introduction to ontology

Introduction to Ontology

Sudarsun SDirector – ResearchChecktronix IndiaChennai 600010

แปลและเรยบเรยงโดย บรรเจด วโรจนวฒกล

คณะวทยาการคอมพวเตอร มหาวทยาลยบรพา

Ontology คออะไร?

การศกษาเกยวกบการดำารงอย (ปรชญาวาดวยความจรงในธรรมชาต)

ทดลองหาคำาตอบของคำาถามทวา :อะไรคอคณลกษณะของการดำารงอย? ในทสดแลวดำารงอยอยางไร?

แบงแยกสายสงตางๆอยางไร?

– สาขาปรชญา แขนงหนงของปรชญา ทวาดวยธรรมชาตและองคกรของความ

จรง

Ontology in Computers

Ontology คอ สงประดษฐทางวศวกรรม ทประกอบดวยคำาศพททจะอธบายถงขอบเขต (ของสงทเจาะจง)ขอมลจำาเพาะทชดเจน ของความหมายคำาศพทขอจำากดของการเพมความรใหมเขาไปในขอบเขต

ในอดมคตแลว an ontology ควรจะ : เขาถงความเขาใจทวไป ของขอบเขตทสนใจ เตรยมรปแบบ และ แบบจำาลองทเครองจกรจดการได

ของขอบเขตทสนใจ

Example

คำาศพท และ ความหมาย (การนยาม)ชาง เปนสมาชกหนงของ สตวสตวกนพช เปนสมาชกของ สตว ซง กนเฉพาะพช หรอ

สวนหนงของพชชางโตเตมวย เปนสมาชกของ ชาง ซง มอายมากกวา 20

ปเบองหลงของความร/ขอจำากดบนขอบเขต (กฎเกณฑ

ทยอมรบกนทวไป)ชางโตเตมวย หนก อยางตำา 2000 กโลกรมชางทกตว เปน ชางแอฟรกน หรอ ชางอนเดย ไมม สงมชวตใด เปนไดทง สตวกนพช และ สตวกนเนอ

Example Ontology (Protégé)

What??

Why Ontology?

เพอแชรความเขาใจพนฐานของโครงสรางขอมล ระหวางคนและSoftware agents

เพอทำาใหนำาขอบเขตความรเดมกลบมาใชใหมไดเพอสรางขอบเขตทสมมตขนมาใหมความ

ชดเจนเพอแยกขอบเขตความรออกจากความรทวไปไดเพอวเคราะหขอบเขตของความร

Few Applications

e-Science, ตวอยางในดาน Bioinformatics The Gene Ontology (GO) The Protein Ontology (MGED)

Databases Schema design and integration Query optimisation

User interfaces The Semantic Web & so-called Semantic Grid

Importance towards E-Commerce

Taxonomies provide : เขามาควบคมในการใชคำาศพทรวมกน (search

engines, authors, users, databases, programs / ทก agent ใชภาษาเดยวกน)

Site ชวยเหลอดาน Organization และ Navigationถกกำาหนดใหเปนมาตรฐาน (เชน ตงไวทโซนซายของ

หลายๆเวปไซด) “Umbrella” ระดบโครงสรางทสงขน (เพอการ

Extension) ตวชวยคนหา (แถบชวยเหลอของ Yahoo!)Sense disambiguation

Importance towards E-Commerce

ตรวจสอบความสอดคลองการทำาใหสมบรณสนบสนนการทำาใหขอมลในระบบตางๆพดคยกน

ได(Interoperability)สนบสนนองคประกอบภายนอก เปนโครงสราง, เปรยบเทยบเพอปรบปรงการคนหา

ขอมลGeneralization/ Specialization

Observations

Ontologies อยางงาย สามารถสรางไดโดยไมตองมความชำานาญ โดยใช Verity’s Topic Editor, Collaborative Topic Builder,

GFP,Chimaeras, Protégé, OIL-ED,etc Ontologies สามารถสรางขนไดแบบกงอตโนมต

โดยอางองจากเวปไซด เชน yahoo!, Amazon, excite Semi-structured sites can provide starting points

