Modulo3 Ontology engeenering: metodologie UNIVERSITA’ DI CAMERINO Corso di laurea in Informatica (classe 23/S) Barbara Re barbara.re@unicam.it Anno Accademico 2007-08

Agenda Ontology engeenering: metodologie (panoramica) METHONTOLOGY NEON Methodology Tool di supporto: NEON Toolkit

Ontology engeenering: metodologie (panoramica)

Ontology engeenering Fa riferimento all’insieme di attività che riguardano il processo di costruzione dell’ontologia, il ciclo di vita dell’ontologia, il metodo e la metodologia per la costruzione dell’ontologia ed i tool ed i linguaggi che lo supportano

Problematiche Quali sono le attività coinvolte nel processo di sviluppo dell’ontologia? Quali sono gli obiettivi di ciascuna attività? Quando vanno eseguite le varie attività? Dove sono le relazioni tra le varie attività? Dove è possibile trovare le ontologie al fine di riutilizzarle? Come posso utilizzare l’ontologia nella mia applicazione?

Overview Solitamente - lo sviluppo dell’ontologia parte dell’acquisizione di conoscenza fino all’implementazione senza seguire una serie di passi definiti a priori Problemi Il modello concettuale dell’ontologia è implicito nel codice Il commitment ontologico ed i criteri di design sono impliciti ed espliciti nel codice Esperti di dominio ed utenti finali non sono in grado di comprendere l’ontologia formale codificata attraverso il linguaggio Il risultato della codifica è solitamente affrettato La preferenza di codificare l’ontologia in uno specifico linguaggio con propria espressività influenza lo sviluppo dell’ontologia stessa Nello sviluppo dell’ontologia può risultare difficile capire il punto iniziale focalizzando sul riuso di altre ontologie I tool di supporto si focalizzano sull’implementazione piuttosto che su questioni di design

Attività nello sviluppo di ontologie Project management activities Assicura uno sviluppo corretto dell’ontologia includendo attività di planning, controllo e garanzia sulla qualità del prodotto finale Development oriented activities Sviluppo corretto dell’ontologia attraverso la specifica, la concettualizzazione, la formalizzazione, l’implementazione ed il mantenimento di task Integral activities Supporta lo sviluppo di attività orientate allo sviluppo Acquisizione di conoscenza, integrazione, valutazione, documentazione e gestione della configurazione

Metodologie Cyc method Uschold and King’s method Grüninger and Fox’s methodology KACTUS approach METHONTOLOGY SENSUS method On-To-Knowledge DILIGENT Dynamic Contextualized Collaboration Nessuna prende in considerazione le tre dimensioni simultaneamente

Uschold and King’s method Lo scopo è quello di definire una metodologia di scheletro per la costruzione di ontologie Fasi - Identificare lo scopo e l’estensione dell’ontologia Costruire l’ontologia (la conoscenza può partire da ontologie preesistenti) catturare codificare integrare Valutare l’ontologia Documentare l’ontologia Vanno fornite linee guida per ciascuna di queste fasi

Fase 1 – Identificare lo scopo e l’estensione dell’ontologia Perché è stata costruita l’ontologia? Per quale fine si intende utilizzare? Ontologia per la strutturazione della base di conoscenza Ontologia come parte della base di conoscenza … Identificare e caratterizzare gli utenti – sviluppatori, mantenitori ed utilizzatori Valutare se è possibile disegnare uno scenario dettagliato Definire le question che l’ontologia deve essere in grado di rispondere Introdurre termini e concetti fondamentali su cui accordarsi

Fase 1 Individuare il linguaggio Individuare approcci alla cattura Potenza espressiva Trasportabilità Flessibilità … Individuare approcci alla cattura Completezza – Copertura Livello di dettaglio Curva di apprendimento Un’attività centrale in questa fase è l’identificazione degli aspetti del mondo reale di interesse per definire e creare termini e riferirsi ad essi Si lavora per definire una categorizzazione di oggetti fondati sull’universo d’interesse

Fase 2 - cattura La cattura è indipendente dal linguaggio che utilizzo e permette di creare un modello di dominio Per cattura si intendono le seguenti attività Identificare i concetti chiave e le relazioni nel dominio di interesse Produrre precisi e non ambigui definizioni per concetti e relazioni Identificare termini da riferire a tali concetti e relazioni Individuare un certo livello di accordo per gli elementi sopra menzionati

Fase 2 – codifica & integrazione Si intende una esplicita rappresentazione di una concettualizzazione attraverso uno specifico linguaggio Attraverso brainstorming e lavori di gruppo La codifica dipende dall’espressività del linguaggio e può essere vista come Cattura and coding Cattura after coding L’integrazione permette di chiedersi se e come utilizzare ontologie che già esistano integrazione

Lettura Uschold M. "Towards a Methodology for Building Ontologies" Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing, held in conduction with IJCAI-95, 1995. http://citeseer.ist.psu.edu/uschold95toward.html  

