Apresentacao Web Semânticas SBBD 2007

Web Semântica Bernadette Farias Lóscio [email_address] Universidade Federal do Ceará – UFC Departamento de Computação

Conteúdo

A Web (Sintática x Semântica)

Tecnologias para a Web Semântica

Aplicações

Conclusões

Web Atual

Páginas direcionadas para pessoas e não para o processamento

O principal foco é apresentação de informações

O processo de interpretação é feito pelos usuários

Web Atual Por que os computadores não conseguem interpretar as informações? Faltam informações sobre as páginas!

Web Atual A Web atual é uma Web Sintática!

Web Sintática

Principal ferramenta: mecanismos de busca baseados em palavras-chave

Problemas...

Grande número de páginas com pouca precisão

Informações distribuídas em várias páginas e integração manual

Web Sintática O que fazer? Adicionar semântica as páginas!

Web Semântica

Representar o conteúdo da Web para facilitar o seu processamento

Categorizar as informações para facilitar o acesso

Web Semântica Cenário clássico (Tim Berners Lee, 2001)

A Lucy quer marcar uma consulta e uma série de sessões de fisioterapia para a mãe dela!

A consulta tem que ser no horário que a Lucy tem disponibilidade

De preferência deve ser próximo da casa dela

O médico e os fisioterapeutas devem ser qualificados e credenciados pelo plano de saúde

Web Semântica Agente da Lucy Agente do médico Informações sobre o tratamento da mãe da Lucy Quais médicos atendem aos requisitos iniciais? Casa os horários da Lucy com os horários vagos dos profissionais Serviços médicos

Web Semântica Arquitetura em níveis

XML

Proposta pelo W3C

Linguagem de marcação extensível

Troca de informações

Usada para criação de novas linguagens de marcação

XML

Exemplo:

<eventosSBC> <evento codigo=“XXIISBBD”> <nome> Simpósio Brasileiro de Banco de Dados </nome> <cidade> João Pessoa </cidade> <local> Hotel Tambaú </local> <periodo> <inicio> 15/10/2007 </inicio> <fim> 19/10/2007 </fim> </periodo> ... </evento> ... </eventosSBC>

XML

Esquema XML

Define a estrutura de um conjunto de instâncias de documentos XML

Define elementos válidos e seus respectivos modelos de conteúdo

XML

XML Schema

Linguagem padrão para descrição de esquemas XML

Baseada em XML

Um esquema em XML Schema é composto de:

Definições de tipos

Declarações de elementos

XML

XML Schema – Exemplo

<?xml version="1.0"?>

<xsd:schema xmlns:xsd=http://www.w3.org/2001/XMLSchema>

<xsd:element name=“eventosSBC">

<xsd:complexType>

<xsd:sequence>

<xsd:element ref=“evento" minOccurs="1"

maxOccurs="unbounded"/>

</xsd:sequence>

</xsd:complexType>

</xsd:element>

...

XML

XML Schema – Exemplo

<xsd:element name=“evento“ type=“eventoT” />

<xsd:complexType name = “eventoT”>

<xsd:sequence>

<xsd:element name=“nome" type="xsd:string"/>

<xsd:element name=“cidade" type="xsd:string"/>

<xsd:element name=“local" type="xsd:string"/>

<xsd:element name=“periodo“ type = “periodoT/>

</xsd:sequence>

<xsd:attribute name=“codigo" type="xsd:string"/>

</xsd:complexType>

...

</xsd:schema>

XML

Namespaces

mecanismo para identificar unicamente os elementos e atributos de XML

definido através de um URI (ex: URL)

Exemplo:

xmlns:xsd =“http://www.w3.org/2001/XMLSchema”

Web Semântica Principais Tecnologias metadados ontologias agentes lógica

Metadados Dados sobre dados ! “ informações para a Web que podem ser compreendidas por máquinas”. (W3C – World Wide Web Consortium)

Metadados

“ O termo se refere a qualquer informação utilizada para a identificação, descrição e localização de recursos.”

(International Federation of Library Associations)

Metadados

As páginas html não trazem metadados explícitos!

As tags html especificam detalhes de apresentação!

Metadados

Como adicionar semântica às páginas html?

XML e RDF

Metadados XML é suficiente?

