgaben, Aufbau, Komponenten) Diagnoseziel Klassifikation sicher heuristisch überdeckend Entscheidungstabellen und -bäume Regelsysteme Repräsentation und Verarbeitung unvollständigen Wissens

2 Motivation Die Grenzen meiner Sprache bedeuten die Grenzen meiner Welt. Ludwig Wittgenstein (1921, Logisch-philosophische Abhandlung) Sprachen und Begriffswelten: Alltag: natürliche Sprache Medizin: natürliche Sprache mit Fachbegriffen Mathematik, Informatik, Wissensrepräsentation: Logik, formale Sprachen Ziel: inhaltliche Stukturierung von Wissen über einen Problembereich als Grundlage der Kommunikation

3 Was ist Ontologie? Antwort des Philosophen: Lehre vom Sein und Wesen der Dinge Informatikers: explizite formale Spezifikation der Konzeptualisierung eines Wissensbereiches formale Spezifikation: Repräsentation in einer formalen Sprache Konzeptualisierung: Definition von Begriffen (Konzepten) und Beziehungen zwischen den Begriffen standardisierende Terminologie

4 Wozu Ontologien? Ziele: Strukturierung des Wissens über ein Gebiet Definition der Begriffswelt (Begriffe und ihre Beziehungen zueinander) Repräsentation des gemeinsames Verständnisses vom Problembereich Grundlage für Kommunikation zwischen Agenten (menschlich oder künstlich) über den Problembereich automatische Wissensverarbeitung (z.b. logisches Schließen) Anwendungsbereiche: spezielles Problem, z.b. Fahrradelektrik für ein Fachgebiet, z.b. Medizin (Fachbegriffe, Fachsprache) (domain ontologies) allgemein, z.b. Semantic Web (top level ontologies)

5 Entwicklung von Ontologien Definition von Fachgebiet, Anwendungsziel und Umfang Begriffen und Beziehungen dazwischen (z.b. Begriffshierarchien) Klassen Merkmalen Merkmalswerten evtl. typische Problemlösemethoden immer sinnvoll: Nachnutzung und evtl. Erweiterung vorhandener Ontologien

6 Qualitätskriterien für Ontologien Konsistenz: logische Widerspruchsfreiheit Vollständigkeit (immer relativ) entsprechend Anwendungsziel geeigneter Abstraktionsgrad einfache konsistente Erweiterbarkeit um neues Wissen Robustheit gegenüber geringer Änderungen Kompatibilität mit Ontologien zu verwandten Gebieten

7 Medizinische Ontologien Beispiele: GALEN (1997) Klassifikation medizinischer Konzepte durch formale Definitionen in Beschreibungslogiken Spezialteil: GALEN Drug Ontology SNOMED-CT (2002) Terminologie- und Klassifikationssystem formale Definitionen in Beschreibungslogiken Unterscheidung zwischen Konzept und Bezeichner Gene Ontology (1998) strukturiert Wissen zu Genen, Genprodukten

8 Beschreibungslogiken Wissensrepräsentationssprachen zur formalen Darstellung von konzeptuellem Wissen (Wissen über den Zusammenhang zwischen Begriffen) Fragmente (Einschränkungen) der Prädikatenlogik der ersten Stufe entscheidbar variablenfrei für die meisten Anwendungen ausdrucksstark genug Beschreibungslogiken sind geeignet zur Repräsentation von Ontologien typische Beschreibungslogiken: ALC, RDF, OWL, SHIQ, EL

9 Grundlagen Individuum (Objekt) Konstante, bezeichnet Objekt aus dem Problembereich z.b. Hugo, Greiz, WHZ, Raum 311, Husten Begriff (Konzept) einstellige Relation, beschreibt Menge von Individuen einfach: Symbol, z.b. Mensch, Student, Wohnung, Stadt, Land, Erkrankung zusammengesetzt: logischer Ausdruck, z.b. Mensch hört.vorlesung Mensch bewohnt.wohnung Erkrankung hatursache.erreger Rolle binäre Relation beschreibt Beziehung zwischen Individuen, z.b. bewohnt, kennt, hört, istein, istteilvon Symbole für logische Operationen:,,,,,,

10 TBox und ABox TBox (terminology) enthält Kontextwissen über Problembereich Definitionen von Begriffen, Relationen zwischen Begriffen, z.b. Mann Mensch männlich Vater Mann hatkind.mensch Mensch Wohnung Infekt Erkrankung hatursache.erreger ABox (assertions) enthält Aussagen über Individuen z.b. Mann(Tom), hatkind(tom,tina)

11 Modellierungsbeispiel: SNOMED aus der Ontologie: Herzbeutel Gewebe teilvon.herz Perikarditis Entzündung anstelle.herzbeutel Entzündung Erkrankung wirktauf.gewebe Herzkrankheit Erkrankung anstelle.herz Herzkrankheit hatzustand.behandlungsbedürftig im SNOMED-Katalog: Krankheit Entzündung Perikarditis Daraus lässt sich formal schließen: Perikarditis Herzkrankheit Perikarditis hatzustand.behandlungsbedürftig

12 Übersetzung in FOL Hepatitis Entzündung anstelle.leber Übersetzung in FOL: x : Hepatitis(x) ( Entzündung(x) y : (Leber(y) anstelle(x, y) ) ) Daumen TeilVon.Hand Übersetzung in FOL: x : Daumen(x) y : (Hand(y) TeilVon(x, y))

13 Schließen typische Probleme: gegeben: TBox T, Begriffe C, D Fragen: Gelten die folgenden Eigenschaften? Erfüllbarkeit T = C Subsumption T = C D Äquivalenz T = C D Lösungsmöglichkeiten: Umweg über FOL 1. Übersetzung des Problems in FOL, danach 2. Übersetzung in AL (möglich für dieses Fragment) Spezielle Kalküle, z.b. Tableau-Kalkül mehr dazu in der Master-Vorlesung Wissensmanagementsysteme