Ontologien - Eine Einf

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Ontologien - Eine EinführungFormale Ontologie
Semantic Web
Vorlesung WissensrepräsentationProf. G. Brewka

• Frank Loebe
• frank.loebe_at_informatik.uni-leipzig.de
• Abt. Intelligente Systeme
• Institut für InformatikUniversität Leipzig

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Übersicht

• Historische Motivation
• Begriffsbestimmung
• Anwendungen
• Einteilungen
• Top-level Ontologien
• Ontologie im / undSemantic Web
• Forschungsbereiche

Box neues Thema
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Ontologie intuitiv

• ähnlich konzeptueller Modellierung bei
  Software-Entwicklung
• gegeben eine Domäne oder Aufgabe
• Frage Worüber ( über welche Entitäten / Dinge /
  ...) ist dabei zu sprechen?
• Bsp Domäne Uni-Sommerkurs
• Personen, Studenten, Lesende, Professoren,
  Tafeln, ...
• Kurse, Vorlesungen, Übungen, Vorlesungsbesuche,
  ...
• Termine, Hörsäle, ...
• Themen, Probleme, Theoreme, ...

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Historische MotivationWiederverwendbarkeit von
Wissensbasen

• 1980er diverse WBS, Austausch nur durch
  Rekodierung
• Probleme
• verschiedene Repräsentations-sprachen Dialekte
• fehlende Kommunikations-standards(für Austausch
  zw. WBS)
• unterschiedliche Terminologie /
  Konzeptualisierung / Ontologie
• im Ergebnis Interesse an
• Standardsprachen
• Ontologie

Neches et al., 1991
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Semantic Web

• ca. 2000-2001 Vision des Semantic Web
• HauptzielAnreicherung der Informationen im
  Internet,um diese besser automatisiert
  verarbeiten zu können
• Bsp. Einkauf im Web über Agenten
• Ontologie(n) alsSchlüsseltechnologie
• derzeit Web 2.0
• Ergänzung oderGegenspieler desSemantic Web ?

W3C, 2000
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Begriffsbestimmung

• Drei Leseweisen für Ontologie
• 1.) philosophisch
• Fach Ontologie
• 2.) informatisch / in KI
• Ontologie als Begriffssystem
• 3.) Spezialfall von 2.) Ontologie im Semantic
  Web
• Ontologie als Technologie

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BegriffsbestimmungOntologie (I)

• PhilosophieFach Ontologie (Ontology)
• etymologisch aus dem Griechischen
• ontos Sein
• logos Lehre, Wort
• Lehre vom Sein / Seienden
• Systeme grundlegender Kategorien
• oft reduktionistisch
• Definitionen
• As a first approximation, ontology is the study
  of what there is. Hofweber, 2004, SEP
• Theorie kategorialer Folgerungen Seibt,
  2004
• ... the systematic, formal, axiomatic
  development of the logic of all forms and modes
  of being. Cocchiarella, 1991

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Beispiel Kategorien- system

• Substance
• material immaterial
• Body Spirit
• animate inanimate
• Living Mineral
• sensitive insensitive
• Animal Plant
• rational irrational
• Human Beast

Sowa, 2000
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Begriffsbestimmung Ontologie (II)

• eine Ontologie in der Informatik (ontology)
• Spezifikation / Theorie von Begriffen und deren
  Zusammenhängen
• Zweck gemeinsames / geteiltes Verständnis
• Definitionen
• ... an explicit specification of a
  conceptualization. Gruber, 1993
• ... an ontology defines a set of
  representational primitives with which to model a
  domain of knowledge or discourse. Gruber, 2008
• An ontology is a logicaltheory accounting for
  theintended meaning of aformal vocabulary,
  i.e., itsontological commitment to aparticular
  conceptualizationof the world. Guarino, 1998

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TutorialbeispielPizza-Ontologie(in Protege)
http//www.co-ode.org/resources/tutorials/protege
-owl-tutorial.php
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Abgrenzungen

• Ontologien vs. Wissensbasen
• ontologisch
• Wenn X ein Objekt ist, kann X kein Prozess sein.
• dagegen nicht
• John ist 80 kg schwer.
• Um das Essen auszuwählen, wird zuerst die Karte
  studiert.
• Ontologische/Terminologische Fakten Brachman,
  Levesque, 2004
• Unterkategorien / Spezialisierung Student is-a
  Person
• Disjunktheit Student und Vorlesung
• Überdeckung (Exhaustiveness) Mann, Frau für
  Person
• Typrestriktionen für Relationen nur Personen
  lehren
• inverse Relationen
• versch. Relationseigenschaften, z.B.
  Transitivität, Symmetrie

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Übersicht

• Historische Motivation
• Begriffsbestimmung
• Anwendungen
• Einteilungen
• Top-level Ontologien
• Ontologie im / undSemantic Web
• Forschungsbereiche

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Anwendungen (I)

• Medizin Biologie Terminologien Ontologien
• ICD K09.0
• K00-K93 Krankheiten des Verdauungssytems
• K00-K14 Krankheiten der Mundhöhle, der
  Speicheldrüsen und der Kiefer
• K09.- Zysten der Mundregion, anderenorts nicht
  klassifiziert
• K09.0 Entwicklungsbedingte odontogene Zysten
  (u.a. Keratozyste)
• SNOMED, GALEN, FMA, UMLS ...
• OBO Open Biomedical Ontologies
• Gene Ontology, Mouse Anatomy, Celltype Ontology,
  ...