<curso nome= “Banco de Dados” >

<professor> Berna Farias </professor>

</curso>

<professor nome=“Berna Farias”>

<leciona> Banco de Dados </leciona>

</professor>

A semântica dos dados não fica explícita!

RDF Resource Description Framework

Linguagem baseada em XML para descrever metadados na Web

Objetiva tornar a semântica dos recursos Web acessíveis a máquinas

RDF

Descrevendo recursos Web com RDF

Propriedades para itens de compra

Informações sobre páginas (título e autor)

Conteúdo e classificação de figuras

Conteúdo para máquinas de busca

RDF Idéias básicas recurso propriedade valor + + Sentença

RDF Idéias básicas

É um objeto sobre o qual queremos “falar”! Ex: autores, livros, hotéis...

Deve ter um identificador universal único (URI) Ex: URL

recurso propriedade valor + + Sentença

Recursos que descrevem relacionamentos entre recursos

Ex: escrito_por, idade, título...

É um objeto que pode ser um recurso ou um literal!

Ex: nome de uma pessoa

RDF Visões de uma sentença

Exemplo de sentença:

Berna Farias criou o site

http://www.lia.ufc.br/~bernafarias

RDF Visões de uma sentença

Exemplo de sentença:

Berna Farias criou o site

http://www.lia.ufc.br/~bernafarias

recurso propriedade literal

RDF Visões de uma sentença ...como uma tripla: ( http://www.lia.ufc.br/~bernafarias, http://meudominio.org/criadoPor, “Berna Farias”) http://www.lia.ufc.br/~bernafarias Berna Farias criadoPor ... como um grafo:

RDF

Representação que pode ser processada

<rdf:RDF>

<rdf:Description

about = “http://www.lia.ufc.br/~bernafarias”>

<b:criadoPor> Berna Farias </b:criadoPor>

</rdf:Description>

</rdf:RDF>

RDF Sintaxe básica

Elemento raiz <rdf: RDF>

Contém um conjunto de elementos

<rdf: Description>

Cada elemento especifica uma sentença sobre um recurso

<rdf:RDF>

<rdf:Description about = “91002043177”>

<uni:nome> Berna Farias </uni:nome>

<uni:cargo> professor </uni:cargo>

</rdf:Description>

<rdf:Description about = “CK120”>

<uni:nomeDisciplina> Banco de Dados </uni:nomeDisciplina>

<uni:ensinadoPor> Berna Farias </uni:ensinadoPor>

</rdf:Description>

</rdf:RDF>

RDF Sintaxe básica RDF - Exemplo

RDF Sintaxe básica

rdf: resource

<rdf:Description about = “92345566994”> <uni:nome> Vania Vidal </uni:nome> <uni:cargo> professor </uni:cargo> </rdf:Description> <rdf:Description about = “CK120”> <uni:nomeDisciplina> Fundamentos de Banco de Dados </uni:nomeDisciplina> <uni:ensinadoPor rdf:resource = “ 92345566994 ”/> </rdf:Description>

RDF

RDF permite descrever recursos

RDF não define a semântica de um domínio

Como descrever um domínio em particular? Usando RDF Schema!

RDF Schema Idéias básicas

Permite definir termos de um vocabulário e relacionamentos entre eles

Oferece um significado extra aos recursos e propriedades RDF

Este significado extra (semântica) especifica como um termo deve ser interpretado

Utiliza-se o RDF Schema em conjunto com o RDF

RDF Schema é um tipo de dicionário que pode ser lido por máquinas

Principais conceitos

Classes

Propriedades

Hierarquia de classes

Hierarquia de propriedades

Níveis RDF e RDF Schema Banco de Dados Berna Farias ensinadoPor RDF RDFS prof. adjunto prof. visitante prof. substituto funcionario professor subClassOf subClassOf subClassOf subClassOf literal id fone domain domain range range range range disciplina ensinadoPor envolve subPropertyOf domain domain

<rdf:RDF

xmlns:rdf = “http://www.w3.org/1999/02/02/22-rdf-syntax-ns#”

xmlns:rdfs = “http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#”>

<rdfs:Class rdf:ID=“funcionario”>

<rdfs:comment> Classe de todos os funcionarios</rdfs:comment>

</rdfs:Class>

...

