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Unidade 4: Web Semântica
Prof. Cláudio Baptista
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Motivação
• A Web atual representa informação usando: linguagem natural (e.g., English) Gráficos, multimedia Page layout
• Ok para humanos• Difícil para machine processing
(ambiguidade, formatos de dados sem tipos)
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Motivação: Web Atual
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Motivação: Web Semântica
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Motivação• Os dados na Web são organizados para serem lidos por humanos e não
por programas de computador. (human versus machine understandable)
• Em geral, os computadores não possuem uma forma confiável de processar semântica na Web.
• Idéia: anotar elementos de páginas com instâncias de conceitos definidos em ontologias acessíveis na Web e em formato legível por máquina
• Faz com que a Web possa ser lida tanto por humanos como por máquinas.
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Definição
• "The Semantic Web is an extension of the current web in which information is given well-defined meaning, better enabling computers and people to work in cooperation." -- Tim Berners-Lee, James Hendler, Ora Lassila, The Semantic Web, Scientific American, May 2001
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Definição
• A Web semântica é uma visão: a idéia de se ter dados na Web definidos e interligados de modo que possam ser usados por máquinas não apemas com o propósito de apresentação (display), mas também automação, integração e reuso de dados entre diversas aplicações
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Definições• Ambiente onde agentes de software vagariam entre
páginas, podendo realizar tarefas para os usuários;
• WS não é uma outra Web e sim uma extensão da que existe;
• Para o funcionamento da WS, computadores têm que ter acesso a coleções de informações estruturadas e conjuntos de regras de inferência;
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Definições• Vai permitir que máquinas possam compreender a
semântica de documentos e dados;
• Existência de diferentes formas de representar a mesma coisa na Web, então é aí que entra as ontologias;
• Com ontologias, pode-se resolver ambiguidades em terminologia. ex.: Zip Code e Postal Code;
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Definições
• Ontologias podem aumentar a funcionalidade da Web em muitos aspectos;
• O poder real da WS será quando as pessoas criarem muitos programas que coletam contextos da Web, processam a informação e trocam os resultados com outros programas.
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Definições
“Imagine um forno de microondas que, através da Internet, consulta um site de comidas congeladas para otimizar
parâmetros de cozimento”
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Princípios básicos da WS
• 1- Qualquer coisa deve ser identificável na WS (uso de URI)
• 2- Informação é parcial e continuará parcial (não esperemos consistência global => erro 404 continuará a existir)
• 3- Fácil Evolução• 4- Simplicidade
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Infra-estrutura em camadas da W3C para web semântica
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Arquitetura Proposta
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Arquitetura Proposta • Schema Layer:
- Estrutura os dados e define o seu significado;
- Representação do Conhecimento – dar significado aos dados, para ser possível elaborar raciocínio lógico.
- Linguagem que permita expressar os dados para definir regras de raciocínio.
- Uso de XML e RDF.
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Arquitetura Proposta
• Ontology Layer:
- Define as relações entre os dados;
- Definição de relação entre conceitos – Ontologias;
- Ontologias definem relações entre termos.
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Arquitetura Proposta
• Logic Layer:
- Define mecanismos para fazer inferência sobre os dados;
- Conjunto de Regras de Inferência que os agentes utilizam para relacionar e processar informações.
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Metadados
• Motivação– Cenário 1: busca por um livro numa biblioteca– Cenário 2: busca por um vídeo numa locadora– Cenário 3: busca por um telefone num serviço
de Yellow Pages– Metadata: Data about Data
• Principal uso: resource-discovery
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Metadados
• Motivação– Ferramentas de busca, exceto Yahoo, coletam
metadata de forma crua (através de web robots) sem semântica.
– Isto resulta em baixa precisão e recall– Porém não existe uma instituição www.GOD.org
que regulamenta e obriga o mundo usar metadados– O que fazer?
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Metadados
– Ao invés de descartar a idéia de metadados podemos usar RDF
– Como vimos nos cenários, existem muitos metadados em comum
– Portanto, podemos, usando RDF, organizar estes metadados para que possam ser usados por aplicações!!!