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Bsp. UMLS (Auszug)

• Entity
• Physical Object
• Organism
• Plant
• Alga
• Fungus
• Virus
• ...
• Substance
• ...
• Conceptual Entity
• Idea or Concept
• ...
• Finding
• Language
• ...

• Event
• Activity
• Behavior
• Social Behavior
• ...
• Machine Activity
• Phenomenon / Process
• Human caused P/P
• Natural P/P
• Biologic Funct.
• Pathologic F.
• ...
• Injury or Poisoning

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Anwendungen (II)

• Anwendungszwecke
• korrekte Wiederverwendung von Informationen
  Softwarekompon.
• Fehlererkennung / -vermeidung
• Vereinfachung von Datenintegration und
  Interoperabilität
• semantische Verarbeitung, z.B. semantische
  Suche
• Grundlage/Ergänzung für Methoden der
  Domänenmodellierung
• Anwendungsgebiete
• Knowledge Engineering Representation
• -Integration (Datenintegration,
  Unternehmensintegration, ...)
• Wissensmanagement
• Konzeptuelle Modellierung, Datenbankentwurf
• Sprachverarbeitung

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Einteilung von Ontologien

• Ontologie
• Spezifikation / Theorie von Begriffen und deren
  Zusammenhängen
• historisch gewachsen im KI-Bereich
• Aufgaben-Ontologie Domänenontologie
  Anwendungsontologie
• Spezifikation ? nach Formalisierungsgrad
• Begriffe ? nach Allgemeinheitsgrad
• ? nach Domäne
• (Bio-, Medizin-, Business-, ...
  Ontologien)
• außerdem linguistische Ontologien z.B. Wordnet

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Ontologie-Arten nach Formalisierung
informal

• informal
• Begriffsliste, (kontrolliertes) Vokabular,
  Katalog, Glossar
• ggf. auch Text
• Begriffshierarchie
• Taxonomie, Nomenklaturen
• z.B. ICD, UNSPSC, ...
• semiformal
• Thesaurus, semantisches Netz, UML- oder
  ER-Diagramme
• z.B. FMA, MeSH, WordNet, ...
• formal
• formalisierte logische Theorie, z.B. in FOL, DL
• z.B. SNOMED, GALEN

formal
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Ontologie-Arten nach Allgemeinheit

• Top-level-Ontologie
• Kategorien für die meisten Anwendungsbereiche
• Bsp. Objekt Prozess Qualität
• Kern-Ontologie (Top-Domänen-Ontologien)
• Kategorien für einen größeren Anwendungsbereich
• Bsp. Mensch Krankheit Größe
• Domänen-Ontologie
• Kategorien für einen spezifischen
  Anwendungsbereich
• Bsp. Leukozyt chronisch lymphatische Leukämie

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Top-level Ontologie(n)

• Ziel Charakterisierung von Begriffen, auf die
  die meisten Domänen zurückgreifen ?
  allgemeinste Begriffe
• Themen
• Individuen und Kategorien Raum, Zeit
• Objekte, Prozesse Situationen, Fakten
• Eigenschaften, Relationen
• Mereologie (Teil-Ganzes Beziehung)
• Kausalität
• Rollen, Funktionen Löcher Granularität
• Repräsentation, Symbole, Information ...
• Systeme BFO, (tlw. CYC), DOLCE, GFO, SUMO, ...
• Abgrenzung
• allgemeinste Begriffe, keine Commonsense-Wissensba
  sis (z.B. CYC)
• linguistische Ontologien WordNet

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General Formal Ontology (GFO)

• Darstellungen
• informal
• Report General Formal Ontology (GFO) A
  Foundational Ontology Integrating Objects and
  Processes (v 1.0.1 2007)
• weitere Publikationen
• formal tlw. Axiomatisierungen
• in FOL ca. 300 Formeln (Axiome, Definitionen,
  Folgerungen)
• in OWL 77 Klassen, 67 Relationen
• http//www.onto-med.de/ontologies/gfo.owl
• Status
• begonnen ca. 1999
• ständige Erweiterung Weiterentwicklung
• erste Anwendungen ? neue Anforderungen

