Sistemi basati su conoscenzaBasi di conoscenza: rappresentazione e

ragionamento

(Ontologie, Reti semantiche, Frames)

Prof. M.T. PAZIENZA

a.a. 2002-2003

Ingegneria della conoscenzaCosa rappresentare e come.

• Analisi del problema

• Individuazione dei fatti e degli eventi rilevanti del dominio applicativo

• Definizione del modello di rappresentazione degli oggetti e delle relazioni (tra loro e su di loro) esistenti

Scienza empirica

Ingegnere della conoscenza

Non è un esperto di dominio

Acquisisce conoscenza sul problema

Definisce i limiti della conoscenza da rappresentare (quali concetti?)

Definisce le metodologie di rappresentazione di fatti, grandezze, eventi e relazioni (e le loro interrelazioni)

Realizza la base di conoscenza specifica

Ingegneria ontologica

Rappresentazione di concetti generali (trasversali a qualunque dominio applicativo)

tempo, evento, azioni, entità, soldi, misure, sostanza, mutamenti…

che possono essere rappresentati e riutilizzati in una qualunque applicazione (non dipende da essa la loro rappresentazione ed uso)

Base di conoscenzaUna base di conoscenza deve essere chiara e

concisa e rappresentare con completezza il contenuto della conoscenza stessa (sia per un utente umano che per un processo).

La metodologia di rappresentazione della conoscenza deve essere:

espressiva, concisa, non ambigua, insensibile al contesto, efficace, riutilizzabile (un fatto è vero o falso di per sé).

Basi di conoscenza e ragionamento

Costruire sistemi che rappresentano e ragionano esplicitamente con la conoscenza

La struttura di controllo può essere isolata dalla conoscenza (possibilmente articolata)

Ogni parte della conoscenza può essere indipendente dalle altre

Ragionamento

Le procedure di inferenza permettono di ragionare a partire dalla conoscenza codificata

Le procedura di inferenza devono essere efficienti (ed efficaci) indipendentemente dalla tipologia di rappresentazione della conoscenza

Le procedure di inferenza trovano le soluzioni al problema

Approccio dichiarativo

Fatti e predicati

I fatti devono rappresentare situazioni stabili nel tempo ed al variare delle situazioni, anche se esprimono istanze in un contesto specifico

I predicati, al livello più generale possibile di codificazione ( in modo da esprimere un ragionamento valido in generale), devono esprimere relazioni tra oggetti della base di conoscenza

Regole su una base di conoscenza

Regole generali (da istanza a classe) che esprimano l’ontologia di un dominio (applicabili a classi di livello di generalità appropriato)

Regole che definiscono le grandezze in gioco nel dominio

Regole per esprimere relazioni (es. part-of) su uno stesso oggetto

Regole su una base di conoscenza(2)

Regole per il meta-ragionamento (valide in più contesti e domini e per le misure)

Regole che esprimono un ragionamento complesso ma valido solo in un dominio

Regole per la definizione di rapporti (relazioni) tra misure

Esprimere proprietà fondamentali delle cose, delle entità ed azioni valide in ogni contesto

Predicati Come si identifica il livello generale

Concetti (classi) più che istanze Validità per le classi di più alto livello nella ontologia di

dominioComposizionalità delle parti di un oggettoComposizionalità degli oggetti tra loroOntologia di dominio (ereditarietà)Identificazione delle modalità di misura di grandezze

usabili nel dominioDefinizione rapporti (relazioni) tra valori diversiValidità al di fuori del dominio specifico (metaregole)

Ingegnere della conoscenza (attività)

Decide di cosa parlare (tutte le informazioni necessarie alla risoluzione del problema)

Decide il vocabolario di predicati, funzioni e costanti (ontologia di dominio cosa esiste senza identificare proprietà specifiche ed interrelazioni; indipendente dall’obiettivo finale)

Codifica la conoscenza generale di dominio (assiomi)

Codifica una descrizione dell’istanza specifica del problema

Fornisce interrogazioni alla procedura d’inferenza

Ingegneria della conoscenzaIn sintesi:Stabilire proprietà fondamentali (=riutilizzabili)

degli oggetti da rappresentare Stabilire una gerarchia tra gli oggettiStabilire una scelta di valori su scale opportune Stabilire un vocabolario

La conoscenza può essere di aiuto solo se permette all’agente di scegliere un’azione migliore di quella che avrebbe scelto altrimenti

Ontologia

Una ontologia esprime i legami tra oggetti/eventi del mondo, legati al loro essere

Una ontologia di dominio esprime i legami tra oggetti/eventi specifici di quel dominio senza contraddire quanto abbia validità generale

L’ontologia di una applicazione può limitarsi a considerare i legami tra oggetti/eventi necessari a ragionare all’interno dell’applicazione stessa.

Ontologia

Dovrebbe essere possibile unificare più ontologie di dominio nella ontologia generale che rappresenta la conoscenza del mondo.

Viceversa, partendo da essa, si potrebbero ricavare ontologie più specifiche.

