L analisi ontologica al servizio della modellazione concettuale: le ontologie fondazionali

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1 L analisi ontologica al servizio della modellazione concettuale: le ontologie fondazionali Roberta Ferrario Laboratorio di Ontologia Applicata (LOA) Istituto di Scienze e Tecnologie della Cognizione (ISTC-CNR) Trento, Italy

2 Sommario La dimensione semantica: dalla forma al contenuto Il ruolo dell analisi ontologica: cosa sono le ontologie e a cosa servono L ontologia formale e le basi dell analisi ontologica Sistemi informatici ontology-driven Un'applicazione dell'approccio: i servizi 2

3 La dimensione semantica: dalla forma al CONTENUTO I problemi chiave Accesso in base al contenuto (semantic matching) Integrazione in base al contenuto (semantic integration) Per questo occorre analizzare, studiare, articolare il contenuto in quanto tale, indipendentemente dal modo in cui è rappresentato. Paradossalmente, un compito relativamente nuovo per gli informatici e una dimensione nuova per gli utenti dei sistemi informatici Ontologie: la soluzione magica? 3

4 Non c è ontologia senza analisi ontologica! Le tecnologie informatiche non sono veramente adatte a questo scopo... e gli utenti dei sistemi informatici sono spesso confusi dalla tecnologia 4

5 Sappiamo che cosa rappresentare? Prima l analisi ontologica, POI la rappresentazione della conoscenza Sfortunatamente, questa non è la pratica comune 5

6 Quindi... niente di nuovo sotto il sole?! Investire sull analisi paga sempre (soprattutto in una prospettiva di riuso) Utilizzare gli strumenti dell analisi ontologica e delle tecnologie semantiche dà dei vantaggi in più: L analisi risulta più robusta, ben fondata, riutilizzabile Le tecnologie semantiche portano dei vantaggi (ad es. ragionamento automatico) sia al design time che al run time L analisi (e l ontologia) possono guidare automaticamente tutto il resto 6

7 Un alfabeto comune non è abbastanza XML is only the first step to ensuring that computers can communicate freely. XML is an alphabet for computers and as everyone who travels in Europe knows, knowing the alphabet doesn t mean you can speak Italian or French Business Week, March 18,

8 I vocabolari standard possono essere utili, ma... Definire vocabolari standard è difficile e dispendioso in termini di tempo Una volta definiti, gli standard non sono ben adattabili Domini eterogenei hanno bisogno di un vocabolario ad ampia copertura In ogni caso, le persone non implementano correttamente gli standard Le definizioni dei vocabolari sono spesso ambigue o circolari 8

9 Ontologia, lessico, semantica Distinzioni tra contenuti: Ontologia (con la o maiuscola) Riferimento a contenuti: Lessico e Semantica Qualunque organizzazione, qualunque sistema informatico Fa delle assunzioni ontologiche (implicite) Adotta un certo lessico, cui attribuisce una certa semantica ontologie computazionali (al plurale!): Rendono esplicito il significato inteso del lessico, utilizzando primitive che descrivono la natura e la struttura del dominio del discorso. 9

10 Ontologia e ontologie L Ontologia: disciplina filosofica Studio di ciò che (possibilmente) c è Studio della natura e della struttura della realtà Dominio delle entità Categorie e relazioni Caratterizzazione delle proprietà Un ontologia: un artefatto teorico o computazionale An explicit and formal specification of a conceptualization (Gruber) Un artefatto specifico che esprime il significato inteso di un vocabolario nei termini della natura e della struttura delle entità cui si riferisce 10

11 L apporto della filosofia per le ontologie Costruire un modello che sia trasferibile all interno di un sistema informatico induce a cercare di capire che cosa sono gli oggetti che popolano il dominio al quale il sistema si applica e costituisce un importante esercizio filosofico Le discipline che trattano direttamente di quegli oggetti normalmente non si pongono le domande sui fondamenti del dominio, dandoli per scontati Esempio: la teoria delle organizzazioni o la sociologia non si propongono di rispondere a questioni come quelle inerenti alla materialità delle organizzazioni o alla loro natura di individui capaci di intenzioni 11

