Prima Parte. Università degli Studi di Napoli -- Classi, proprietà, individui e restrizioni. Gennaro Gambardella

Transcript

1 Università degli Studi di Napoli -- CDL in Informatica Basi di dati Multimediali Prima Parte Classi, proprietà, individui e restrizioni Gennaro Gambardella Tratto da Ontologie OWL: Teoria e Pratica di Nicola Capuano

2 La parola Ontologia non ha un unico significato In filosofia è legato alla teoria dell'esistenza Nell Intelligenza Artificiale indica la specificazione di una concettualizzazione, ovvero una descrizione formale di un insieme di concetti e delle relazioni che intercorrono tra essi. Il Web assomiglia ad un enorme continente di cui non esiste la mappa. Con le ontologie è possibile realizzare mappe semantiche del Web interpretabili sia dall uomo che dalla macchina (il cosiddetto Semantic Web). Ma il Semantic Web è solo una delle possibili applicazioni delle ontologie.

3 Abbiamo tre diverse versioni di OWL con complessità e motere espressivo screscenti OWL-Lite: cui è possibile definire gerarchie di classi e vincoli poco complessi. OWL-DL: offre un potere espressivo più elevato e mantiene la completezza computazionale (versione intermedia), offrendo ancora garanzie rispetto a completezza e decidibilità. OWL-Full: offre la massima espressività, senza offrire alcuna garanzia circa completezza e decidibilità Ogni versione del linguaggio include ed estende la precedente

4 I componenti principali di un ontologia OWL sono tre: Individui: che rappresentano gli oggetti nel dominio di interesse. Proprietà: che sono relazioni binarie tra individui. Classi: che sono gruppi di individui. Gli individui sono rappresentati come piccoli tondi neri, le classi come ovali colorati e le proprietà come archi direzionati

5 Protégé è un tool Open Source, sviluppato presso l Università di Stanford, per la creazione e sviluppo di Ontologie basate su frame. vuole essere di aiuto agli ingegneri della conoscenza ed agli esperti di dominio per la realizzazione di ontologie

6 Lanciare Protégé Menu File New Project

7 Il controllo più importante della GUI è la Barra dei Componenti, che permette di navigare tra i diversi elementi dell ontologia in fase di definizione. Nel pannello Gerarchia delle Classi è possibile definire la tassonomia che inizialmente contiene la sola classe owl:thing da cui vengono derivate tutte le altre classi Per inserire una nuova classe, ad esempio la classe Birra:

8 La disgiunzione può essere dichiarata selezionando una qualsiasi delle classi sorelle nella tassonomia definita e premendo il pulsante Add all Siblings nella sezione Classi Disgiunte e Selezionando l opzione Mutually between all Siblings dalla dialog box che appare. In questo modo ci assicuriamo non solo che la classe attuale sia disgiunta da tutte le sorelle, ma che anche ogni altra sorella sia disgiunta dalle altre.

9 OWL supporta l ereditarietà multipla ovvero ammette l esistenza di classi con più di una super-classe. Supponiamo di avere una classe Ruolo che abbia tra le sottoclassi Centrocampista ed Attaccante. Vogliamo aggiungere la casse Trequartista che vogliamo far ereditare sia da Centrocampista che da attaccante. Per far ciò va aggiunta in primo luogo la classe Trequartista alla tassonomia come sotto-classe di Attaccante Occorre ora specificare una super-classe aggiuntiva per Trequartista: si seleziona la classe Trequartista, si seleziona il gruppo Necessary nella sezione delle Condizioni, si preme il pulsante Add Named Class e si aggiunge la superclasse Centrocampista scegliendola dalla lista che appare

10 OWL ammette due tipologie principali di proprietà: proprietà object: che collegano individui ad individui; proprietà datatype che collegano individui a valori di tipi ammissibili per XML e/o RDF. Per definire le proprietà in Protégé è necessario accedere all omonimo pannello (Properties). Il pannello Properties è suddiviso in due sezioni principali la parte sinistra mostra la gerarchia delle proprietà la parte destra consente di caratterizzare la proprietà selezionata Inserire una nuova proprietà è del tutto simile ad inserire una nuova classe.