Grüninger and Fox’s methodology Basata sull’esperienza di costruire un’ontologia per la modellazione di una impresa, la quale include una serie di ontologie per la modellazione di componenti di impresa Basata sull’esperienze di costruire un’ontologia che modella l’impresa all’interno del framework contestualizzato nel progetto TOVE Costruisce un modello logico per la conoscenza da introdurre nell’ontologia (questo modello non è costruito direttamente) Le specifiche dell’ontologie sono costruite informalmente specificando un insieme di competence question Specifica delle competence question in predicati del primo ordine Le competence question sono alla base di una caratterizzazione rigorosa della conoscenza che l’ontologia deve coprire oltre alla specifica del problema oltre a definirne una buona soluzione Attraverso un meccanismo di composizione e decomposizione le competence question e le sue risposte possono essere utilizzate per rispondere a competence question di altre ontologie garantendo un certo livello di integrazione

Fasi 1. Stabilire dei scenari motivati sull'ontologia 2. Definire domande di competenza informali 3. Specifica in un linguaggio formale e della relativa terminologia 4. Definire domande di competenza formali 5. Specifica degli assiomi 6. Definizione di completezza dei teoremi

Alcuni stralci… Activity Ontology Organization Ontology Temporal projection Dato un insieme di azioni che occorrono a differenti momenti quali sono le proprietà delle risorse e delle attività necessarie in un istante temporale preciso? Planning and Scheduling Quale sequenza di attività deve essere completata per raggiungere uno specifico obiettivo? A quale istante deve iniziare e terminare? Execution monitoring and external events Quali sono gli effetti dell’occorenza di un evento esterno ed inaspettato? Time based competition Cosa fare e come per massimizzare e minimizzare i vincoli Organization Ontology Quali attività devono essere svolte da un particolare agente in una data situazione Per raggiungere un obiettivo …

Lettura Michael Grninger, Mark S. Fox, "Methodology for the Design and Evaluation of Ontologies",P roceedings of IJCAI'95, Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing, April 13, 1995 http://citeseer.ist.psu.edu/grninger95methodology.html

METHONTOLOGY Development Process: Which activities Life Cycle: Order of activities Intra-ontology dependencies Inter-ontology dependencies Methodologies: How to carry out the activities Input and outputs Methods, tasks, techniques, tools Who, When, What, How, Where, Which Essa include l’identificazione del processo di sviluppo dell’ontologia e propone un ciclo di vita della metodologia stessa. Il processo di sviluppo dell’ontologia identifica quali task dovrebbe sviluppare quando si costruisce l’ontologia Il ciclo di vita è basato sull’evoluzione di prototipi che identificano il livello attraverso cui l’ontologia passa durante la sua vita Infine la metodologia stessa specifica i passi da compiere per sviluppare ciascuna attività, le tecniche usate, i prodotti da produrre e come esse devono essere valutate

METHONTOLOGY La fase principale nel processo di sviluppo dell’ontologia per quel che riguarda METHONTOLOGY è la fase di concettualizzazione Durante la specifica e la concettualizzaione un processo di integrazione è completato usando ontologie interne o esterne Il framework è parzialmente supportato da un ambiente software – Ontology Design Environment Molti sono i casi di studio che utilizzano tale metodologia CHEMICAL - un ontologia per il dominio chimico Environment pollutants components – rappresenta il metodo di determinare vari elementi d iinquinamente di varie fonti: acqua aria petrolio The Reference Ontology – un’ontologia che gioca il ruolo di pagine bianche per l’ontologia

Metodologie a confronto Tutte le metodologie presentate iniziano dall’identifazione dello scopo dell’ontologia e necessitano di acquisizione della conoscenza Una volta acquisita la conoscenza Uscholds propone la codifica in un linguaggio formale METHONTOLOGY propone l’espressione della conoscenza attraverso rappresentazioni intermedie Le ontologie sono codificate attraverso traduttori Garantiscono di superare il gap tra come le persone vedono il dominio ed i linguaggi con cui le ontologie sono formalizzate Si fornisce una approccio users-friendly sia per l’acquisizione di conoscenza che la valutazione di informatici ed esperti del dominio che non sono ingegneri della conoscenza

Metodologie a confronto – fase di valutazione Uscholds propone questa fase ma non introduce come dovrebbe essere sviluppata Gruninger and Fox propone di identificare un insieme di competence question una volta che l’ontologia è stata specificata formalmente essa viene confrontata con le competence question individuate METHONTOLOGY propone la fase di valutazione in tutta la linea di vita del processo di sviluppo dell’ontologia La maggior parte del processo di valutazione è fatto nella fase di concettualizzazione

NEON Methodology Dynamic Contextualized Collaboration http://www.neon-project.org/web-content/

Overview Analisi del dominio Costruzione dell’ontologia Introduce terminologia e dipendenze complesse tra differenti parti Serve come mediatore tra dati di differenti sorgenti Integrazione di elementi esistenti La modellazione di conoscenza come regole

Life Cycle Models and Life Cycles in Ontological Engineering An ontology life cycle model is the framework (waterfall, evolving prototyping, spiral, etc.), selected by each using organization, on which to map the activities identified in the ontology development process. The ontology life cycle is the specific sequence of activities that the ontology practitioners carry out for developing an ontology. Example: three ontology life cycles based on the waterfall model

