Arquitetura e
Modularização de
Ontologias
Ricardo de Almeida Falbo
Engenharia de Ontologias Departamento de Informática
Agenda
• Arquitetura Ontológica
• Modularização de Ontologias
Arquitetura Ontológica
• Refere-se à estruturação de (grandes) ontologias, ou de maneira mais abrangente, como ontologias podem ser
organizadas em um espaço ontológico (p.ex., em uma rede de ontologias) (Obrst, 2010).
Modularização de Ontologias
• Aspecto chave para a definição da arquitetura
ontológica
• Por que modularizar uma ontologia?
– Facilitar o desenvolvimento e a manutenção – Facilitar o reúso de partes da ontologia
– Melhorar o desempenho (sobretudo de inferência)
• Como modularizar uma ontologia?
– Não há uma maneira universal de se modularizar uma ontologia. Modularização realizada durante o levantamento de requisitos Modularização realizada durante o design (d’ Aquin, 2012)
Modularização de Ontologias
• Refere-se à atividade de identificar um ou mais módulos em
uma ontologia.
• O objetivo é obter um módulo ou um conjunto de módulos
a partir de uma ontologia, que satisfaça uma particular aplicação ou cenário.
• Considera-se um módulo uma subparte de uma ontologia
que seja significativa e autocontida.
• Há duas abordagens principais de modularização de
ontologias:
– Particionamento de Ontologias – Extração de Módulo de Ontologia
Particionamento de Ontologias
• Dividir a ontologia em partes (sem sobreposição).
• O resultado não deve ser simplesmente uma coleção de
módulos, mas deve incluir também relações de dependência entre módulos.
Particionamento de Ontologias
• Relação de Dependência
– Um módulo M1 depende de M2 se há pelo menos uma entidade (conceito, relação, propriedade, axioma) em M1 cuja definição ou descrição depende de alguma entidade de M2.
• Se M1 depende de M2, então M1 deve importar M2.
Particionamento de Ontologias
• A estrutura resultante não deve ser grafo direcionado arbitrário.
• d Aquin aponta as seguintes regras a serem respeitadas:
– Regras relativa à estrutura:
• Regra 1: Não haver ciclos (dependência bidirecional)
(d’ Aquin, 2012) R1
Particionamento de Ontologias
• A estrutura resultante não deve ser grafo direcionado arbitrário.
• d Aquin aponta as seguintes regras a serem respeitadas:
– Regras relativa à estrutura:
• Regra 1: Não haver ciclos (dependência bidirecional)
• Regra 2: Não haver dependência transitiva, i.e., se um módulo M1 reutiliza outro M2, M1 não deve reusar direta ou indiretamente outros módulos dependentes de M2.
(d’ Aquin, 2012) R2
Particionamento de Ontologias
– Regras relativas à facilidade de manipulação:
• Regra 3: Tamanho dos módulos
• Regra 4: Intraconectividade (entidades de um módulo têm de estar conectadas a outras entidades do mesmo módulo).
Particionamento de Ontologias
• Alguns métodos de particionamento de ontologias são
focados em aspectos relacionados a raciocínio (inferência).
– Método de MacCartney et al. (2003): visa melhorar a
eficiência dos algoritmos de inferência, tornando o raciocínio local.
– Método de Cuenca Grau et al. (2005): visa preservar a
completeza do raciocínio local dentro de todos os módulos criados.
Extração de Módulo
• Consiste em extrair uma subparte (o módulo) que cubra um
particular subvocabulário.
• Dada uma ontologia e um conjunto de termos da ontologia,
um mecanismo de extração de módulo identifica um
módulo que se supõe ser a parte relevante que cobre o sub-vocabulário.
• É uma tarefa mal definida. É muito dependente de um
cenário de aplicação específico.
Abordagem Geral para Modularização de
Ontologias
(d’ Aquin, 2012)
Ontologia
Definir quais as razões para modularizar a ontologia e quais os benefícios esperados. Benefícios comumente considerados:
• Melhorar desempenho (raciocínio)
• Facilitar desenvolvimento e manutenção • Facilitar reúso de partes da ontologia • Facilitar a customização para aplicações particulares.
Abordagem Geral para Modularização de
Ontologias
(d’ Aquin, 2012)
Ontologia
Há duas abordagens principais para a modularização de ontologias:
• Particionamento de ontologias: aplicar quando o propósito da modularização está relacionado à ontologia inteira (p.ex., facilitar a manutenção).
• Extração de ontologias: aplicar quando o propósito estiver relacionado com a extração de partes específicas da ontologia.
Abordagem Geral para Modularização de
Ontologias
(d’ Aquin, 2012)
Ontologia
Definir as características básicas que os módulos resultantes devem apresentar. • Critérios lógicos: úteis, em especial, se o propósito for melhorar o desempenho de
raciocínio. Incluem correção e completeza locais.
• Critérios estruturais: relacionados à estrutura da ontologia modularizada. Incluem tamanho,
distância intra-módulo de termos.
• Critérios de qualidade: relacionados à qualidade do módulo. Incluem coesão, cobertura de domínio etc.
• Relacionamentos entre módulos etc.
A escolha dos critérios adequados para serem aplicados é fortemente dependente de uma situação particular e deve ser
Abordagem Geral para Modularização de
Ontologias
(d’ Aquin, 2012)
Ontologia
Selecionar as técnicas mais apropriadas em função dos critérios a serem aplicados
Abordagem Geral para Modularização de
Ontologias
(d’ Aquin, 2012)
Ontologia
Dependendo da técnica selecionada no passo anterior, pode haver vários parâmetros
requeridos.