11 Ricordiamo che: le proprietà sono relazioni binarie tra individui. Essendo le proprietà relazioni binarie, hanno un dominio ed un codominio ( o range). Il dominio di una proprietà è la classe (o l insieme di classi) ai cui individui appartenenti si può applicare la proprietà Il range (o codominio) di una proprietà è invece la classe (o l insieme di classi) i cui individui appartenenti possono essere valori della proprietà Le sezioni Dominio e Range del pannello Properties hanno la funzione di raccogliere queste informazioni

12

13 Le proprietà permettono di definire restrizioni su una classe, ovvero di restringere l insieme degli individui che possono appartenere ad una specifica classe. Le restrizioni possono essere di vario tipo, a noi interesseranno le restrizioni di quantità. Le restrizioni di quantità sono composte da un quantificatore, da una proprietà e da un argomento (o filler). Abbiamo restrizioni esistenziali, se il quantificatore utilizzato per esprimere la restrizione è quello esistenziale ( ). Restrizioni universali, se il quantificatore utilizzato per esprimere la restrizione è quello universale ( ).

14 DEF: La restrizione esistenziale in OWL identifica l insieme di individui che, per una data proprietà, hanno almeno una relazioni con individui di una specifica classe. Esempio: una restrizione del tipo hamalto MaltoOrzo specifica la classe di tutti gli individui che hanno almeno una relazione di tipo hamalto con un individuo della classe MaltoOrzo. NOTA: Data la definizione prec. l almeno una, non esclude gli individui che avendo una relazione hamalto con un individua della classe MaltoOrzo hanno relazioni di tipo hamalto anche con individui esterni alla classe MaltoOrzo.

15 DEF: La restrizione universale, identifica l insieme di individui che, per una data proprietà, hanno al più relazioni con individui di una specifica classe. Esempio: una restrizione del tipo hamalto MaltoOrzo specifica la classe di tutti gli individui che hanno relazioni di tipo hamalto solo con individui della classe MaltoOrzo più tutti gli individui che non hanno relazioni di tipo hamalto.

16 Andare al pannello delle classi attraverso la Barra dei Componenti. Selezionare la classe d interesse. Selezionare la riga Necessary nella sezione Condizioni e premere il pulsante Create Restriction. Ciò fatto compare la palette Create Restriction, nella quale occorre selezionare la proprietà desiderata dall elenco delle proprietà, successivamente si seleziona il quantificatore da applicare dall elenco delle restrizioni ed infine si inserisce il nome della classe nel filler (eventualmente aiutandosi con l elenco che si ottiene premendo il pulsante Insert Class).

17

18 L ultimo passo nella definizione di un ontologia consiste nella creazione degli individui appartenenti alle varie classi della gerarchia. Per definire un individuo è necessario accedere al pannello Individuals attraverso la Barra dei Componenti di Protégé, suddiviso in tre sezioni principali: la parte sinistra (Class Browser) mostra la gerarchia delle classi; la parte centrale (Instance Browser) mostra la lista degli individui appartenenti alla classe selezionata; la parte destra (Individual Editor) consente di caratterizzare l individuo selezionato nella lista centrale.

19 Università degli Studi di Napoli -- CDL in Informatica Basi di dati Multimediali Gennaro Gambardella Seconda Parte Racer,consistenza, classificazione della tassonomia,classi definite e classi primitive Tratto da Ontologie OWL: Teoria e Pratica di Nicola Capuano

20 Come già detto: Le proprietà sono relazioni binarie tra individui. Siano a, b e c Individui, una proprietà P può essere: Transitiva: ar P b e br P c ar P c Simmetrica: ar P b br P a Funzionale: ar P b e ar P c b = c Le caratteristiche di una proprietà possono essere definite nella sezione Caratteristiche del pannello Properties di Protégé. È sufficiente selezionare la proprietà dalla gerarchia e spuntare il check-box relativo alla caratteristica o alle caratteristiche scelte (Functional, Symmetric o Transitive).

21 I reasoner (o classificatori) sono programmi che offrono un insieme di servizi per ragionare (fare inferenza) sulle basi di conoscenza. Esistono diverse tipologie di reasoner, ognuna compatibile con un determinato formalismo di rappresentazione della conoscenza. Le ontologie realizzate in OWL-DL, in particolare, possono essere elaborate da reasoner basati sulla Logica Descrittiva. Tra questi, quello che scegliamo di utilizzare negli è Racer realizzato dall Università di Amburgo.