...

<rdfs:Class rdf:ID=“professor”>

<rdfs:comment> Classe de todos os professores </rdfs:comment>

<rdfs:subClassOf rdf:resource=“#funcionario”/>

</rdfs:Class>

<rdfs:Class rdf:ID=“disciplina”>

<rdfs:comment> Classe de todas as disciplinas</rdfs:comment>

</rdfs:Class>

...

...

<rdf:Property rdf:ID=“envolve”>

<rdfs:comment> Relaciona disciplinas a

funcionarios</rdfs:comment>

<rdfs:domain rdf:resource=“#disciplina”/>

<rdfs:range rdf:resource=“#funcionario”/>

<rdf:Property/>

...

...

<rdf:Property rdf:ID=“ensinadoPor”>

<rdfs:comment> Herda domain e o range da propriedade

envolve</rdfs:comment>

<rdfs:subPropertyOf rdf:resource=“#envolve”/>

<rdf:Property/>

...

</rdf:RDF>

Problemas com RDFS

RDFS muito limitada para descrever detalhes dos recursos

Não permite especificar

restrições de cardinalidade

propriedades transitivas, inversas ou simétricas

disjunção de classes

RDF e RDFS Resumindo...

RDF: modelo de dados para descrever recursos da Web

RDF: complementa XML oferecendo significado para o aninhamento de tags

RDF e RDFS Resumindo...

RDFS: linguagem para descrever vocabulários para domínios específicos

RDFS: linguagem primitiva para descrição de ontologias

Ontologia

Ramo da filosofia que lida com a natureza e organização da realidade

O que é ser ?

Quais as características comuns a todos os seres?

Ciência do ser (Aristóteles)

Ontologia

“ Uma ontologia é uma especificação explícita e formal de uma conceitualização compartilhada”.

(Gruber)

Ontologia

Especificação explícita: engloba definições de conceitos, instâncias, relações, restrições e axiomas

Formal: é declarativamente definida, portanto, compreensível para agentes e sistemas

“ Uma ontologia é uma especificação explícita e formal de uma conceitualização compartilhada”.

Ontologia

Conceitualização: trata-se de um modelo abstrato de uma área de conhecimento

Compartilhada: trata-se de um conhecimento consensual

“ Uma ontologia é uma especificação explícita e formal de uma conceitualização compartilhada ”.

Ontologia

“ A definição dos termos utilizados na descrição e na representação de uma área do conhecimento.”

(W3C – World Wide Web Consortium)

Ontologias Pra quê?

Para compartilhar conhecimento comum sobre a estrutura da informação:

Entre pessoas

Entre agentes de software

Ontologias Pra quê?

Para permitir a reutilização do conhecimento sobre um domínio:

Para evitar a “reinvenção da roda”

Para introduzir padrões que permitam a interoperabilidade entre aplicações

Ontologias

Classificação quanto à expressividade e grau de formalismo

Vocabulários

Glossários

Tesauros

Taxonomias

Redes Semânticas

Ontologias

Objetivam oferecer um vocabulário compartilhado para a troca de informações

Ontologias

Devem prover descrições para:

Classes (“conceitos”) nos vários domínios de interesse

Relacionamentos entre esses “conceitos”

Propriedades que essas “conceitos” devem possuir

Linguagens para a definição de Ontologias

Requisitos

Sintaxe bem-definida (informação poderá ser processada)

Semântica formal (define o conhecimento precisamente, permite raciocinar sobre o conhecimento)

Linguagens para a definição de Ontologias

Requisitos

Suporte para raciocínio (permite checar a consistência da ontologia, classificar instâncias)

Poder de expressividade

A linguagem OWL

É uma evolução da linguagem DAML + OIL

Proposta pelo W3C

Projetada para descrever a estrutura de um domínio em termos de

Classes

Instâncias

Propriedades

A linguagem OWL OWL Full OWL DL OWL Lite Ferramentas, raciocínio mais eficiente... Expressividade