Ontologies มการใชเพมขนอยางรวดเรว(โดยมธรกจเปนตวผลกดน) เวปไซดทางธรกจสวนมากใช เชน Amazon, Yahoo! Shopping ธรกจทเจรญรงเรองกำาลงสนใจ ภาษาทใชกำาลงเตบโต จำาพวก Markup Languages XML,RDF “Real” ontologies เหมาะสมทจะเปนศนยกลาง Application

Implications & Need

ไวยกรณและความหมายของ Ontology Language (DAML+OIL)

ทรพยากรทใชในการสรางและบำารงรกษาของ Ontologies

ฝกฝน (Conceptual Modeling,การอางเหตผลของสงทเกยวของ, ……)

Issues

การรวมมอ ระหวางกลมทเปดเผยขอมล การเชอมตอระหวางระบบหลายๆแหงเขาดวยกน วเคราะหและวนจฉย ประมาณ แบบฉบบ ความปลอดภย งายตอการใช การฝกหลากหลายระดบ / สนบสนนผใช กลวธนำาเสนอ วงจรชวต ความสามารถในการแพรขยายออก

Chimaera

An interactive web-based tool aimed at supporting: วเคราะห Ontology (ความถกตอง, ความสมบรณ, ลกษณะ, …) Merging of ontological terms จากหลายแหลงเขาดวยกนได บำารงรกษา ontologies ตลอดเวลา การใหเหตผลของขอมลเขา

Features: multiple I/O languages, loading and merging into multiple namespaces, collaborative distributed environment support, integrated browsing/editing environment, extensible diagnostic rule language

ถกใชในดานการพาณชยและวชาการ แหลงขอมล: www.ksl.stanford.edu/software/chimaera

Building Ontology

กำาหนด classesจดเตรยมใหอยในรป Taxonomic hierarchy

sub-class/super-class modelเตรยม slots และ facets สำาหรบ slotsกำาหนดคาสำาหรบ slots ในแตละกรณ

Thumb-Rules

ไมมวธการทถกตองในการสรางขอบเขตมชองทางในการทำาไดเสมอวธการทดทสดขนอยกบการนำาไปใชและขยายตอกระบวนการทำาซำาแนวความคดใน Ontology คลายกบ

objects(รปธรรม/นามธรรม) และ relationships ในขอบเขตทสนใจObjects คอ คำานามทวไปRelationships คอ กรยาทวไปในประโยค

Step 1: Domain & Scope

อะไรคอขอบเขตทสนใจ?อะไรคอจดประสงคของ Ontology น?อะไรคอสงคาดหวงของคำาถาม?ใครเปนผใชและบำารงรกษา Ontology ?ตวอยางคำาถาม:

ชางเปนสตวกนพชหรอสตวกนเนอ?ชางกนอะไรเปนอาหาร?ชางแอฟรกนมนสยเปนอยางไร?

Step 2: Re-Use Existing Ontology

ถาเขากนได กสามารถใชไดแนนอนปญหาในการ merging Ontologies?

รปแบบขดแยงแนวคดเดยวกน, การนำาเสนอตางกน

Step 3: Enumerate Terms

Terms คออะไร?Properties ของ terms คออะไร?Relationships ของ terms คออะไร?ตวอยาง:

Animal, elephant, lionความสง, นำาหนก, อาหารทกนชางกบควาญชาง, ชางผสมพนธกนเองได, ชางอย

รวมกนเปนกลม

Step 4: Define Classes & Hierarchy

Top-Down Approach Bottom-Up Approach Mixed Object Oriented Programming Analogy อะไรทเราจะไดรบ?

การจดเรยง Hierarchical ของ concepts ถา class P is a super-class of class Q, และทกๆกรณ

ของ B คอ หนงในกรณของ P หมายความวา : class Q represents a “kind-of” P

Step 5: Properties of Classes - Slots

“intrinsic” properties เชน softness of silk“extrinsic” properties เชน bike’s model nameParts, ถา object เปนรปแบบ Structured;

สามารถกำาหนดใหเปน physical และ abstact parts ได เชน: เวลาหากนชวงเชาของชาง

Relationships ระหวางสมาชกของ class เชน: ชาง กบ ควาญชาง, สามารถแสดงถงความสมพนธ

ระหวาง ชาง อางองถงทอยของชาง ผานทางควาญชางได

Step 6: Define Slots

จำานวน values ของ Slot ตงคา วา slot ควรจะม values ไดกคา?