22 È possibile scaricare Racer dalla pagina dei suoi realizzatori: Ralf Möller o Volker Haarslev. È un file compresso che contiene un singolo eseguibile, non necessita d installazione. Una volta in esecuzione, i servizi offerti da Racer sono attivi e possono essere invocati via socket via HTTP (per entrambi la porta di default è la 8080). Per cambiare le porta di comunicazione, basta il comando: racer -p 70 -http 80 L interfaccia HTTP di Racer supporta la connessione da parte di client conformi allo standard DIG sviluppato dal DL Implementation Group e adottato da diversi software basati sulle logiche descrittive tra cui Protégé

23 Tra le principali funzionalità offerte da Racer c è il controllo di consistenza delle classi dell ontologia. Una classe è detta consistente se possono esistere individui appartenenti ad essa. Se un ontologia ha delle classi inconsistenti, vuol dire che è stato fatto qualche errore in fase di modellazione che è opportuno correggere prima di distribuire o utilizzare l ontologia in contesti applicativi. Per eseguire il controllo di consistenza di un ontologia da Protégé è necessario premere il pulsante Check Consistency sulla barra degli strumenti

24 Una classe è detta primitiva se è descritta solo attraverso condizioni necessarie. Le condizioni necessarie servono a creare restrizioni sugli individui che possono appartenere ad una classe. In altre parole esse servono ad asserire: se un individuo appartiene a questa classe allora deve avere queste caratteristiche. Una classe può essere descritta anche attraverso condizioni necessarie e sufficienti. Tali condizioni servono ad asserire: se un individuo ha queste caratteristiche allora esso fa parte di questa classe. Le classi definite sono classi descritte attraverso condizioni necessarie e sufficienti

25 Una funzionalità che può essere utile per capire ancor meglio l utilità delle classi primitive e classi definite è la classificazione dell ontologia. È una funzionalità offerta da Racer. Per eseguire la classificazione da Protégé è necessario premere il pulsante Classify Taxonomy sulla barra degli strumenti (ovviamente con Recer in esecuzione). Protégé passa l ontologia a Racer che la analizza e genera la gerarchia desunta (in base alle restrizioni, ed alle classi definite e primitive stabilite) che viene visualizzata accanto a quella dichiarata dal creatore

26 In seguito alla classificazione dell ontologia, Racer sposta la classe Pilsner è stata spostata sotto la classe Lager. Gennaro Gambardella 24/06/2008

27 Università degli Studi di Napoli -- CDL in Informatica Basi di dati Multimediali Terza Parte Jena Le Ontologie in Java Gennaro Gambardella Tratto da Ontologie OWL: Teoria e Pratica di Nicola Capuano

28 Jena è un framework open source (reperibile su Sourceforge.net) sviluppato dal Semantic Web Research Group di HP Labs. Nato inizialmente per realizzare applicazioni che supportassero RDF e RDFS, Jena è stato successivamente esteso ai linguaggi per le ontologie tra cui OWL e DAML+OIL. Jena, pur supportando diversi linguaggi per l espressione di ontologie, fornisce un unica API neutrale rispetto al linguaggio. Ciò consente di operare sulle ontologie senza preoccuparsi del linguaggio attraverso il quale l ontologia stessa verrà serializzata Gennaro Gambardella 24/06/2008

29 Tutte le ontologie vengono gestite in Jena attraverso l interfaccia OntModel. Per creare una nuova ontologia è necessario invocare il metodo createontologymodel della factory ModelFactory. Per specificare il linguaggio ontologico da utilizzare è possibile passare al metodo l URI che definisce il linguaggio stesso o, in alternativa, è possibile utilizzare delle costanti predefinite import com.hp.hpl.jena.rdf.model.*; import com.hp.hpl.jena.ontology.*;... // creare un l'ontologia OntModel m = ModelFactory.createOntologyModel (ProfileRegistry.OWL_DL_LANG); Gennaro Gambardella 24/06/2008

30 Dopo aver creato l ontologia, è necessario definirne il default namespace: una stringa di caratteri che verrà utilizzata come prefisso standard per tutte le classi, le proprietà e gli individui definiti all interno di un ontologia. avere namespace diversi per ontologie diverse consente di riferirsi a classi, proprietà ed individui appartenenti ad un altra ontologia in maniera non ambigua. I namespace prendono la forma di URI che terminano con il carattere # Se non lo si cambia, in Protégé il namespace di default è import com.hp.hpl.jena.rdf.model.*; import com.hp.hpl.jena.ontology.*;... // Definire il default namespace String ns = " m.setnsprefix("", ns); La stringa vuota e indica che quello che stiamo definendo è il namespace di default e non un qualsiasi altro prefisso dell ontologia Gennaro Gambardella 24/06/2008