A linguagem OWL

Cabeçalho

<?xml version="1.0"?>

<rdf:RDF

xmlns:owl="http://www.w3.org/2002/07/owl#"

xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"

xmlns:rdfs="http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#"

xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#">

A linguagem OWL Classes

Classes

<owl: Class rdf: ID=“ProfessorAdjunto”>

<rdfs: subClassOf rdf:resource=“#Professor”/>

</owl: Class>

Disjunção entre classes

<owl:Class rdf:about="ProfessorAdjunto">

<owl:disjointWith rdf:resource="#ProfessorSubstituto"/>

<owl:disjointWith rdf:resource="#ProfessorVisitante"/>

</owl:Class>

Equivalência entre classes

<owl:Class rdf:ID=“Docente">

<owl:equivalentClass rdf:resource="#Professor"/>

</owl:Class>

A linguagem OWL Propriedades

Propriedades

Estabelecem relacionamentos indivíduo-indivíduo e/ou indivíduo-dados

Propriedades de objeto

Ex: ensinadoPor

Propriedade de tipo de dados

Ex: nome, fone

Propriedade de Tipo de Dados

<owl:DataTypeProperty rdf:ID=“idade”>

<rdfs:range

rdf:resource=“http://www.w3.org.2001/

XMLSchema#NonNegativeInteger"/>

</owl:DataTypeProperty>

Propriedade de Objeto

<owl:ObjectProperty rdf:ID=“ensinadoPor”>

<rdfs:domain rdf:resource="#Disciplina"/>

<rdfs:range rdf:resource="#Professor"/>

<rdfs:subpropertyof rdf:resource="#envolve"/>

</owl:objectProperty>

Propriedades inversas

<owl:ObjectProperty rdf:ID=“ensina”>

<rdfs:range rdf:resource="#Disciplina"/>

<rdfs:domain rdf:resource="#Professor"/>

<owl:inverseof rdf:resource="#ensinadoPor"/>

</owl:objectProperty>

Restrições das propriedades

Valores (allValuesFrom, someValuesFrom, hasValue)

Cardinalidade (maxCardinality, minCardinality, Cardinality)

allValuesFrom

<owl:Class rdf:about=“#disciplinaObrigatoria">

<rdfs:subClassOf>

<owl:Restriction>

<owl:onProperty

rdf:resource="#ensinadoPor"/>

<owl:allValuesFrom

rdf:resource=“ProfessorAdjunto"/>

</owl:Restriction>

<rdfs:subClassOf>

</owl:Class>

Toda disciplina obrigatória tem que ser ensinada por um professor adjunto!

hasValue

<owl:Class rdf:about=“#disciplinaBD">

<rdfs:subClassOf>

<owl:Restriction>

<owl:onProperty

<owl:hasValue

rdf:resource=“#91002043177"/>

</owl:Restriction>

<rdfs:subClassOf>

</owl:Class>

Toda disciplina de Banco de Dados tem que ser ensinada pela professora Berna Farias!

someValuesFrom

<owl:Class rdf:about=“#professor">

<rdfs:subClassOf>

<owl:Restriction>

<owl:onProperty

rdf:resource="#ensina"/>

<owl:someValuesFrom

rdf:resource=“#DisciplinaPosGraduacao"/>

</owl:Restriction>

<rdfs:subClassOf>

</owl:Class>

Todos os professores devem ensinar pelo menos uma disciplina da pós-graduação!

Restrições de cardinalidade

<owl:Class rdf:about=“#disciplina">

<rdfs:subClassOf>

<owl:Restriction>

<owl:onProperty

<owl:minCardinality rdf:datatype=“&xsd;nonNegativeInteger">

1

</owl:minCardinality>

</owl:Restriction>

<rdfs:subClassOf>

</owl:Class>

Propriedades das propriedades: são definidas diretamente nas propriedades

owl:TransitiveProperty

owl:SymmetricProperty

owl:FunctionalProperty

owl:InversefunctionalProperty

Exemplo

<owl:ObjectProperty rdf:ID=“temMesmaNota”>

<rdf:type rdf:resource=“&owl;TransitiveProperty”/>

<rdf:type rdf:resource=“&owl;SymmetricProperty”/>

<rdfs:domain rdf:resource = “#aluno”/>

<rdfs:range rdf:resource = “#aluno”/>

</owl:ObjectProperty>

Exemplo

<owl:ObjectProperty rdf:ID=“supervisor”>

<rdf:type rdf:resource=“&owl;FunctionalProperty”/>

<rdfs:domain rdf:resource = “#professor”/>

<rdfs:range rdf:resource = “#professor”/>

Um professor tem no máximo um supervisor!