ใสคาของ Slot มคาอะไรทสามารถใสไดบาง? คามาตรฐานทวไป:

String Number Boolean Enumeration Instance

Step 7: Create Instances

ยกตวอยางการสราง instance ชอ african_elephant ซงเปน instance ของ class elephantHigh : 400 cmWeight : 6,500 KgEat : fruit, leaf (instance of food class)Behavioer : aggressiveKind : Herbivore (instance of animal_type

class)

Consistency Checks ??

ทำาใหแนใจวา Class hierarchy ถกตองสงทอยในระดบเดยวกนของ tree ควรจะม สงทวไป

คลายๆกนclasses ทมความหมายเหมอนกน แตแยกเปน

คนละ classตรวจความสมพนธ “is-a” และ “kind-of”สงทมากเกนไปหรอนอยเกนไป

Multiple Inheritance

Consistency Checks ??

เราจะเพม class ใหมไดเมอไหร? การเพม Subclass ของ class โดยทวไปจะ

มคณสมบตเพมเตมท super-class ไมม มขอจำากดทแตกตางจาก super-class มการอางอง relationships มากกวาใน super-class ม

Class ใหม หรอ property-value ใหม? class “african_elephant” หรอ class “elephant” ทม property

type เปน “african” ขนอยกบจดมงหมายทเราสนใจ เปน Instance หรอ Class?

Individual Instances เปน การแสดงถงกรณเจาะจงในฐานความร ถา concept ทสนใจเกดจากการจำาแนกโดยธรรมชาต จะเปน

classes

Limiting the Scope

ตองการทจะไมใสขอมลทเปนไปไดทงหมดทเกยวกบขอบเขต

ตองการทจะไมใสกรณทวไป หรอ กรณเฉพาะ มากไปกวาอะไรทเราตองการนำาไปใช

ตองการทจะไมใส properties ทเปนไปไดทงหมดและ สงทแตกตาง ในหม classes บน hierarchy

Ontology Merging/Alignment

สงทตองการการชวยเหลอและคำาแนะนำาของของกระบวนการ เครองมอพเศษสำาหรบ ontology merging and

alignmentสงทตองการ (แตยงไมสามารถทำาได)

เครองทสามารถ merging and alignment ไดอตโนมตอยางสมบรณ

Mapping, Merging, Alignment

Approaches

การแกปญหาขดแยงหลงจาก merging ผลลพธโดยตรง เกดการปกคลมของขอมล ยากทจะทำาซำา

เปลยนรปกอนทำาการ merging กระบวนการสามารถทำาซำาได ไมเปนผลลพธโดยตรง

ใชเครองมอปรบโดยตรงใหเหมาะสม สามารถไดผลลพธโดยตรงจากการปรบเปลยน ยากทจะทำาซำา แตเปนไปได

SMART Algorithm

Merge Classes (contd..)

Merge Classes (contd..)

Suggestions (contd..)

Source – Car Rental

Source –Airline Reservation

Features

ผลทตอบสนองกบผใชคำาชแจงกระบวนการแกเมอเกดปญหา

ดแลรกษาจดทสนใจปรบปรงการใหขอแนะนำาสรางขอมลชวคราวเพอยดเวลาสำาหรบการแกปญหา

การสะกดรอยความสมพนธ เกบความสมพนธทอางองถง เกบขอมลอยางยอไว

Ontology Languages - RDF

RDF คอ Resource Description Framework เปน W3C candidate recommendation

(http://www.w3.org/RDF RDF เปน graphical formalism (+XML syntax +

semantics) เพอเปนตวแทนขอมลทอธบายถงขอมลอกชดหนง เพออธบายถงความหมายของขอมลในสงทเครองจกรเขาใจได

RDFS extends RDF กบ “schema vocabulary”ตวอยางเชน Class, Property Type, subClassOf, subPropertyOf Range, domain

