Unidade 4: Web Semântica Prof. Cláudio Baptista. Motivação A Web atual representa informação...

Unidade 4: Web Semântica

Prof. Cláudio Baptista

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)

Motivação: Web Atual

Motivação: Web Semântica

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.

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

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

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;

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;

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.

Definições

“Imagine um forno de microondas que, através da Internet, consulta um site de comidas congeladas para otimizar

parâmetros de cozimento”

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

Infra-estrutura em camadas da W3C para web semântica

Arquitetura Proposta

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.

• Ontology Layer:

- Define as relações entre os dados;

- Definição de relação entre conceitos – Ontologias;

- Ontologias definem relações entre termos.

• Logic Layer:

- Define mecanismos para fazer inferência sobre os dados;

- Conjunto de Regras de Inferência que os agentes utilizam para relacionar e processar informações.

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

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?

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!!!

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

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.

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).

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

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).

14. Coverage localizações espaciais e duração temporal do recurso.

15. Rights contém informação sobre copyright

Dublin Core com Meta Tags

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>

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

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

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

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

Redes Semânticas

spine has

vertebrate

mammal bird

canary ostrich

walkdoesn’t fly

yellow

freddie hugo

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=<smith@home.com>]

• 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> smith@home.com </card:email> </rdf:Description></rdf:rdf>

“smith@home.com”

http://uri-of-document Creator_001

dc:Creator

card:name card:email

“John Smith”

RDF em XML: Grafo

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” “smith@home.com”

rdf:rdf

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:am@cpe.fr”/> </rdf:Description></rdf:RDF>

Namespace para as especificações RDF

Namespace para uma especificação customizada

Sujeito

ObjetoPredicado

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

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

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:am@cpe.fr”/> <dc:Title = “Report” /> </rdf:Description></rdf:RDF>

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.

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.

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

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

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

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

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)

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

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

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.

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

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

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)

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

Exemplo de ontologia especialista: fragmentos de uma ontologia

acadêmicaem UML

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

ConferencePaperconference : ConferencefirstPage : NumberlastPage : NumberproceedingsTitle : String

ArticleInBookbook : BookfirstPage : NumberlastPage : Number

JournalArticlefirstPage : Numberjournal : JournallastPage : Number

TechnicalReportnumber : Numberorganization : Organizationseries : String

WorkshopPaperfirstPage : NumberlastPage : NumberproceedingsTitle : Stringworkshop : Workshop

Article

BookcontainsArticle : ArticleInBookeditor : Personpublisher : Organization

OnlinePublicationonlineVersionOf : Publicationtype : String

JournalcontainsArticle : JournalArticleeditor : Personnumber : Numberpublisher : Organizationvolume : Number

Publicationabstract : Stringauthor : PersondescribeProject : ProjectonlineVersion : OnlinePublicationtitle : Stringyear : Number

SpecialIssue

Conf erence

number : Numberseries : String

Conf erencePaper

conf erence : Conf erencef irstPage : NumberlastPage : NumberproceedingsTitle : String

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has accepted

Article

Publication

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

is member of PC

Exemplo de ontologia conceitual geral: fragmentos da ontologia de senso comum

de Russell e Norvig em UML

Anything

AbstractObjectsEvents

Sets Numbers RepresentationalObjects

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