Exemplo

<owl:ObjectProperty rdf:ID=“éCPFde”>

<rdf:type rdf:resource=“&owl;InversaFunctionalProperty”/>

<rdfs:domain rdf:resource = “#CPF”/>

<rdfs:range rdf:resource = “#professor”/>

Dois professores não podem ter o mesmo valor para CPF!

A linguagem OWL

União de classes

<owl:Class rdf:ID=“pessoasUni”>

<owl:unionOf rdf:parseType = “Collection”>

<owl:Class rdf:about = “professor”/>

<owl:Class rdf:about = “aluno”/>

</owl:unionOf>

</owl:Class>

A linguagem OWL

Interseção de classes

<owl:Class rdf:ID = “professorCS”>

<owl:intersectionOf rdf:parseType=“Collection”>

<owl:Class rdf:about = “professor”/>

<owl: Restriction>

<owl:onProperty rdf:resource=“#pertenceA”/>

<owl:hasvalue

rdf:resource=“#DepartamentoCS”/>

</owl:Restriction>

</owl:intersectionOf>

</owl:Class>

A linguagem OWL

Criação de instâncias

<rdf:Description rdf:ID = “91887711”>

<rdf:type rdf:resource =“#professor”>

</rdf:Description>

Ou

<professor rdf:ID = “91887711”/>

Etapas do Projeto de uma Ontologia

Determinar o escopo

Considerar o reuso

Enumerar termos

Definir taxonomia

Definir propriedades

Definir restrições

Definir instâncias

1. Determinar o escopo

Qual o domínio a ser coberto pela ontologia?

Para quê será usada esta ontologia?

Para que tipo de questões a informação na ontologia deve oferecer respostas?

2. Considerar o reuso

Por que reutilizar outras ontologias?

Para poupar esforços

Para interagir com as ferramentas que usam outras ontologias

Para empregar ontologias que foram validadas através do uso em outras aplicações.

3. Enumerar termos

Quais os termos sobre os quais vamos falar?

Quais as propriedades desses termos?

O que queremos dizer sobre esses termos?

4. Definir taxonomia

Definir as classes que irão compor a ontologia

Definir a hierarquia das classes, incluindo os conceitos de superclasses e subclasses

5. Definir propriedades

Definir as propriedades de objetos que definem relacionamentos entre classes

Definir propriedades de dados

Definir domain e range para as propriedades

6. Definir restrições

Restrições sobre Propriedades (facetas) descrevem ou limitam o conjunto de valores possíveis para as propriedades

7. Definir instâncias

Criar as instâncias das classes

Atribuir os valores das propriedades para as instância de acordo com as restrições definidas

Exemplo

Criar uma ontologia para representação de relações de parentesco

Quais termos serão representados pela ontologia?

Pai, mãe, filho, filha, irmã, irmão...

A ferramenta Protégé

Protégé – Criação de Classes

Protégé – Criação de Propriedades

Protégé – Criação de Instâncias

Protégé – Criação de Restrições

Protégé – Criação de Instâncias

Protégé

Ontologias Ferramentas

Editores de Ontologias e de Metadados. Ex.: OilEd, OntoEdit, Protégé

Ferramentas de Visualização. Ex.: OilViz (do OilEd), TGViz

Mecanismos de Inferência (reasoners). Ex.: JESS, FaCT, RACER, Pellet

Bibliotecas de Ontologias

Reutilização de ontologias é importante!

Sistemas de gerência de bibliotecas de ontologias oferecem

Suporte à reutilização

Infra-estrutura para armazenamento, busca e recuperação de ontologias

Mecanismos de tradução de ontologias

Suporte para a edição de ontologias

Ex: Ontolingua, WebOnto, Ontology Server

Agentes de Software

“ Em vez de fazer tudo para os usuários, os agentes (de software) vão achar maneiras possíveis de atender às suas necessidades, e então oferecer as opções ao usuário.”

(James Hendler)

Agentes de Software Características

Autonomia

Proatividade

Adaptatividade

Mobilidade

Interatividade

...