Several Ontology Life Cycle Models are possible Assumption: Ontology requirements are known at the begining of the ontology development project. Waterfall ‘V’ Model Assumption: Ontology requirements can be not known at the begining of the ontology development project and can change during the project. Evolutionary Prototyping Rapid Throwaway Prototyping Assumption: Uncertainties in the ontology requirements can derive into risks in the project. Spiral

Pure waterfall life cycle model The waterfall life cycle model has a lineal order in the transitions between phases, with a review for each phase. It is not possible to pass to the following phase until the current one has been not completed. This model permits to backtrack to previous phases if errors or mistakes are detected The use of such a model encourages the developer to specify what the system is supposed to do before building the system and to plan how components are going to interact before building the components

V life cycle model Sequential path of execution of processes, where each phase must be completed before the next phase begins This model explicitly includes the observation that the result of each development task must be verified in a corresponding test task This life cycle model gives emphasis to the validation of the products in each phase

Incremental Model The system, specified in the requirement documents, is divided into functional subsystems, which are completely developed in different cycles Each cycle follows the waterfall model The system development starts with a small functional subsystem which is fully developed Following this model, the software development process begins with the most essential functionalities and continues and ends with the less important ones The two main advantages of this approach are: accelerated delivery of customer services and user engagement with the system

Iterative model This life cycle model has as purpose to reduce the risk between the user needs and the final product; it consists in the iteration of several waterfall life cycles At the end of each iteration, an improved or refined version of the software product is delivered to the user

Spiral Life Cycle Model The evolutionary prototyping model is based on the assumption that it is often difficult to know all the system requirements at the beginning of a project and that the requirements can change during the project life.

Identify the user needs. How software developers and ontology practitioners select the ontology life cycle model and the particular ontology life cycle for developing his/her ontology? Proposed steps: Identify the user needs. Select the ontology life cycle model to be used. Select activities from the “recommended and if-applicable” activity table. Map the selected activities into the selected ontology life cycle model: the result is the ontology life cycle for the user needs.

Decission Tree for Selecting your Ontology Life Cycle Model Do you think that ontology requirements will change during the ontology project? No Yes Do you want to produce intermediate results? Do you want to include risk control in your project? No Yes No Yes Waterfall V-Model Incremental Model Iterative Model Evolutionary Prototyping Rapid Throwaway Prototyping Spiral

Decission Tree for Selecting your Ontology Life Cycle Model Do you think that ontology requirements will change during the ontology project? No Yes Do you want to produce intermediate results? Do you want to include risk control in your project? No Yes No Yes Waterfall V-Model Incremental Model Iterative Model Evolutionary Prototyping Rapid Throwaway Prototyping Spiral

Decission Tree for Selecting Activities to be mapped in the Ontology Life Cycle Model Have you built at least 5 ontologies? No Yes Set of questions for identifying the ‘if-applicable’ activities needed. Do you need the ontology in different idioms?  O. Localization. Do you plan to use lexicons and thesauries as a resource for building your ontology?  Resource reengineering. The developer selects the activities needed from the ‘recommended and if-applicable activity table’ Selected Activities O. Reuse O. Searching If Applicable O. Assessment O. Selection O. Conceptualization Recommended X O. Evaluation O. Verification O. Validation O. Localization Automatically

Scenarios in the ontology life cycle Thesauries DB Lexicons Resources Knowledge Resource Reuse Study Reengineering 2 3 Ontology Reuse Study: (Searching, Evaluation/Assesment, Selection) O. Repositories Flogic RDF(S) OWL Ontology Reengineering: ( Reverse Engineering, Reestructuration Forward Engineering) 4 O. Alignment O. Merge 5 6 7 Maintain Use O. Assessment 10 Ontology Development O. Specification O. Conceptualization O. Implementation O. Formalization 1 RDF(S) Flogic O. Localization 9 Ontology Reestruturation (Pruning, Extension, Specialization, Modularization) 8 OWL Ontology Support Activities: Elicitation; Documentation; Configuration Management; Evaluation (V&V) 1,2,3,4,5,6,7,8,9

Waterfall Management activities Scheduling Control Quality assurance Development activities Support activities Ontology Support Activities: Elicitation; Documentation; Configuration Management; Evaluation (V&V)

Incremental Model Management activities Scheduling Control Quality assurance Development activities Support activities Ontology Support Activities: Elicitation; Documentation; Configuration Management; Evaluation (V&V)

Iterative Ontology Network Life Cycle O. Needs ++KA +Doc O. Reuse (Searching, Assesment/Evaluation, Selection) +KA +Doc O. Specification O. Assesment +Doc O. Conceptualization O. Implementation +Eval +Doc ++KA ++Eval +Doc

Tool di supporto: NEON Toolkit http://www.neon-toolkit.org/

Main part Neon Toolkit supporta tutte le fasi di creazione dell’ontologia Ontology navigator Entity Property view Instance view Properties view

NeOn Reading NeOn Toolkit Developer's Guide neon_developers_guide.pdf, 365 Kb http://www.neon-toolkit.org/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=6

Riuso – es: time

Riuso es: location

Riuso es: unit

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