12 Apporto delle ontologie alla filosofia D altro canto il confronto con la concreta attività di modellazione permette di vedere sotto una nuova luce vecchi problemi, mostrando prospettive nuove che non sarebbero altrimenti emerse Quando si costruisce un modello (specialmente un modello formale), basandosi su una certa teoria, in un certo senso si sottopone quella stessa teoria a verifica Un modello, astraendo da ciò che non è rilevante e mettendo quindi più in evidenza ciò che lo è, permette di cogliere con maggior facilità eventuali imprecisioni e inconsistenze teoriche 12

13 Che cos è una concettualizzazione Struttura formale di un (pezzo di) realtà come è percepita e organizzata da un agente, indipendentemente da: Il vocabolario utilizzato L effettivo accadere di una specifica situazione Situazioni diverse che coinvolgano gli stessi oggetti, descritte da vocabolari diversi, possono condividere la stessa concettualizzazione L E L I apple mela stessa concettualizzazione 13

14 Che cos è una concettualizzazione? Un approccio cognitivo Gli esseri umani isolano invarianze rilevanti dalla realtà fisica (distribuzione delle qualità) sulla base di: Percezione (risultante dall evoluzione) Cognizione ed esperienza culturale Linguaggio Un insieme di stimoli atomici (input pattern) viene associato a ogni situazione Livello sincronico: invarianti spaziali Proprietà di unità vengono attribuite agli input pattern: interi topologici e morfologici (percetti) emergono Livello diacronico: invarianti temporali Oggetti: relazioni di equivalenza tra input pattern che appartengono a diverse situazioni Eventi: proprietà di unità sono attribuite ai pattern percepiti che appartengono a diverse situazioni 14

15 Ontologie e significato inteso Concettualizzazione C (rilevanti invarianti attraverso situazioni) State of affairs State of affairs Situazioni Linguaggio L Impegno Ontologico K Modelli M D (L) Cattiva Ontologia Interpretazione I ~Buona Ontologia Modelli Intesi I K (L) Modelli dell Ontologia I K (L)

16 Qualità delle Ontologie: Precisione e Copertura Buona Meno buona Alta precisione, max copertura Bassa precisione, max copertura CATTIVA PESSIMA Max precisione, limitata copertura Bassa precisione, limitata copertura 16

17 Levelli di Precisione Ontologica Catalogo Glossario Tassonomia Tesauro Schemi DB/ OO Teoria Assiomatica Precisione Ontologica 17

18 Perchè la precisione è importante M D (L) I A (L) Area di falso accordo I B (L) 18

19 Precisione vs. Accuratezza In generale, un singolo modello inteso potrebbe non discriminare tra le situazioni alternative rilevanti a causa di Mancanza di primitive Mancanza di entità Catturare tutti i modelli intesi non è sufficiente per avere un ontologia perfetta Precisione: i modelli non intesi sono esclusi Accuratezza: le situazioni intese non sono escluse 19

20 Quando una precisa (e ben fondata) ontologia è utile? Quando le distinzioni sottili sono importanti Quando riconoscere il disaccordo è importante Quando le astrazioni generali sono importanti Quando una accurata spiegazione e giustificazione dell impegno ontologico è importante Quando la reciproca comprensione è più importante dell interoperabilità 20

21 Ontologie vs. tassonomie 21

22 Ontologie vs. classificazioni Le classificazioni si concentrano su: Accesso, basato su criteri predeterminati (codificati da chiavi sintattiche) Le ontologie si concentrano su: Significato dei termini Natura e struttura di un dominio 22

23 L ontologia applicata A differenza di altri approcci in informatica, l ontologia applicata ha come obiettivo produrre modelli concettuali indipendenti dalle applicazioni e dalle modalità di presentazione dei dati Ontologie in quanto teorie assiomatiche che hanno lo scopo di descrivere in maniera esplicita le entità fondamentali relative ad un certo ambito di indagine mettendo in luce le proprietà rilevanti e le relazioni che intercorrono fra loro La metodologia consiste nell'utilizzo preliminare degli strumenti di analisi mutuati da diverse discipline (scienze cognitive, linguistica) tra le quali la filosofia ha un un ruolo dominante 23