RDF Syntax --Triples

Ex: Subject Ex: Object

Subject ObjectProperty

Ex: Property

RDF Syntax --Triples

Ex: Subject Ex: Object

Subject ObjectProperty

Ex: Property

_: xxx

RDF Syntax --Triples

Ex: Subject Ex: Object

Subject ObjectProperty

Ex: Property

_: xxx

RDF Syntax --Triples

Ex: Subject Ex: Object

Subject ObjectProperty

Ex: Property

_: xxx _: yyy

RDF Syntax --Triples

Ex: Subject Ex: Object

Subject ObjectProperty

Ex: Property

_: xxx _: yyy

<< plain litteral >>

RDF Syntax --Triples

Ex: Subject Ex: Object

Subject ObjectProperty

Ex: Property

_: xxx _: yyy

<< plain litteral >>

<< lexical >>^^data type

RDF Syntax -- Graph

_: xxx

RDF Syntax -- Graph

_: xxx

<< Palani Ramasamy >>

Ex: name

Ex: Person

rdf: type

RDF Syntax -- Graph

_: xxx

<< Palani Ramasamy >>

Ex: name

_: yyyEx: member-of

Ex: Person

rdf: type

RDF Syntax -- Graph

_: xxx

<< Palani Ramasamy >>

Ex: name

_: yyyEx: member-of

Ex: Person

rdf: type

<< University of Madras >>

Ex: name

Ex: Organisation

rdf: type

RDFS

RDFS

RDFS vocabulary adds constraints on models, e.g.: x,y,z type(x,y) subClassOf(y,z) type(x,z)

RDFS

RDFS vocabulary adds constraints on models, e.g.: x,y,z type(x,y) subClassOf(y,z) type(x,z)

Ex: Person Ex: Animalrdf: subClassof

RDFS

RDFS vocabulary adds constraints on models, e.g.: x,y,z type(x,y) subClassOf(y,z) type(x,z)

Ex: Person Ex: Animalrdf: subClassof

Ex: John Ex: Personrdf: type

RDFS

RDFS vocabulary adds constraints on models, e.g.: x,y,z type(x,y) subClassOf(y,z) type(x,z)

Ex: Person Ex: Animalrdf: subClassof

Ex: John Ex: Personrdf: type

Ex: Animalrdf: type

Problems with RDFS

RDFS ออนในการทจะอธบายทรพยากรในรายละเอยดทเพยงพอ ไมมขอบงคบ ของการจำากดวง range และ domain

ไมสามารถบอกไดวา ขอบเขตของ hasChild คอ person เมอประยกตเปน person and elephant และเมอประยกตเปน elephants

ไมมขอจำากด existence/cardinality ไมสามารถบอกไดวา ทกๆกรณของ person ม 1 mother นนคอ mother

เปน 1 person เชนกน หรอ person ม 2 parents ไดอยางถกตอง ไมมคณสมบต transitive, inverse หรอ symmetrical

ไมสามารถบอกไดวา isPartOf คอคณสมบต transitive, isPartOf คอ inverse ของ isPartOf และ touches คอ symmetrical

ความยากในการจำาแนก เหตผลสนบสนน ไมม “native” reasoners สำาหรบ เหตผลทไมใชมาตรฐาน May be possible to reason via FO axiomatisation

Axiomatisation

An Axiomatisation สามารถถกใชฝง RDFS ใน FOL, ตวอยาง: Triple x P y translated as holds2 (P,x,y) Axioms capture ในสวนความหมายของ language

ปญหาการ axiomatisations include

จะตองการ set ทใหญและซบซอน ของ axioms ยากทจะพสจนความหมายใหเปนการ captured อยางถกตอง Axiomatisation จะเพมภาระการคำานวณอยางมาก complexity

RDFS → undecidable (subset of) FOL ไมม interoperability นอกจาก ทกภาษาท axiomatised เชนเดยวกน

เชน C subClassOf D equivalent to แตตอง axiomatise เชน holds2(subClass, C, D)

RDF to OWL

สองภาษาทถกพฒนาโดย extending(สวนหนงของ) RDF OIL : Ontology Inference Layer DAML-ONT : DARPA Agent Markup Language

ความพยายามMerged เพอสราง DAML+OIL Extends (“DL subset” of) RDF

DAML+OIL Web-Ontology(WebOnt) Working Group formed WebOnt group ถกพฒนาโดย OWL Language based

on DAML+OIL OWL language now a W3C Proposed

Recommendation

Description Logics

ครอบครวหนงของ logic based Knowledge Representation formalisms สบทอดมาจาก semantic networks และ KL-ONE อธบายขอบเขตในรปแบบของ concepts(classes),

roles(properties, relationships) และ individuals มลกษณะเดนคอ

Formal semantics (แบบจำาลองอยางเปนแบบฉบบตามหลกทฤษฎ)