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Metadados: Dublin Core• Conjunto simples de elementos de metadados para
informação online
• 15 elementos básicos
• projetado para todos os tipos e gêneros de material
• todos os elementos são opcionais
• todos os elementos são repetitivos
• Desenvolvido por um grupo internacional desde 1995
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Elementos do Dublin Core
1. Title nome dado ao recurso pelo criador ou publisher.
2. Creator pessoa ou organização responsável pelo conteúdo intelectual do recurso. Por exemplo, autores de documents, artistas, fotógrafos, etc.
3. Subject o tópico do recurso. Tipicamente, é expressado com keywords ou frases que descrevem o assunto ou conteúdo do recurso. O uso de vocabulários controlados e classificação formal é encorajado.
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Dublin Core elements
4. Description uma descrição textual do conteúdo do recurso, incluindo abstracts no caso de objetos do tipo documentos ou descrição de conteúdo no caso de recursos visuais.
5. Publisher entidade responsável pela produção do recurso, por exemplo uma editora, departamento de uma universidade, ou uma entidade corporativa.
6. Contributor pessoa ou organização não especificada no elemento creator que teve contribuição na criação intelectual do recurso mas cuja contribuição é secundária. Por exemplo um editor, tradutor, e ilustrador).
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Dublin Core elements
7. Date data associada com a criação ou disponibilidade do recurso.
8. Type categoria do recurso, por exemplo home page, novela, poema, working paper, preprint, technical report, ensaio, dicionário.
9. Format formato de dados do recurso, usado para identificar o software e possivelmente hardware que são necessários para manipulação do recurso.
10. Identifier um string ou número usado para unicamente identificar o recurso. Examplo : URL
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Dublin Core elements
11. Source informação sobre um segundo recurso do qual o presente recurso é derivado.
12. Language a língua usada no recurso.
13. Relation identificador de um segundo recurso e seu relacionamento com o presente recurso. Este elemento permite links entre recursos relacionados. Examplos incluem uma edição de um trabalho (IsVersionOf), ou um capítulo de um livro (IsPartOf).
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Dublin Core elements
14. Coverage localizações espaciais e duração temporal do recurso.
15. Rights contém informação sobre copyright
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Dublin Core com Meta Tags
<meta name="publisher" content="OCLC">
<meta name="creator" content="Weibel, Stuart L.">
<meta name="creator" content="Miller, Eric J.">
<meta name="title" content="Dublin Core Reference Page">
<meta name="date" content="1996-05-28">
<meta name="form" content="text/html">
<meta name="language" content="en">
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Dublin Core com qualificadores
<title>Digital Libraries and the Problem of Purpose</title><creator>David M. Levy</creator><publisher>Corporation for National Research Initiatives</publisher><date date-type = "publication">January 2000</date><type resource-type = "work">article</type><identifier uri-type = "DOI">10.1045/january2000-levy</identifier><identifier uri-type = "URL">http://www.dlib.org/dlib/january00/01levy.html</identifier><language>English</language> <rights>Copyright (c) David M. Levy</rights>
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RDF e RDFS
• RDF - Resource Description Framework– Modelo para descrever recursos– É uma aplicação XML– Baseado em um modelo de grafo no lugar de
árvore– Melhora a descoberta, o acesso e o
gerenciamento das informações da Web
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RDF: constituintes de uma descrição RDF
• Formas de representação– Tripla:
• Sujeito: recurso• Objeto: outro recurso• Predicado: relação que associa vários recursos
– Como grafo:• Sujeitos são nós• Objetos também são nós ou literais (átomos)• Predicados são os arcos que ligam os nós
• Recursos são unicamente identificados por URI
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Exemplo de uso de RDF
[Sujeito = <http://www.sinbad.dsc.ufpb.br/>, Predicado
=<http://gosta.exemplo.org/termo/gosta>, Objeto = <http://www.w3c.org> ]