24 Diversi tipi di ontologie (II) Ontologie fondazionali e ontologie di dominio Le ontologie fondazionali (top level) possono essere riutilizzate e specializzate in ontologie di dominio o in ontologie orientate ai task Le ontologie di dominio e quelle orientate ai task hanno lo scopo di caratterizzare un dominio di analisi preciso, individuandone le primitive teoriche più adatte ad affrontare i problemi per i quali tali ontologie vengono costruite Idealmente, le ontologie di dominio e quelle orientate ai task dovrebbero quindi appoggiarsi a un ontologia fondazionale che mostri e indirizzi le scelte di modellazione Solo alla fine di questo processo di specializzazione si possono costruire ontologie orientate alle applicazioni veramente funzionali 24

25 L approccio modulare Come è noto, all interno di ogni disciplina convivono posizioni molto eterogenee, spesso irriducibili le une alle altre; per questo motivo risulta particolarmente utile assumere un approccio modulare Invece di affidarsi a un unico sistema ontologico monolitico, si costruisce una libreria di ontologie correlate da relazioni formali, in cui ogni modulo, ovvero ogni ontologia, esprime una particolare posizione 25

26 Ontologia = imperialismo? Un ontologia serve innanzitutto per capirsi...tra persone prima che tra computer! non necessariamente per pensare allo stesso modo Un unico modello operativo condiviso non è indispensabile Modelli operativi diversi possono coesistere, Se collegati tra loro da un'ontologia sufficientemente generale Non quindi "raccogliere la descrizione di tutti gli elementi e tutti i fatti relativi alla vita delle istituzioni, delle Amministrazioni, dei cittadini e delle imprese". Per questo c è già Echelon... Ma piuttosto analizzare e mettere in comune le primitive, i mattoni di cui queste descrizioni sono costituite, cioè le categorie e le relazioni che servono per comprendere e per scambiarsi tali descrizioni Qualunque modello comune non caratterizzato in termini di queste primitive generali rischia di fallire il suo compito: potrebbe essere frainteso, utilizzato male (rischi!) sarebbe necessariamente chiuso rispetto ad altri modelli 26

27 Quali primitive? Il ruolo dell analisi ontologica Teoria dell Essenza e dell Identità Teoria delle Parti (Mereologia) Teoria degli Interi Teoria della Dipendenza Teoria della Composizione e Costituzione Teoria delle Proprietà e delle Qualità La base per un vocabolario ontologico condiviso Idea di Chris Welty, IBM Watson Research Centre, in visita al LOA nel

28 Il problema delle primitive Primitive di rappresentazione vs. primitive ontologiche (contro interpretazioni arbitrarie) Puntiamo ad avere primitive generali, come accade in matematica: insieme, relazione, transitività, simmetria 28

29 The Ontological Level Level Primitives Interpretation Main feature Logical Epistemological Ontological Conceptual Linguistic Predicates, functions Structuring relations Ontological relations Conceptual relations Linguistic terms Arbitrary Arbitrary Constrained (meaning postulates) Subjective Subjective Formalization Structure Meaning Conceptualization Language dependence 07/05/

30 Verso una metodologia Analisi linguistica: semplificare i termini composti hacomunelavoro, hacomunenascita... hastatoverificacontribuzionedovuta... Analisi delle dipendenze: termini relazionali/non relazionali Associare i dati alle entità che li hanno generati (e gli attributi alle entità da cui dipendono) Esplicitare le entità temporali: eventi, storie, situazioni......e i loro partecipanti Es.: rapporto di lavoro (con le sue parti) Analizzare gli effetti di possibili cambiamenti Indirizzo/luogo geografico... 30

31 Verso una metodologia (II) Primi passi di una formalizzazione Scelta del dominio del discorso Scelta dei concetti e delle relazioni rilevanti per tale dominio Scelta dei concetti e delle relazioni primitive (figlio vs. parente o antenato) Allineamento rispetto ad una ontologia di riferimento (DOLCE?) Oggetti Eventi Qualità Fatti Descrizioni... Analisi ontologica sistematica in termini di proprietà e relazioni formali... 31

32 Sistemi informatici Ontology-Driven Ogni SI ha la sua propria ontologia (implicita o esplicita) La prospettiva ODIS: le ontologie esplicite giocano un ruolo centrale, guidando tutti gli aspetti e le componenti di un SI Due dimensioni (principali) per affermare il ruolo di un ontologia esplicita: dimensione temporale: development time vs. run time dimensione strutturale: impatto sulle varie componenti di un SI: Componente base di dati Programma di applicazione Interfaccia utente 32

33 ...Ma tutto questo è DIFFICILE?! Ma perché mai dovrebbe essere semplice? 33