Modulo3 Modulo3 Ontology engeenering: metodologieOntology engeenering: metodologie

UNIVERSITA’ DI CAMERINOCorso di laurea in Informatica (classe 23/S)

Barbara Rebarbara.re@unicam.it

Anno Accademico 2007-08

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Agenda

Ontology engeenering: metodologie (panoramica)

METHONTOLOGY

NEON Methodology

Tool di supporto: NEON Toolkit

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Ontology engeenering: metodologie (panoramica)

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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

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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?

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Overview

Solitamente - lo sviluppo dell’ontologia parte dell’acquisizione di conoscenza fino all’implementazione senza seguire una serie di passi definiti a priori

ProblemiIl modello concettuale dell’ontologia è implicito nel codiceIl commitment ontologico ed i criteri di design sono impliciti ed espliciti nel codiceEsperti di dominio ed utenti finali non sono in grado di comprendere l’ontologia formale codificata attraverso il linguaggioIl risultato della codifica è solitamente affrettatoLa preferenza di codificare l’ontologia in uno specifico linguaggio con propria espressività influenza lo sviluppo dell’ontologia stessaNello sviluppo dell’ontologia può risultare difficile capire il punto iniziale focalizzando sul riuso di altre ontologieI tool di supporto si focalizzano sull’implementazione piuttosto che su questioni di design

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Attività nello sviluppo di ontologie

Project management activitiesAssicura uno sviluppo corretto dell’ontologia includendo attività di planning, controllo e garanzia sulla qualità del prodotto finale

Development oriented activitiesSviluppo corretto dell’ontologia attraverso la specifica, la concettualizzazione, la formalizzazione, l’implementazione ed il mantenimento di task

Integral activitiesSupporta lo sviluppo di attività orientate allo sviluppoAcquisizione di conoscenza, integrazione, valutazione, documentazione e gestione della configurazione

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Metodologie

Cyc method Uschold and King’s method Grüninger and Fox’s methodology KACTUS approach METHONTOLOGY SENSUS method On-To-Knowledge DILIGENT

Nessuna prende in considerazione le tre dimensioni simultaneamente

Dynamic

Collaboration

Contextualized

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Uschold and King’s method

Lo scopo è quello di definire una metodologia di scheletro per la costruzione di ontologie

Fasi -1. Identificare lo scopo e l’estensione dell’ontologia2. Costruire l’ontologia

(la conoscenza può partire da ontologie preesistenti)catturarecodificare integrare

3. Valutare l’ontologia4. Documentare l’ontologia

Vanno fornite linee guida per ciascuna di queste fasi

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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 conoscenzaOntologia 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 rispondereIntrodurre termini e concetti fondamentali su cui accordarsi

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Fase 1

Individuare il linguaggio Potenza espressivaTrasportabilitàFlessibilità…

Individuare approcci alla catturaCompletezza – CoperturaLivello 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

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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 attivitàIdentificare i concetti chiave e le relazioni nel dominio di interesseProdurre precisi e non ambigui definizioni per concetti e relazioniIdentificare termini da riferire a tali concetti e relazioniIndividuare un certo livello di accordo per gli elementi sopra menzionati

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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 codingCattura after coding

L’integrazione permette di chiedersi se e come utilizzare ontologie che già esistano

codifica

integrazione

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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  

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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

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Fasi

1. Stabilire dei scenari motivati sull'ontologia2. Definire domande di competenza informali3. Specifica in un linguaggio formale e della relativa

terminologia4. Definire domande di competenza formali5. Specifica degli assiomi6. Definizione di completezza dei teoremi

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Alcuni stralci…

Activity OntologyTemporal 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 SchedulingQuale sequenza di attività deve essere completata per raggiungere uno specifico obiettivo? A quale istante deve iniziare e terminare?

Execution monitoring and external eventsQuali sono gli effetti dell’occorenza di un evento esterno ed inaspettato?