http://www.sinbad.dsc.ufpb.br/
http://www.w3c.org
http://gosta.exemplo.org/termo/gosta
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RDF: ressurgimento das redes semânticas
• Redes semânticas– Forma de representar linguagem natural – Formato para organizar expressões numa forma
fácil de ser computada• RDF é uma rede semântica para a Web
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Redes Semânticas
spine has
vertebrate
mammal bird
canary ostrich
heart
hair
fly
wings
walkdoesn’t fly
yellow
isa
isa
isa
can
freddie hugo
isa
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RDF em XML • Texto tripla:[Sujeito=<http://uri-of-document>, Predicado=<dc:Creator>, Objeto=<Creator_001>][Sujeito=<Creator_001>, Predicado=<card:name>, Objeto=<Jonh Smith>][Sujeito=<Creator_001>, Predicado=<card:email>, Objeto=<[email protected]>]
• XML<rdf:rdf> <rdf:Description rdf:href=“http://uri-of-
document”> <dc:Creator rdf:href=“#Creator_001”/> </rdf:Description> <rdf:Description rdf:ID=“Creator_001”> <card:name> Jonh Smith </card:name> <card:email> [email protected] </card:email> </rdf:Description></rdf:rdf>
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http://uri-of-document Creator_001
dc:Creator
card:name card:email
“John Smith”
RDF em XML: Grafo
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RDF em XML: Árvore
card:name
rdf:Description
rdf:ID Creator_001
card:email
rdf:Description
rdf:href http://uri-of-Document
dc:Creator
rdf:href #Creator_001
“John Smith” “[email protected]”
rdf:rdf
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RDF e XMLNS<?xml version=“1.0” ?><rdf:RDF xmlns:rdf=“http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#” xmlns:dc=“http://purl.org/DC/”>
<rdf:Description about=“http://rama.cpe.fr/index.html”> <dc:Creator rdf:resource=“mailto:[email protected]”/> </rdf:Description></rdf:RDF>
Namespace para as especificações RDF
Namespace para uma especificação customizada
Sujeito
ObjetoPredicado
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RDF Schema (RDFS): definição e motivação
• Provê um sistema de tipo básico• Provê mapeamento entre recursos e
propriedades• Permite a construção de estruturas hierárquicas• Mesma sintaxe que RDF• Interoperabilidade de metadados de diferentes
comunidades• Permite codificar, trocar e reusar estrutura de
metadados
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RDFS: constituintes de um esquema de descrições
• Classes básicas– rdfs:Resource : todas as coisas descritas são recursos
(Objeto)– rdfs:Property: propriedades– rdfs:Class :similar à noção de classe em OO
• Propriedades Básicas– rdf:type: indica que um recurso é membro de uma classe– rdfs:subClassOf: similar à noção de subclasse em OO– rdfs:subPropertyOf: indica que uma propriedade é
especialização de outra
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RDFS em XML: exemplo• Exemplo de RDFS<? xml version=“1.0” ?>< rdf xmlns:rdf = “http://w3.org/TR/Pr-rdf-
syntax#” xmlns:rdfs=“http://w3.org/TR/WD-rdf-schema#” >
<rdf:Description ID = “Title”> <type resource = "http://w3.org/TR/PR-
rdf-syntax#Property" /> <rdfs:label> Title </RDFS:label></rdf:Description> <rdf:Description ID = "Creator" > < rdf:type resource = "http://w3.org/TR/PR-
rdf-syntax#Property" /> <rdfs:label> Author or Creator
</rdfds:label></rdf:Description> </rdf>
• Exemplo de descrição RDF<?xml version=“1.0” ?><rdf:RDF
xmlns:rdf=“http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#”> xmlns:dc=“http://purl.org/DC/”>
<rdf:Description about=“http://dstc.com.au/report.htm”> <dc:Creator rdf:resource=“mailto:[email protected]”/> <dc:Title = “Report” /> </rdf:Description></rdf:RDF>
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Ontologia
• Permite que informações de diferentes fontes sejam integradas, para tanto requer-se um entendimento compartilhado de um dados domínio.
• Associa termos de vocabulário com entidades identificadas na conceitualização e provê definições para restringir as interpretações destes termos.
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Ontologia• Como um XML DTD ou XML Schema, uma
ontologia pode prover um vocabulário de problema.• Entretanto, uma ontologia pode também conter
estruturas ou axiomas que definem as semânticas dos termos do vocabulário.
• Estas semânticas são usadas para:• inferir informação baseado no conhecimento prévio do
domínio • integrar fontes de dados de diferentes domínios.