Composizione versus potatura

Ontologia

Tipologie di conoscenza

Al di là del dominio e dell’applicazione, in un’ontologia è necessario rappresentare

conoscenza di natura generale

(universalmente valida)

che esprima peculiarità proprie sulle quali attivare differenti modalità di ragionamento.

Tipologie di conoscenzaRagionare su:

• Categorie, misure, oggetti fisici, oggetti composti, tempo, spazio, cambiamento, eventi, processi, sostanze, oggetti mentali, credenze

Es: sostanze (succo di pomodoro è un’unica sostanza? È un liquido? E succo in scatola?

Tipologie di conoscenza

Nella realtà tutte le generalizzazioni presentano eccezioni; in alcuni casi è necessario definire valori di default.

Non sempre sono totalmente condivisibili (validità limitata)

Bisogna essere in grado di gestire tali anomalie per ottenere soluzioni corrette a problemi reali.

Categorie/Classi/Insiemi/Concetti

Esprimono le regolarità di un insieme di oggetti

• Un ragionamento generale si basa su categorie

• Un oggetto appartiene ad una categoria o ad un’altra a seconda delle proprietà che si vogliono descrivere (es. succo di pomodoro).

• Le categorie sono utili per effettuare predizioni e per applicare il principio di ereditarietà.

CategorieInferenzaSi riconosce un oggetto tramite le percezioni fisiche

ad esso collegate (oggetto ovale, dim.7*3.5 cm, buccia sottile marrone scuro, su banco fruttivend.)

Si inferisce l’appartenenza dello specifico oggetto ad una categoria dalle sue proprietà così come percepite (frutta di tipo kiwi)

Si usa la conoscenza sulla categoria per predire ulteriori proprietà dello specifico oggetto (ricco di vitamina C, aiuta a prevenire l’influenza)

CategorieInferenza Strutturazione delle categorie in sottoclassi

(tassonomia)

Le sottoclassi ereditano le proprietà delle superclassi.

La tassonomia semplifica l’ontologia e facilita alcune modalità di ragionamento oltre che supportare un ragionamento di tipo generale.

-Kiwi isa Frutta isa Cibo

-Cibo è commestibile

Kiwi è commestibile

CategorieEreditarietàUn oggetto appartiene ad una categoria (kiwi isa

Kiwi)

Una categoria può essere sottoclasse di un’altra categoria (Kiwi isa Frutta)

Ogni categoria ha proprietà distintive (Kiwi ha molti semi piccoli, Avocado ha 1 seme grande)

Sottoclassi di una stessa categoria identificano insiemi disgiunti di elementi (Kiwi # Avocado)

Gli elementi di una categoria condividono le sue proprietà e quelle degli antenati

Misure

Si può misurare un’entità concreta o astratta: è necessaria una unità di misura condivisibile

Le misure possono essere ordinate

Si possono definire operazioni diverse su misure diverse

Si possono definire relazioni su misure (valide in particolari situazioni – spazio/tempo)

Suggerimenti • Scrivere nelle ontologie concetti di validità generale,

aggiungere regole specifiche dell’applicazione• Limitare l’ambito di “copertura” dell’ontologia• Identificare in maniera univoca la tipologia di relazione

rappresentata (valida per tutti i livelli)• Rendere omogenee le entità rappresentate per poter

applicare su esse analoghe proprietà o proprietà comparabili

• Definire più ontologie separate e, eventualmente, ragionare su di esse separatamente

• Riconoscere (gestire o bloccare) nel tempo e nello spazio i nessi tra gli eventi

Conoscenza e Reti semantiche

Si può rappresentare la conoscenza in un grafo con i nodi ad indicare gli oggetti e gli archi che esprimono le relazioni tra questi oggetti

Reti semantiche

• Gli oggetti del mondo sono nodi di un grafo

• I nodi sono organizzati in una struttura tassonomica

• Gli archi tra i nodi rappresentano relazioni binarie di diversa tipologia

Forma di rappresentazione prossima alla modalità umana.

Reti semantiche

Problemi:Imprecisa natura delle reti semantiche legata al fatto

che non si distingue tra nodi che rappresentano classi e nodi che rappresentano oggetti individuali

Soluzioni:Distinguere le relazioni di appartenenza:• Is-a (elemento / istanza di una classe

kiwi isa Kiwi)• a-kind-of (sottoclasse Kiwi a-kind-of Frutta)

Reti semantiche e Prolog

is-a di un elemento m con la classe c è rappresentato dal fatto c(m)

a-kind-of di una sottoclasse c con una superclasse s è rappresentato da s(X):-c(X)

Reti semantiche

Necessità di etichettare e direzionare gli archi per identificare univocamente la relazione

• Mario compra una barca

versus

• Una barca è comprata da Mario

Reti semantiche

Permettono di gestire la semantica di una frase del linguaggio naturale distinguendo nel discorso

Struttura superficiale

da

Struttura profonda

Reti semantiche ed Ereditarietà

Nelle reti semantiche è possibile effettuare una forma particolare di inferenza, detta “ereditarietà”

Se un oggetto appartiene ad una classe, esso eredita tutte le proprietà di quella classe

L’ereditarietà si applica anche ai link di tipo a-kind-of

Una sottoclasse eredita (per ciascun suo elemento) tutte le proprietà della superclasse

Reti semantiche

L’uso delle reti semantiche (in cui i nodi rappresentino azioni individuali e gli archi rappresentino oggetti aventi ruoli diversi in tali azioni) permette di costruire grafi complessi per rappresentare scenari completi

Rappresentazione di frasi complesse ed articolate

Reti semantiche e sintassi

Tutte le frasi possono essere analizzate come se fossero un’azione con un certo numero di oggetti che assumono ruoli specifici (archi) a seconda della posizione nella frase.