Time based competitionCosa fare e come per massimizzare e minimizzare i vincoli

Organization OntologyQuali attività devono essere svolte

da un particolare agente in una data situazionePer raggiungere un obiettivo…

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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

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METHONTOLOGY

Development Process: Which activities

Life Cycle: Order of activities

1. Intra-ontology dependencies

2. Inter-ontology dependencies

Methodologies: How to carry out the activities

1. Input and outputs

2. Methods, tasks, techniques, tools

3. Who, When, What, How, Where, Which

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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 metodologiaCHEMICAL - un ontologia per il dominio chimicoEnvironment pollutants components – rappresenta il metodo di determinare vari elementi d iinquinamente di varie fonti: acqua aria petrolioThe Reference Ontology – un’ontologia che gioca il ruolo di pagine bianche per l’ontologia

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Metodologie a confronto

Tutte le metodologie presentate iniziano dall’identifazione dello scopo dell’ontologia e necessitano di acquisizione della conoscenza

Una volta acquisita la conoscenzaUscholds propone la codifica in un linguaggio formaleMETHONTOLOGY propone l’espressione della conoscenza attraverso rappresentazioni intermedie

Le ontologie sono codificate attraverso traduttoriGarantiscono di superare il gap tra come le persone vedono il dominio ed i linguaggi con cui le ontologie sono formalizzateSi 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

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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

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NEON MethodologyNEON Methodology

Dynamic

Collaboration

Contextualized

http://www.neon-project.org/web-content/

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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

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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

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Several Ontology Life Cycle Models are possible

Assumption: Ontology requirements are known at the begining of the ontology development project.

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.

Waterfall ‘V’ Model

Spiral

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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

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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

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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

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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

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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.

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Proposed steps:

1. Identify the user needs.

2. Select the ontology life cycle model to be used.

3. Select activities from the “recommended and if-applicable” activity table.

4. Map the selected activities into the selected ontology life cycle model: the result is the ontology life cycle for 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?

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Decission Tree for Selecting yourOntology Life Cycle Model

Do you think that ontology requirements will change during the ontology project?

No Yes

Do you want to include risk control in your project?

Do you want to produce intermediate results?

No YesNo Yes

Waterfall

V-Model

Incremental Model

Iterative ModelSpiralEvolutionary Prototyping

Rapid Throwaway Prototyping

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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 include risk control in your project?

Do you want to produce intermediate results?

No YesNo Yes

Waterfall

V-Model

Incremental Model

Iterative ModelSpiralEvolutionary Prototyping

Rapid Throwaway Prototyping

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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. ReuseO. Searching If Applicable

O. Assessment If Applicable

O. Selection If Applicable

O. Conceptualization

Recommended X

O. Evaluation O. Verification Recommended X

O. Validation Recommended X

O. Localization If Applicable X

Automatically

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RDF(S)

OWL

Ontology Development

O. Specification O. Conceptualization O. ImplementationO. Formalization

1

Thesauries

DB DB

Lexicons

Resources

Knowledge ResourceReuse Study

Knowledge ResourceReengineering

2

3

Ontology Reuse Study:(Searching, Evaluation/Assesment, Selection)

O. Repositories

Flogic RDF(S) OWL

Ontology Reestruturation(Pruning, Extension,

Specialization, Modularization)

8

O. Localization

9

Maintain Use

O. Assessment

10

Ontology Support Activities:Elicitation; Documentation; Configuration Management; Evaluation (V&V)

1,2,3,4,5,6,7,8,9

O. Alignment

O. Merge

Ontology Reengineering:( Reverse Engineering, Reestructuration

Forward Engineering)

4

6

7

Scenarios in the ontology life cycle

5

Flogic

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Waterfall

Development activities

Support activities

Management activities

Scheduling Control

Quality assurance

Ontology Support Activities:Elicitation; Documentation; Configuration Management; Evaluation (V&V)

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Incremental Model

Development activities

Support activities

Management activities

Scheduling Control

Quality assurance

Ontology Support Activities:Elicitation; Documentation; Configuration Management; Evaluation (V&V)

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Iterative Ontology Network Life Cycle

O. Specification

O. Needs

++KA +Doc

O. Reuse(Searching,

Assesment/Evaluation, Selection)

+KA +Doc

O. Conceptualization

++KA ++Eval +DocO. Implementation

+Eval +Doc

O. Assesment

+Doc

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Tool di supporto: NEON Toolkit

http://www.neon-toolkit.org/

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Main part

Neon Toolkit supporta tutte le fasi di creazione dell’ontologia

•Ontology navigator•Entity Property view•Instance view•Properties view

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NeOn Reading

NeOn Toolkit Developer's Guideneon_developers_guide.pdf, 365 Kb

http://www.neon-toolkit.org/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=6

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Riuso – es: time

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Riuso es: location

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Riuso es: unit

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Ci sono domande?