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Ontologia• Definição: especificação (semi-)formal explícita formal explícita de uma concepção concepção
compartilhadacompartilhada– Concepção: Concepção: modelo das entidades, relações, axiomas e regras de algum
domínio– Formal:Formal:
• processável por máquina• permitindo raciocínio automático• com semântica lógica formal
– Compartilhada:Compartilhada: por uma comunidade, permitindo entendimento
• Conceitos de computação relacionados:– Base de conhecimento reutilizável– Esquema de banco de dados
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Elementos de uma ontologia• Hierarquia de conceitos:
– entidades• cada entidade definida por conjunto de pares atributo-valor• correspondem às classes dos modelos orientado a objetos; às entidades
do modelo relacional; aos termos do modelo lógico• atributos propriedades x atributos relações
– preenchidos por valores atômicos (tipos primitivos) x por outros conceitos• Status epistemológico do valor
– Exatamente conhecida, default, probabilista
– relações• sem hierarquia x em hierarquia paralela a hierarquia de entidades• correspondem: às associações, agregações e atributos dos modelos OO
cujos valores são objetos; às relações do modelo relacional; aos predicados do modelo lógico
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Elementos de uma ontologia– Restrições:
• sobre valores possíveis dos atributos do conceitos• correspondem: às assinaturas de classes em modelos OO;
aos axiomas universalmente quantificados em modelos lógicos; às restrições de integridade nos esquema de BD
– Regras dedutivas:• sobre atributos de conceitos• permitem inferência automática da existência de instâncias
de conceitos a partir da existência de outras instâncias• correspondem às regras dos sistemas especialistas e
programação em lógica; aos métodos dos modelos OO; às visões em BD
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Elementos de uma ontologia
• Instâncias de conceitos:– definição de entidade e relações específicos
(indivíduos)– correspondem:
• aos fatos de sistemas especialistas e programação em lógica
• aos objetos dos modelos OO• aos dados dos BD
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Serviços suportados por uma ontologia
• Consultas e manipulação:– correspondem aos métodos de acesso a valor e de reflexão em
linguagens OO; consultas de interrogação e manipulação em BD; ask, tell e retract das bases de conhecimento
– sobre conceitos:• Quais são as entidades E relacionadas a entidade e0 via relações r1,
r2?• Quais são as relações R mais gerais que r1?• Definição d de entidade E é consistente com o resto da ontologia?
– sobre instâncias• um indivíduo I com propriedades P1, ..., Pn é instância de quais
conceitos?
• Raciocínio automático (geralmente dedutivo)
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Ontologias• Uma ontologia define os termos usados para descrever
uma área de conhecimento.• Ontologias são usadas por pessoas, SGBD e aplicações
que necessitam compartilhar informação de domínio (medicina, biologia, finanças, vendas de veículos, etc)
• Ontologias incluem definições (entendidas por computador) de conceitos num domínio e os relacionamentos entre eles– Ontologias codificam conhecimento entre domínios,
permitindo reusabilidade de conhecimento
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Ontologias• Ontologia tem sido usado com vários
significados: taxonomia de vocabulários (ex. hierarquia do Yahoo), metadata schema (ex. Dublin Core) e teorias lógicas
• Na Web Semântica, precisamos de ontologias que especifiquem 3 tipos de conceitos:
• Classes• Relacionamentos• Propriedades
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Ontologias
• XML e XML Schema representam apenas sintaxe
• RDF e RDFs são a primeira tentativa de ser ter semântica associada.
• RDFS pode ser chamada de uma linguagem de ontologia simples
• Limitações: não faz inferência, não permite especificar disjunção de classes, dentre outros.