P.ex., extração de módulos geralmente requer identificar um sub-vocabulário da ontologia original.
Particionamento pode requerer indicações de tamanho mínimo e máximo dos módulos.
Abordagem Geral para Modularização de
Ontologias
(d’ Aquin, 2012)
Ontologia
Toda vez que um novo conjunto de módulos é produzido, é necessário integrá-lo com os módulos produzidos nas iterações anteriores:
• Se alguns módulos forem muito pequenos ou logicamente incompletos e a nova iteração produzir módulos complementares, então os resultados podem ser fundidos (merge).
• Se na nova iteração critérios ainda não
explorados forem considerados, pode-se elaborar a parte comum de ambos os resultados.
Operações para combinar módulos
(interseção, união, diferença) podem ser usadas para derivar novos módulos.
Abordagem Geral para Modularização de
Ontologias
(d’ Aquin, 2012)
Ontologia
A avaliação da modularização define se uma nova iteração será necessária.
A modularização pode ser avaliada de duas maneiras:
• Checando os critérios definidos (e
eventualmente definindo novos, caso nova iteração seja necessária)
• Checando se a modularização obtida realmente leva às melhorias esperadas.
Em diferentes iterações, apenas o propósito da modularização deve ser mantido o
Abordagem Geral para Modularização de
Ontologias
(d’ Aquin, 2012)
Ontologia
Passo final para fazer ajustes visando a liberação da ontologia modular ou
Arquitetura Ontológica
• Uma arquitetura ontológica mais robusta deve levar em
conta o nível de generalidade das ontologias envolvidas, organizando o espaço ontológico em camadas: camada de fundamentação (ontologia(s) de fundamentação), camada core (core ontologies) e camada de domínio (ontologias de domínio).
Arquitetura Ontológica
• Problema: O que colocar em cada camada?
Ontologias de Fundamentação
mais geral mais específica
Ontologias de Domínio UFO-A/B DOLCE Ontologia de Administração de Condomínio Core Ontologies UFO-C UFO-S SPO
EO SwO RSRO RRO GORO
Arquitetura Ontológica
Arquitetura Ontológica
• Combinação de Camadas e Partições
• O que colocar em cada camada ou partição é uma decisão
do engenheiro de ontologias.
• As diretrizes apresentadas anteriormente são um bom guia,
mas requerem decisões do engenheiro de ontologias.
• Em domínios ricos em processos, um particionamento por
Arquitetura Ontológica
Core Layer
Foundational Layer
SEON – Versão em Discussão
UFO-A UFO-B UFO-C EO COM SPO Domain Layer SwO RSRO GORO
A Fase de Design
• Tem por objetivo fazer uma ponte entre os modelos
conceituais das ontologias de referência e a sua codificação em uma linguagem de ontologias operacionais (p.ex., OWL).
• Requisitos – Atividades Pré-Design:
– Levantamento de Requisitos Não Funcionais relativos à ontologia operacional a ser produzida
– Definição da Plataforma de Implementação
• Atividades de Design:
– Design da Arquitetura da Ontologia – Design Detalhado
A Fase de Design
Technical Non-Functional Requirements Elicitation Implementation Environment Definition Architectural Design Detailed Design Reference Ontology Ontology Design Specification Design Ontology Engineer Ontology Designer Operational Ontology Ontology Programmer ImplementationAtividades Pré-Design
• Avaliar usos pretendidos relativos à operacionalização da ontologia, de modo a nortear a escolha da plataforma de implementação.
• Levantamento de Requisitos Não Funcionais relativos à
ontologia operacional:
– Considerar aspectos relacionados à modularização, integração e extensibilidade da ontologia operacional
– RNFs relativos a propriedades computacionais, tal como desempenho no raciocínio
Atividades Pré-Design
• Definição da Plataforma de Implementação:
– Problema: expressividade da linguagem versus satisfação de RNFs computacionais.
– Muitas vezes é possível escolher a plataforma que melhor atende à combinação de expressividade e facilidade de satisfação dos RNFs identificados.
– Contudo, nem sempre isso é possível. Muitas vezes a
plataforma de implementação é estabelecida a priori e não pode ser alterada. Neste caso, a própria plataforma de
implementação vai impor um conjunto de RNFs para a ontologia operacional.
• Assim, as atividades pré-design são fortemente
Atividades Pré-Design
• Plataforma de Implementação:
– Linguagens de representação de ontologias operacionais (OWL, RDF(S), F-Logics, Alloy etc.) ou eventualmente até
usando outras linguagens não dedicadas a ontologias (p.ex., Java).
– Raciocinadores (Reasoners): p.ex., Pelet, Racer, FaCT++, HermiT, Jena etc.
– Armazenamento de dados (incluindo instâncias): arquivos, bancos de dados (de triplas) etc.
Design Detalhado
• Resolver problemas de diferenças de expressividade das
linguagens (p.ex., OntoUML e linguagem operacional)
• Problemas relacionados com desempenho no raciocínio:
ontologias pesadas x ontologias leves (heavyweight x
lightweight ontologies)
• Aplicação de Ontology Design Patterns (Logical OPs e
Reasoning OPs) e Ontology Idioms (relativos à linguagem operacional escolhida)
Implementação da Ontologia
• Codificação na linguagem operacional escolhida (p.ex.,
OWL)
• Em alguns aspectos, a fronteira entre o projeto detalhado e a implementação não é clara. Assim, a solução de
problemas e a aplicação de ontology design patterns / idioms pode se dar no contexto da implementação.