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General Formal Ontology (GFO) Grundeinteilungen
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GFO Kategorien-Hierarchie (2006)
entity
category
concrete entity
immanent universal
conceptual structure
symbolic structure
individual
quality
relator
(relational) role
persistant
property
relation
formal relator
material relator
space-time entity
presential
material structure
spatial entity
time entity
material boundary
occurrent
configur- ation
time region
time boundary
spatial boundary
space region
process
change
material object
situation
situoid
chronoid
topoid
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GFO Grundrelationen (2006)
formal relator
boundary projection
element-of
instantiation
projection
at
association
location
framing
ontical connectedness
occupation
chron
top
participation
boundary-of
fills- role
role-of
relativized part-of
abstract part-of
right boundary
left boundary
has-quality
value-of
constituent part-of
inherence
coincidence
spatial part-of
congruence
extension space
temporal part-of
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Übersicht

• Historische Motivation
• Begriffsbestimmung
• Anwendungen
• Einteilungen
• Top-level Ontologien
• Ontologie im / undSemantic Web
• Forschungsbereiche

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Ontologie im / und Semantic Web

• Prinzipien für das Semantic Web
• Identifizierbarkeit über URIs
• Semantische Typisierung von URIs
• Partielle Informationen ? Open World Assumption
• keine globale Konsistenz erwartet / angestrebt
• Ontologie
• RDFOntologien als Graphen
• Web Ontology LanguageOWLOntologien
  alsBeschreibungslogik-Theorien

W3C, 2000
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OWL Ontologien (technologisch)

• OWL
• Standard seit 2004 (OWL 1.0)
• OWL 1.1 bereits definiert
• mittlerweile recht ausgereifte Systeme zur
  Unterstützung
• Ontologie-Editoren, z.B. Protege
• Beweiser für OWL
• Anwendung als Technologie
• Datenmodell wird als Ontologie ausgedrückt
• Beweiser übernimmt bestimmte Aufgaben, z.B.
• Klassifikation Inferenz der Taxonomie
• Konsistenzprüfung
• Kombination mit Abfrage-Sprachen (wie SPARQL)

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OWL (formal) Beschreibungslogik

• Beschreibungslogiken (DLs)
• Repräsentationsformalismen
• für terminologisches Wissen
• gesucht DLs mit guten Berechenbarkeitseigenscha
  ften, effizient implementierbar
• Modellierungsprimitive
• Konzepte (unäre Prädikate)
• Rollen (binäre Prädikate)
• Konstruktoren / Konstruktionen(ALCUE S,
  HOINQRF)
• OWL 1.0 - SHOIN
• OWL 1.1 - SROIQ

• Bsp.

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Ontologie-Forschung

• Problemfeld Ontologie-Erstellung
• Ontological Engineering
• Methodologien zur Ontologie-Erstellung
• Ontologie-Editoren / Verwaltungstools
• Lernen / Verfeinerung von Ontologien
• Problemfeld Ontologie-Integration
• Vergleiche, Abbildungen, kombinierte Verwendung
• Suche nach weitgehend automatischen Verfahren
• Problemfeld Ontologie-Verwaltung
• Modularisierung
• Versionierung
• Evaluation

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Zusammenfassung

• Definitionen
• Ontologie vs. Ontologien, Semantic Web Ontologien
• Hintergrund Zielstellung
• semantische Interoperabilität
• Wiederverwendbarkeit unterstützen (z.B. von
  Software)
• Anwendungsbereiche
• vielfältig, viele Systeme derzeit in Biologie
  Medizin
• Einteilungen
• nach Formalisierungsgrad (weniger relevant für
  SW)
• nach Allgemeinheit der Inhalte (Top-level ...
  Domänenontologien)
• Semantic Web Ontologien
• werden erfasst in OWL, basieren auf
  Beschreibungslogik

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Referenzen

• Cocchiarella, Nino 1991Formal Ontology, In
  Handbook of Metaphysics and Ontology, p.640-647,
  Philosophia.
• Guarino, Nicola 1998Formal Ontology and
  Information Systems, In FOIS Proceedings,
  p.3-15, IOS Press.
• Gruber, Tom 1993A Translation Approach to
  Portable Ontology Specifications,Knowledge
  Acquisition 5(2)199-220.
• Gruber, Tom 2008Ontology, to appear in
  Encyclopedia of Database Systems, Springer.

• Herre et al., 2007General Formal Ontology (GFO)
  A Foundational Ontology Integrating Objects and
  Processes, Version 1.0.1 (draft). University of
  Leipzig.
• Neches et al., 1991Enabling Technology for
  Knowledge Sharing, AI Magazine 12(3)36-56.
• Seibt, Johanna 2004pers. Kommunikation.
• Sowa, John F. 2000Knowledge Representation,
  Brooks/Cole.
• W3C 2000 (Berners-Lee, Tim)Semantic Web
  XML2000, Slides.