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Ontologia - Histórico– O trabalho em Ontologias remonta muitos anos nos campos
de filosofia, IA, biblioteconomia– Representação do conhecimento na Web usando ontologias
surgiu na década de 90: 1995 - SHOE (Simple HTML Ontology Extensions), Univ of Maryland. 1996/7 - Ontobroker, Univ. of Karlsruhe 1997-1999 - OIL (Ontology Interchange Level), Amsterdam led EU project
– Investimento governamental em WS: 1999 - The DARPA Agent Markup Language Program 2000 - EU IST Project (Framework 5, 6) 2000 - outras propostas nos EUA, Japão e Austrália
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Tipos de Ontologias• Especialista:Especialista: modela um domínio particular restrito• Geral:Geral:
– modela o conhecimento de senso comum compartilhado por todos os seres humanos
– parte de mais alto nível, reutilizável em vários domínios• Conceitual:Conceitual: fundamentada na capacidade de raciocinar• Lingüística:Lingüística: fundamenta no vocabulário de uma(s) língua(s)• De meta-dados:De meta-dados: “especializada” na descrição de recursos on-
line, no entanto sobre qualquer domínio• De tarefas e métodos:De tarefas e métodos: modela procedimentos e
comportamentos abstratos no lugar de entidades ou relações
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Ontologias - Aplicações
• 1- Web Portals: – ponto de partida para se colher uma informação
específica– formam uma comunidade que interage num
determinado assunto => pode-se classificar os conceitos, ex. Jornal é uma publicação
– Exemplo de portal que usa WS: Open Directory Project (http://dmoz.org/)
• grande diretório da Web editado manualmente. (usa RDF)
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Ontologias - Aplicações• 2- Coleções Multimídia
– ontologias podem ser usadas para fazer anotações de imagens, vídeos, áudios e textos
– MM ontologias:• Content-specific• Media-specific
– Exemplo: um site de móveis antigos• usuário busca por um ‘late Georgian’• Ontologia ajuda a inferir o período que equivale a 1760 e 1811 e que a
cultura é ‘British’• Também poder-se-ia inferir o tipo de madeira usada naquela época
repassando esta informação na busca
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Exemplo de ontologia especialista: fragmentos de uma ontologia
acadêmicaem UML
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Personaddress : Stringeditor : Publicationemail : Stringfax : StringfirstName : StringlastName : StringmemberOfPC : EventmiddleInitial : Stringname : StringorganizerOrChairOf : Eventphone : Stringphoto : Stringpublication : Publication
Employeeaffiliation : OrganizationheadOf : ProjectheadOfGroup : ResearchGroupworksAtProject : Project
StudentstudiesAt : University
PhDStudentsupervisor : AcademicStaff
ResearchercooperatesWith : ResearchermemberOf : ResearchGroupresearchInterest : ResearchTopic
AcademicStaffsupervises : PhDStudent
Lecturer
AdministrativeStaff
TechnicalStaffSecretarysecretaryOf : ResearchGroup
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Article
BookcontainsArticle : ArticleInBookeditor : Personpublisher : Organization
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SpecialIssue
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Conf erence
number : Numberseries : String
Conf erencePaper
conf erence : Conf erencef irstPage : NumberlastPage : NumberproceedingsTitle : String
1 n1 n
has accepted
Article
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abstract : Stringauthor : PersondescribeProject : ProjectonlineVersion : OnlinePublicationtitle : Stringy ear : Number
Person
address : Stringeditor : Publicationemail : Stringf ax : Stringf irstName : StringlastName : StringmemberOf PC : Ev entmiddleInitial : Stringname : StringorganizerOrChairOf : Ev entphone : Stringphoto : Stringpublication : Publication
0..n0..n 0..n0..n
<<is author>>
Ev ent
atEv ent : Ev entdate : Stringev entTitle : StringhasParts : Ev entlocation : StringorgCommittee : PersonprogramCommittee : Personpublication : Publication
n
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n
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is member of PC
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Exemplo de ontologia conceitual geral: fragmentos da ontologia de senso comum
de Russell e Norvig em UML
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Anything
AbstractObjectsEvents
Sets Numbers RepresentationalObjects
Categories
Sentences Measurements
Intervals PlacesPhysicalObjects Processes
MomentsThings Stuff
Animals Agents
Humans
Solid Liquid Gas
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Exemplo de ontologia lingüística geral:
fragmentos de WordNet em UML
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Wordnet
• Princeton WordNet: • rede semântica de 70.100 significados • de 95.600 palavras (57.000 substantivos) do inglês• organizados em 4 categorias sintática: substantivos,
verbos, adjetivos e advérbios,• são agrupados em conjuntos de sinônimos• disponível online:
http://www.cogsci.princeton.edu/~wn/• resulta de 15 anos de desenvolvimento manual por
time de psico-lingüistas
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EuroWordnet
• EuroWordNet: http://www.hum.uva.nl/~ewn/• Resultado de um grande projeto da comunidade
européia• Versão multi-língue adicionando e interligando
WordNets do Espanhol, Francês, Italiano, Alemão, Holandês, Tcheco e Estoniano ao do Inglês
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Wordnet
antonímiameronímia
family, household, menage
Person, individual, someone, human
sister, sis arm
relative, relation
unit, social unit
Brother, blood brother
body,organic structure
leg
hipernímiaLegenda:
sinonímia
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WordNet Online
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Aplicações com o WordNet
• Extração e recuperação de informação• Classificação de texto• Ensino de línguas• Construção de redes semânticas em outras
linguagens (EuroWordnet)• Chatterbots (Geração e interpretação de texto)
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Linguagens de Ontologias - Requisitos de Projeto (W3C Ontology Language)
– Compartilhamento de Ontologias por diversas fontes de dados
– Evolução– Interoperabilidade– Detecção de inconsistência– Balanço entre expressividade e escalabilidade– Fácil de usar – Compatibilidade com outros padrões (XML, RDF, UML)– Internacionalização
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Exemplos: Ontobroker
• inclui una linguagem de definição de ontologias, uma ling. de anotação de web page, um web crawler, interfaces de consulta e máquina de inferência
• é baseado em frame-logic• é voltado para intranets
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Object[].Person :: Object.