31 L inserimento di classi viene effettuato attraverso l invocazione del metodo createclass di OntModel. import com.hp.hpl.jena.rdf.model.*; import com.hp.hpl.jena.ontology.*;... // Definiamo alcune classi primitive OntClass cbirra = m.createclass(ns + "Birra"); OntClass cpilsner = m.createclass(ns + "Pilsner"); OntClass clievito = m.createclass(ns + "Lievito"); OntClass clievitobassafermentazione = m.createclass(ns + "LievitoBassaFermentazione"); L inserimento di sottoclassi avviene con il metodo addsubclass di OntClass. // Inseiamo alcune sottoclassi cbirra.addsubclass(cpilsner); clievito.addsubclass(clievitobassafermentazione); Gennaro Gambardella 24/06/2008

32 Per definire le proprietà, il metodo da invocare varia a seconda della tipologia scelta. Ciascun metodo accetta due parametri: il primo è il nome della proprietà, il secondo (opzionale) è il flag di funzionalità: se è vero, la proprietà è anche funzionale. import com.hp.hpl.jena.rdf.model.*; import com.hp.hpl.jena.ontology.*; // Definiamo le proprietà haingrediente ed halievito come transitive OntProperty phaingrediente = m.createtransitiveproperty(ns + "haingrediente"); OntProperty phalievito = m.createtransitiveproperty(ns + "halievito"); Gennaro Gambardella 24/06/2008

33 Si utilizza il metodo createindividual della classe OntModel. Creiamo l individuo pilsnerurquell della classe Pilsner e l individuo della classe LievitoBassaFermentazione. import com.hp.hpl.jena.rdf.model.*; import com.hp.hpl.jena.ontology.*; // Definiamo alcuni individui Individual ipilsnerurquell = m.createindividual(ns + "pilsnerurquell", cpilsner); Individual ilager = m.createindividual(ns + "lager", clievitobassafermentazione); Gennaro Gambardella 24/06/2008

34 Per salvare l ontologia realizzata è sufficiente utilizzare il metodo write di OntModel che accetta come argomento un output stream. import com.hp.hpl.jena.rdf.model.*; import com.hp.hpl.jena.ontology.*; import java.io.*; import java.util.*; // Salviamo l'ontologia try { FileOutputStream fout = new FileOutputStream("jBirra.owl"); m.write(fout); }catch (Exception ex) { System.out.println(ex); } L ontologia salvata può essere ovviamente importata in Protégé Menu File Build New Project. Gennaro Gambardella 24/06/2008

35 Di contro è possibile importare in un OntModel di Jena un ontologia esistente (eventualmente creata con Protégé) semplicemente invocando il metodo read su un qualsiasi input stream. import com.hp.hpl.jena.rdf.model.*; import com.hp.hpl.jena.ontology.*; import java.io.*; import java.util.*; //Importiamo l ontologia birra.owl try { FileInputStream fin = new FileInputStream("birra.owl"); m.read(fin, " } catch (Exception ex) { System.out.println(ex); } Al metodo read di OntModel va passato il namespace. Gennaro Gambardella 24/06/2008

36 Jena dispone di tre reasoner interni di complessità crescente. Purtroppo il più complesso dei tre riesce a malapena a trattare un sottoinsieme di OWL-DL molto vicino ad OWL-Lite. Per questo c è la possibilità di utilizzare reasoner esterni conformi allo standard DIG tra cui Racer (visto in precedenza). sfruttando le capacità di inferenza offerte dal reasoner, a partire dalla stessa ontologia è possibile estrarre una quantità maggiore di informazioni. import com.hp.hpl.jena.reasoner.*; import com.hp.hpl.jena.reasoner.dig.*; import com.hp.hpl.jena.vocabulary.*; // Genera una configirazione per il reasoner Model cm = ModelFactory.createDefaultModel(); Resource conf = cm.createresource(); conf.addproperty(reasonervocabulary.ext_reasoner_url, cm.createresource(" Gennaro Gambardella 24/06/2008