Comportam-se mais como um assistente do que como uma ferramenta

Agentes de software na Web Semântica

Serão responsáveis por:

Coordenar tarefas de busca

Comparação e negociação na rede

Não vão agir de modo 100% autônomo

Vão realizar o trabalho “pesado” para que o usuário tome decisões

Agentes de Software na Web Semântica

Vão se comunicar através do compartilhamento de ontologias do domínio

Ontologias servirão como base para a troca de informações entre agentes de software

E se não existir uma única ontologia?

Como os agentes de software determinam se conceitos compartilhados são semanticamente equivalentes?

Como agentes de software determinam se conceitos diferentes têm o mesmo significado?

Como agentes de software determinam se suas ontologias pertencem a um mesmo domínio?

Agentes de Software na Web Semântica Como prover a interoperabilidade semântica entre os agentes? Alinhamento de ontologias!

Agentes de Software Interoperabilidade semântica Agente 1 Ontologia 1 Agente 2 Ontologia 2 mapeamentos semânticos (O 1 , O 2 ) Domínio A alinhamento

Alinhamento de ontologias Publicacao ISBN autor ano String String Integer Livro editora String Periódico classif. String Livro editora String ISBN String ano Integer Ontologia 1 Ontologia 2 Artigo confer. String Autor nome String Artigo confer. String

Lógica

Como pode ser usada na Web Semântica?

Para descobrir novos conhecimentos e auxiliar na tomada de decisões

Lógica

Pode ser usada para descobrir conhecimento ontológico que não está explícito

Ex:

Todos os professores são funcionários da universidade

Se Berna é uma professora então Berna é uma funcionária da universidade

Lógica

Pode ser usado por agentes inteligentes para auxiliar a tomada de decisões

Ex:

Um agente de compras pode decidir oferecer um desconto para um cliente com base na seguinte regra

clienteFiel(X)  desconto(5%)

Lógica

Pode oferecer explicações para conclusões

Os passos para se chegar a uma conclusão podem ser rastreados

Recursos importante porque aumenta a confiança dos usuários

Lógica

Explicações são necessárias para a comunicação entre agentes

Agente 1 Agente 2 Você me deve R$100,00 Por que? compra(X, Item) ٨ preco(Item,P) ٨ entrega (Item, X)  deve(X, P)

Lógica

Deverá ser capaz de ser processada...

Aplicações Comércio eletrônico

O processamento de informações é feito manualmente

O que fazer?

Usar agentes para interpretar as informações

Usar ontologias

Benefícios com a Web Semântica

Informações extraídas em um único formato

Aplicações Web Semântica Geo-espacial

Busca Semântica

Dicionários Geográficos

Catálogos de Metadados

(Opções + simples de compartilhamento)

Geo-Ontologias

Descrição de dados e serviços espaciais

Conclusão

A Web Semântica é uma evolução da Web atual

Agentes farão o “trabalho pesado”

Ontologias serão usadas para definição de vocabulários comuns para os agentes

A troca de informações entre os agentes poderá ser feita com linguagens baseadas em XML

Estratégias de negociação poderão ser escritas em lógica

O primeiro passo poderá ser dados pelas grandes organizações

Conclusão

Grande desafio:

adoção da tecnologia!

Bibliografia

Breitman, K. “Web Semântica: a Internet do Futuro”. Editora LTC, 2005.

Goméz-Pérez, A., Corcho, O., Fernandez-Lopez, M. “Ontological Engineering (Advanced Information and Knowledge Processing)”, Springer-Verlag, 2004.

Uschold, M., Gruninger, M. “ Ontologies and Semantics for Seamless Connectivity”. ACM SIGMOD Record Vol. 33, Issue 4, 2004.

“ DAML+OIL: a Reason-able Web Ontology Language”. Keynote talk given at WES/CAiSE 2002, Toronto, May 28th, 2002.

“ OWL Web Ontology Language Guide”. W3C Recommendation 10 February 2004 in http:// www.w3.org/TR/owl-guide/

Lacy, L.W. “OWL – Representing Information Using the Web Ontology Language”, Trafford, 2005.

RDF/XML Syntax Specification (Revised). Dave Beckett, Editor. W3C Recommendation, 10 February 2004, Available at: http://www.w3.org/TR/rdf-syntax-grammar/.