Faculty :: Person.Chair :: Faculty.
Student :: Person.Organization :: ObjectDepartment :: Organization.Person[
name =>> STRING;headOf =>> Organization].
Faculty[teaches =>> Class;advises =>> Student].
FORALL X, YX:Chair <- X:Person[headOf ->> Y] AND Y:Department
ANOTAÇÃO: <a onto=" ’http://www.state.edu/users/jsmith/’:Chair">
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Exemplo: RDF e RDFS
• Implementa uma rede semântica• É uma aplicação de XML• Com RDFSchema permite a construção de
vocabulários controlados, estensíveis e compartilhados
• Uso de rdfs:Class, rdfs:Property e rdfs:subClassOf
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<?xml version="1.0"?><rdf:RDF xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"xmlns:rdfs="http://www.w3.org/TR/1999/PR-rdf-schema-19990303#"><rdfs:Class rdf:ID="Faculty"><rdfs:subClassOf rdf:resource="http://schema.org/general#Person" /></rdfs:Class><rdfs:Class rdf:ID="Student"><rdfs:subClassOf rdf:resource="http://schema.org/general#Person" /></rdfs:Class><rdfs:Class rdf:ID="Chair"><rdfs:subClassOf rdf:resource="#Faculty" /></rdfs:Class><rdfs:Property rdf:ID="advises"><rdfs:domain rdf:resource="#Faculty" /><rdfs:domain rdf:resource="#Student" /></rdfs:Property></rdf:RDF>
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Exemplo DAML
• DARPA Agent Markup Language• Involve alto investimento da academia,
governo e indústria• Hoje juntou-se a linguagem OIL (Ontology
Inference Layer) formando DAML+OIL• Escrito em RDF• Baseado em Description Logic
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<?xml version="1.0"?><rdf:RDF xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"xmlns:rdfs="http://www.w3.org/TR/1999/PR-rdf-schema-19990303#"xmlns:daml="http://www.daml.org/2001/03/daml+oil#" > <daml:Ontology rdf:about=""> <daml:versionInfo>1.0</daml:versionInfo> <daml:imports rdf:resource="http://schema.org/base#" /> </daml:Ontology> <daml:Class rdf:ID="Husband"> <rdfs:subClassOf rdf:resource="#Male" /> <rdfs:subClassOf> <daml:Restriction> <daml:onProperty rdf:resource="#isMarriedTo" /> <daml:hasClass rdf:resource="#Female" /> </daml:Restriction> </rdfs:subClassOf> </daml:Class></rdf:RDF>
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Futuro: W3C Web Ontology Language
– The WOWG está trabalhando na criação de uma recomendação para a "Web Ontology Language": OWL 51 Membros de 30 W3C Organizations
Companies: Agfa, Daimler-Chrysler, EDS, Fujitsu, Hewlett-Packard, IBM, Intel, IVIS, Lucent, Network Inference, Nisus, Nokia, Philips, Stilo, Sun, Unisys
Public Sector: DISA, Electricite de France, Intelink, INTAP, MITRE, NIST
Research projects/Labs: DFKI, FZI, Ibrow group, Stanford, U. Bristol, U. Maryland, U. Southhampton
Invited Experts: Medical, Digital Library, Defense, Technical