Sistemas Inteligentes Aula: Engenharia de Conhecimento e
Ontologias 1
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2 Plano da aula Engenharia de Conhecimento Conceitos bsicos
Etapas Ontologias Elementos de uma ontologia Tipos de Ontologias
Usos das Ontologias Como projetar/desenvolver uma ontologia
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3 Um Pouco de Histria... No incio, a IA estava preocupada em
desenvolver Formalismos para representar conhecimento Mecanismos de
inferncia Formas de operacionalizar os SBCs Mas... Como garantir a
escalabilidade desses sistemas?
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4 Engenharia do Conhecimento - EC
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5 rea de pesquisa preocupada com desenvolver Mtodos, Linguagens
e Ferramentas adequados para o desenvolvimento de sistemas BC Foco
principal: como adquirir e analisar conhecimento como validar e
manter uma Base de Conhecimento Construo da Base de Conhecimento
Processo de acumular, transferir e transformar alguma fonte de
conhecimento para um computador
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6 EC - Definies Engenheiro de conhecimento Guia a aquisio, a
criao da representao do conhecimento especializado, a implementao e
o refinamento do SBC Expertise conhecimento especializado adquirido
por longo treinamento, leitura e experincia Especialista (Expert )
Quem possui conhecimento especializado, experincia e mtodos, e a
habilidade de aplic-los para dar conselhos e resolver
problemas
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7 Desenvolvimento de SBCs
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Etapas de desenvolvimento de SBCs Linguagens de representao do
conhecimento Nvel de Conhecimento Nvel Lgico Nvel de Implementao BC
AQUISIO FORMALIZAO IMPLEMENTAO REFINAMENTO Linguagem natural
Linguagens de programao
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9 Etapas do desenvolvimento de SBCs 1. Aquisio (elicitao) do
conhecimento Identificao do conhecimento a adquirir Registro do
conhecimento em linguagem natural ou usando alguma notao
grfica
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10 2. Formalizao da BC Nvel semi-formal via Notao textual
estruturada padro (XML) Notao grfica padro (UML) Ontologias
Objetivo: validao com especialista Nvel formal Via linguagens
formais (e.g., LPO) Notao sem ambigidade com Objetivo: verificao de
consistncia Etapas do desenvolvimento de SBCs
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11 3. Implementao da BC Uso (ou criao) de um sistema (mquina de
inferncia) capaz de ler a BC e realizar deduo usando linguagens de
programao Implementao da Interface Teste de prottipo 4. Validao e
Refinamento Validao Refinamento Etapas do desenvolvimento de
SBCs
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12 Etapas de desenvolvimento de SBCs Veremos a seguir Aquisio
do conhecimento Formalizao do conhecimento Ontologias Nvel
semi-formal
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13 Aquisio do Conhecimento O gargalo na construo dos SBCs
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14 Aquisio do Conhecimento Principais fases da aquisio
Identificar caractersticas do problema Do domnio da aplicao Isolar
e representar os conceitos principais e suas relaes atravs de uma
Ontologia, por exemplo Identificar inferncias sobre estes conceitos
(regras) O conhecimento pode originar-se de vrias fontes:
especialistas, livros e documentos, filmes, etc.
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15 Gargalo na Aquisio do Conhecimento A maior parte do
conhecimento est na cabea dos especialistas... Especialistas tm
muito conhecimento emprico Difcil de ser capturado e representado
formalmente so caros mas no sabem de tudo! tm dificuldade de
verbalizar sob presso usam vocabulrio prprio (jargo) Podem
expressar conhecimento incorreto e incompleto
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16 Como minimizar o gargalo da Aquisio? Mtodos de aquisio Trs
categorias Manual Semi-automtico Automtico
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17 Mtodo de Aquisio Manual Entrevistas estruturadas ou no
estruturadas Tracking methods anlise de protocolos e observao
especialista Base de conhecimento Engenheiro de conhecimento
documentao codificao Explicitao
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18 Mtodos de Aquisio Semi-automtica Baseado em ferramentas de
ajuda ao especialista e ao engenheiro de conhecimento Repertory
grid analysis especialistaFerramentas interativas de entrevista
Base de conhecimento Engenheiro de conhecimento
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19 Mtodos de Aquisio Automtica Aprendizado de mquina Machine
learning Casos e exemplosInduo automticaRegras
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20 Formalizao do conhecimento Ontologias
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21 Conhecimento H diferentes tipos de especialistas e de
expertise e h vrios usos para conhecimentos semelhantes
Reusabilidade a chave! A Base de Conhecimento a parte mais cara de
um SBC Necessidade de reuso em domnios com grande nmero de
conceitos e relaes ( ex: Medicina) Soluo: Ontologias!