Una volta definiti, i grafi di una frase assumono, però, valore generale e quindi indipendentemente dalla lingua a partire dalla quale sono stati generati.

Reti semantica e sintassi dei casi

Esempio: dare

Atto del dare qualcosa a qualcuno: prevede un nodo che esprime l’atto del dare, un nodo che esprime la specifica azione del dare e poi lo specifico donatore, lo specifico ricevente e lo specifico oggetto dato.

Ogni arco esprime una relazione specifica dell’atto

Sintassi dei casi

Rete semantica – es. dare

Dare

Dare 1

Mario Maria Libro 1

Libro

DonatoreRicevente

Dono

is-a

is-a

Reti semantiche e Tempo

• Si possono avere anche archi che rappresentano relazioni temporali

• Se due azioni diverse puntano allo stesso nodo tempo, il tempo delle due azioni può essere considerato contemporaneo (si ipotizza che le azioni accadono istantaneamente)

Reti semantiche

Fare inferenza da una rete semantica prevede la ricerca di cammini particolari (ogni arco attiva cammini soddisfacenti domande diverse)

Frames

Dall’inglese (frame= cornice, quadro) deriva il modo d’uso

Mettendo insieme fatti riguardo a particolare tipi di oggetti ed eventi, quindi ordinandoli in una grande gerarchia tassonomica, si ottiene un approccio molto più strutturato delle reti semantiche

Frames Si definisce un numero prefissato di slot per

rappresentare gli attributi di un oggetto (invece di avere un numero imprecisato di archi uscenti da un nodo)

Ogni oggetto è un membro / istanza di una classe cui è collegato da un link is-a

La classe indica il numero di slot validi a livello di classe ed il nome di ciascuno slot

Frames ed Ereditarietà

Quando uno slot assume un valore a livello di classe, esso rappresenta un attributo comune a tutti i membri di quella classe

Quando uno slot assume un valore a livello di istanza, esso rappresenta un valore proprio dell’istanza che può assumere valori diversi per altre istanze

Frames

Frames ed Ereditarietà

Regole:Un oggetto è un’istanza di una classe se è membro

di una classe che è sottoclasse della prima classe

Una classe è sottoclasse di un’altra classe se è un tipo di quella classe o se è un tipo di un’altra classe che è sottoclasse della prima

Un oggetto ha un attributo particolare se ha quell’attributo di per sé o se è un’istanza di una classe che ha quell’attributo

Frames e Deafault reasoning

L’attributo di una classe viene ereditato solo se esso non è cancellato o superato (overriden) dallo stesso slot attribuito che occorre in una sottoclasse, oppure in una istanza individuale, con un valore diverso

Frames ed Ereditarietà multipla

Un oggetto può essere istanza di più di una classe, così come una classe può essere sottoclasse di più di una superclasse

L’ereditarietà multipla permette di ereditare le caratteristiche di tutte le

superclassi di appartenenza (anche in contraddizione tra loro)

In caso di contraddittorietà, è necessario modificare gli algoritmi di ricerca

Frames ed ereditarietà multipla

Large tree

B C

A

D

E p v

Frames ed ereditarietà multipla

Supponiamo che p sia una proprietà solo della classe E.

L’algoritmo di ricerca (della proprietà p per la classe D) più appropriato sarà quello in ampiezza invece di quello in profondità.

Script

Gli script implementano l’idea di: rappresentare azioni ed eventi usando una rete

semanticaOvvero l’intero insieme di azioni coincide con la

descrizione di cammini stereotipali

Gli script fanno uso dell’idea di default dove alla classe sono associate le regole di una qualche azione ed all’istanza di una classe corrispondono le istanze delle azioni

Script / storie

Analogo alla descrizione di storie

L’idea è che l’informazione è fornita per punti generali ed associata alla classe

Sarà possibile rispondere ad una molteplicità di domande correlando i punti generali ad un unico tema condiviso per quella specifica domanda

Interazioni con una base di conoscenza

Aggiunta di un fatto nuovo alla base di conoscenza

Derivare le implicazioni conseguenti l’inserimento (aggiunta) di un fatto nuovo in una base di conoscenza

Verifica che una interrogazione sia implicata da una base di conoscenza

Decidere se una interrogazione è contenuta esplicitamente nella base di conoscenza

Rimozione di un fatto da una base di conoscenza