ตดสนใจไดในสวนทแยกจาก FOL มความเกยวของอยางใกลชดกบ Prepositional Model & Dynamic

Logics การจดเตรยมของ inference services

การตดสนใจใชกระบวนการสำาหรบการแกไขปญหา (ความพงพอใจ, การสมมตฐาน, ฯลฯ)

Implemented systems (highly optimized)

DL Basics

Concept คอ สงทเทยบไดกบ unary predicates โดยทวไป, concepts จะเทากบ สตรทมตวแปรอสระ 1 ตว

Role คอ สงทเทยบไดกบ binary predicates โดยทวไป, roles จะเทากบ สตรทมตวแปรอสระ 2 ตว

Individual คอสงทเทยบไดกบ คาคงท Operators จำากดความไดวา :

ภาษาตดสนใจได และ ถาเปนไปได, มความซบซอนนอย ไมตองการทจะใชตวแปรอยางชดเจน

จำากดความจาก และ (ตดตอกนโดยตรงดวย < > และ [ ]) ลกษณะ เหมอนกบ การนบทสนกระชบวองไว

DL System Architecture

DL Family

ถกใชบอยสำาหรบ ใน transitive roles(R+) Additional letters บงบอกถง extensions อนๆ

ตวอยางเชน

+ R+ + role hierachy + inverse + QNR = is the basis for W3C’s OWL Web Ontology

Language OWL DL extended with nominal (นนคอ ) OWL Lite with only functional restrictions (น

นคอ )

DL Knowledge Base

A TBox is a set of “schema” axioms(sentences) ตวอยาง

An ABox is a set of “data” axioms (ground facts) ตวอยาง

A Knowledge Base (KB) คอการรวมของ TBox บวก ABox

DL Reasoning

W

J M

hasChildmarriedTo

HappyParrenthasChild

~Doctor

DL Reasoning

ตวอยาง : KB:

W

J M

hasChildmarriedTo

HappyParrenthasChild

~Doctor

DL Reasoning

ตวอยาง : KB:

W

J M

hasChildmarriedTo

HappyParrenthasChild

~Doctor

DL Reasoning

ตวอยาง : KB:

W

J M

hasChildmarriedTo

HappyParrenthasChild

~Doctor

DL Reasoning

ตวอยาง : KB:

W

J M

hasChildmarriedTo

HappyParrenthasChild

~Doctor, (Doctor _ hasChild.Doctor), hasChild.Doctor

DL Reasoning

ตวอยาง : KB:

W

J M

hasChildmarriedTo

HappyParrenthasChild

~Doctor, (Doctor _ hasChild.Doctor), hasChild.Doctor

? Doctor

hasChild

OWL

3 สายพนธ ของ OWL OWL full เปน union ของ OWL syntax และ RDF OWL DL ซงมขอบเขตใน FOL fragment ( DAML+OIL) OWL Lite คอ “simpler” subset ของ OWL DL

Semantic layering OWL DL OWL full ภายใน DL fragment

OWL DL พนฐานบน Description Logic ในความเปนจรง มคาเทยบไดกบ DL

OWL DL ผลประโยชนทไดจากการวจย DL เปนเวลาหลายป งายในการนยาม semantics Formal properties งายตอการเขาใจ (ความซบซอน, ความสามารถในการ

ตดสนใจ) รจก reasoning algorithms Implemented systems (ใชใหเหมาะสมไดด)

OWL constructors

OWL constructors

XMLS datatypes และ classes ใน P.C และ P.C ตวอยาง hasAge.nonNegativeInteger

OWL constructors

XMLS datatypes และ classes ใน P.C และ P.C ตวอยาง hasAge.nonNegativeInteger

ไมมกฎเกณฑทซบซอน nesting ของ constructors ตวอยาง Person hasChild.Doctor hasChild.Doctor

RDFS Syntax

RDFS Syntax

OWL Axioms

OWL Axioms

References

Thanks

ตดตอผเขยนไดท sudar@burning-glass.com

Checktronix India Pvt Ltd, 9 Ramanathan Street, Kilpauk, Chennai 600010 Phone: 044 30570028-32ทปรกษาเรยบเรยงบทความ อ.ธวชชย เอยมไพ

โรจช