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Ontologias Em CC e IA Corpo de conhecimento declarativo sobre
um dado domnio, assunto ou rea de conhecimento Na prtica, so
hierarquias de conceitos (classes) com suas relaes, restries,
axiomas e terminologia associada Servem para estruturar e
compartilhar o conhecimento disponvel sobre um dado domnio 22
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Ontologias Exemplo: publicaes e eventos cientficos 23
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Relacionamentos na Ontologia sobre pesquisa cientfica 24
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25 Definies de Ontologia (cont.) Uma ontologia uma especificao
explcita e formal de uma conceitualizao compartilhada [Studer et al
98] Especificao explcita: definies declarativas de conceitos,
instncias, relaes, restries e axiomas Formal: declarativamente
definida, sendo compreensvel e manipulvel para agentes e sistemas
Conceitualizao: modelo abstrato de uma rea de conhecimento ou de um
universo limitado de discurso Compartilhada: conhecimento
consensual, seja uma terminologia comum da rea modelada, ou
acordada entre os desenvolvedores dos agentes que se comunicam
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Afinal, pra que servem as ontologias? Servem para estruturar e
compartilhar o conhecimento disponvel sobre um dado domnio: Para
compartilhar conhecimento comum conceitos e vocabulrio Entre
pessoas Entre agentes de software
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Onde Aplicar Ontologias? Recuperao de informaes, Sistemas de
Integrao de Informao, Gesto de conhecimento, Processamento da
linguagem natural, Comrcio eletrnico, Sistemas multiagentes...
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Elementos de uma Ontologia 28
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Elementos de uma Ontologia Conjunto de conceitos Entidades
Relaes (que podem ser hierrquicas ou no) Instncias de Conceitos
Restries Regras
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Conjunto de Conceitos Entidades Cada entidade tem um nome
associado Cada entidade definida por conjunto de pares
atributo-valor E.g., Automvel (tem-motor=sim; num-rodas=4)
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Conjunto de Conceitos Relaes Podem ser hierrquicas ou no E.g.,
is-a, part-of, mae-de, etc... Triciclo is-a Ciclo
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Conjunto de Conceitos Instncias de Conceitos Definio de
entidades e relaes especficas (indivduos) E.g., meu-triciclo
(num-rodas=3, cor=rosa) Relao: meu-triciclo is-a triciclo
Correspondem aos fatos de uma base de conhecimento
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Restries Impem restries sobre valores possveis dos atributos
dos conceitos E.g., num-rodas Valor numrico, entre 2 e 4.
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Regras Permitem inferncia automtica (deduo) de instncias de
conceitos a partir de outras instncias E.g., Se veculoTipo=ciclo E
num-rodas=3 E motor=no Ento veculo=Triciclo Correspondem s regras
da base de conhecimento
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Tipos de Ontologias Ontologias de topo (upper ontologies)
Ontologias centrais ou genricas de domnio (core ontologies)
Ontologias de Aplicao (especficas) 35
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Ontologias de topo (upper ontologies) Modelos dos objetos
comuns que so geralmente aplicveis a uma grande variedade de
ontologias de domnio. Tipicamente contm um glossrio central que
permite descrever termos em vrios domnios. Ex.: todas as rvores so
plantas Exemplos de upper ontologies padro so: Dublin Core, GFO,
OpenCyc/ResearchCyc, SUMO e DOLCE. Dublin
CoreGFOOpenCycResearchCycSUMO DOLCE 36
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Ontologias centrais ou genricas de domnio (core ontologies)
Definem os ramos de estudo de uma rea e/ou conceitos mais genricos
e abstratos desta rea Serve de base para a construo de ontologias
de ramos mais especficos de um domnio 37
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Ontologias centrais ou genricas de domnio (core ontologies) Ex:
a ontologia central de direito [Valente & Breuker 96]
Conhecimentos meta-legal, definicional, causal, normativo, de
responsabilidade, reativos, criativo, de agncias legais, reao
legal, comportamentos permitidos, etc Servir para criar ontologias
de direito tributrio, de famlia e outras... 38
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Ontologias de Aplicao Ontologias de ramos mais especficos de um
domnio Procuram solucionar um problema especfico de um domnio
Utilizam termos de uma ontologia de domnio Ex: Ontologia para
identificar doenas do corao, a partir de uma ontologia de domnio de
cardiologia 39
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Como projetar uma ontologia Exemplos retirados do tutorial -
Ontology Development 101: A Guide to Creating Your First Ontology
(Noy and McGuinness) 40
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Desenvolvimento de Ontologias [Noy &McGuiness 2001] 1.
Determinar o Domnio e o Escopo da Ontologia 2. Reutilizar
Ontologias Existentes 3. Levantar termos importantes 4. Definir
classes e sua hierarquia 5. Definir propriedades das classes 6.
Restries das Propriedades 7. Criao de instncias
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1. Determinar o Domnio e o Escopo da Ontologia Qual o domnio
que ser coberto ? Representao de vinhos e comidas Onde a ontologia
ser utilizada ? Que perguntas sero respondidas Sugerir boas
combinaes de vinhos e comidas E.g., Cabernet Sauvignon adequado com
frutos do mar ?
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2. Reutilizar Ontologias Existentes Verificar se algum j criou
a ontologia possvel refinar ou estender ontologias existentes
Muitas fontes disponveis na Internet vamos perguntar ao Google?
Repositrios: TONES, DAML,... Linguagens para representao de
ontologias: RDF, OWL,....
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3. Levantar termos importantes Quais so os termos que sero
abordados na ontologia ? Quais propriedades esses termos possuem ?
Enumerar todos esses termos: Vinho; Tipo de Uva; Fabricante; Regio
de origem; Colorao (branco, tinto, ros) Tipo de comidas (peixes,
grelhados, massas)
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4. Definir classes e sua hierarquia Termos do passo 03,
selecionar somente aqueles que representam entidades (conceitos)
Desconsiderar propriedades (por enquanto) Esboar hierarquia
Abordagem Top-Down ou Bottom-up Classes disjuntas (Vinho Branco,
Tinto, Ros)
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4. Definir classes e sua hierarquia Como detectar erros na
hierarquia de classes (cont.): Classes com somente uma subclasse
pode ser um problema Classes com muitas subclasses tambm
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4. Definir classes e sua hierarquia Quando introduzir uma nova
classe ? Propriedades diferentes Restries diferentes Participa em
relaes diferentes Nova classe ou nova propriedade ? i.e. Tipo de
Vinho Instncia ou classe ? Depende da aplicao Tipo de vinho
(Sterling Vineyards Merlot) pode ser instncia ou classe. Qual o
escopo ? No especializar alm do que sua aplicao precisa
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4. Definir classes e sua hierarquia Como detectar erros na
hierarquia de classes: Verificar incluso de classes singulares e
coletivas (vinho como subclasse de vinhos) Distinguir entre classes
e seu nomes (sinnimos representam a mesma classe) Ciclos (A
subclasse de B e B subclasse de A) Classes irms devem estar no
mesmo nvel (Chardonay e Vinhos Brancos no devem estar no mesmo
nvel, pois no so irms)
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5. Definir as propriedades das classes tambm conhecidas por
slots A partir da lista de termos do passo 03, selecionar aqueles
que representam propriedades. Propriedades so adicionadas classe
mais genrica
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6. Definir as restries das propriedades Tipo da propriedade
String, nmero, boleano, instancias, etc... Domnio classes em que a
propriedade est presente Valores permitidos classes permitidas na
propriedade Cardinalidade
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7. Criar as instncias! necessrio escolher uma classe, criar uma
instncia e preencher os valores das propriedades Enfim se tem a
Base de Conhecimento
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Cuidado com os nomes... Evitar erros e confuses Maisculas ou
Minsculas ? Classes (maisculas) Propriedades (minsculas) Plural ou
singular ? Padronizar prefixos e sufixos has- (has-maker) e -of
(producer-of) Evitar abreviaes
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Exercicio Definir domnio e construir uma ontologia Editor:
Protege 53
