TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ________________ BÀI THU HOẠCH CHUYÊN ĐỀ BIỄU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG TÌM HIỂU VIỆC XÂY DỰNG ONTOLOGY VỚI PROTÉGÉ CHUYÊN NGHÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 60 48 01 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:PGS.TS.ĐỖ VĂN NHƠN HỌC VIÊN : ĐỖ THIỆN VŨ_ CH08_1301072 KHOÁ HỌC: 2013 TP.HỒ CHÍ MINH-11/2013 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 2 huật ngữ Tri thức ngày càng được nhiều người nhiều giới nhắc đến. Chúng ta thường nghe nói đến Kinh tế tri thức, Công nghệ tri thức, Xã hội tri thức, Giáo dục hướng tri thức, vv Như vậy hai tiếng TRI THỨC không phải là từ hoa mỹ, thời thượng, mà nó mang tính nghiêm túc, đặc biệt đối với bối cảnh xã hội Việt Nam chúng ta, khi mà chúng ta tỏ ra lạc hậu trong nền kinh tế công nghiệp, kinh tế hàng hóa thì chúng ta hoàn toàn có thể "đi tắt đón đầu" để bắt kịp cộng đồng thế giới trong nền kinh tế tri thức. T Các khái niệm thông tin, dữ liệu và tri thức có liên quan chặt chẽ với nhau và khó mà phân biệt được bằng những định nghĩa rõ ràng. Thông tin là khái niệm chung nhất bao gồm mọi hiểu biết về các sự vật, hiện tượng, quan hệ mà con người thu nhận được qua trực giác, giao tiếp, khảo sát, thực nghiệm, lý giải, nghiên cứu Dữ liệu thường được cho bởi các giá trị mô tả các sự kiện, hiện tượng cụ thể; còn tri thức thường được xem là những hiểu biết có mức độ khái quát nào đó, về các mối quan hệ giữa các thuộc tính, các sự vật, hiện tượng, mang tính “qui luật” ở chừng mực nhất định, mà con người thu được qua từng trải kinh nghiệm, qua phân tích số liệu, qua nghiên cứu, lý giải, suy luận Chúng ta thấy có rất nhiều sự quan tâm đến công nghệ tri thức và rất nhiều nghiên cứu về công nghệ tri thức được đăng trên các phương tiện thông tin như báo chí và trên mạng internet. Chúng ta cũng biết rằng có nhiều phương pháp biểu diễn tri thức như: - Biểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa. - Biểu diễn tri thức bằng Script. - Biểu diễn tri thức sử dụng luật dẫn xuất (luật sinh). - Biểu diễn tri thức bằng Frame. - Biểu diễn tri thức bằng logic vị từ. - Biểu diễn tri thức bằng Ontology. 3 … Trong bài này em sẽ sử dụng phương pháp biểu diễn tri thức bằng Ontology với sự trợ giúp của phần mềm Protégé. CHƯƠNG I. ONTOLOGY 1. Ngôn ngữ Ontology: 1.1. Khái niệm: Từ “Ontology” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp là Ontos, có nghĩa là “đang tồn tại”, và logos, nghĩa là “từ”. Trong triết học, Ontology là sự nghiên cứu, phân loại những sự vật, hiện tượng đang tồn tại trong lĩnh vực cụ thể. Trong lĩnh vực Web có ngữ nghĩa, đã có một số định nghĩa về Ontology. Tuy nhiên, có sự nhất trí trong cộng đồng nghiên cứu về vai trò của Ontology: đưa ra sự hiểu biết chung về một lĩnh vực nào đó. Một số định nghĩa đầy đủ nhất của Ontology như sau: - Mặc dù mang một số hình thức, Ontology luôn chứa một từ vựng và một số đặc tả về ngữ nghĩa. Ontology chứa các định nghĩa và quan hệ giữa các khái niệm, hình thành một cấu trúc lĩnh vực và giới hạn ngữ nghĩa của thuật ngữ trong từ vựng [Uschold and Jasper, 1999] . - Ontology không chỉ là một tập các thuật ngữ và quan hệ về một lĩnh vực mà còn chứa các luật kết hợp các thuật ngữ và quan hệ này để mở rộng từ vựng [Neches et al., 1991]. - Ontology như một đặc tả tường minh của sự “khái niệm hóa” (conceptualization). Ở đây “khái niệm hóa” về cơ bản là ý niệm về thế giới của một người hoặc nhóm người; “tường mình” có nghĩa là kiểu và giới hạn của các khái niệm được định nghĩa tường mình [Gruber, 1993]. 4 - Dựa trên định nghĩa của Gruber, rằng ontology là mô tả hình thức của một sự “khái niệm hóa” được chia sẻ. Trong ngữ cảnh này, “chia sẻ” có nghĩa là tri thức trong Ontology được kết hợp xây dựng, và được chấp nhận bởi một nhóm hoặc một cộng đồng chứ không theo tri thức chủ quan của cá nhân.; “hình thức” liên quan đến vấn đề máy tính có thể xử lý Ontology [Borst, 1997]. - Ontology là sự mô tả hình thức của các thực thể, thuộc tính, quan hệ, ràng buộc và hành vi [Gruninger and Fox, 1995]. - Ontology biểu diễn tri thức về một lĩnh vực, và sẵn có cho tất cả các thành phần khác của hệ thống thông tin [Huhns and Singh, 1997]. - Ontology là một đặc tả của các khái niệm và quan hệ trong lĩnh vực quan tâm. Ontology không chỉ là phân cấp các lớp mà còn mô tả các quan hệ [Weiss, 1999]. - Ontology là bản mô tả hình thức rõ ràng của các khái niệm trong một lĩnh vực, trong đó thuộc tính của mỗi khái niệm mô tả một số tính chất của khái niệm và ràng buộc [Noy and McHuinness, 2001]. - Theo định nghĩa của Hendler năm 2001, Ontology là một tập hợp các thuật ngữ tri thức (knowledge term), bao gồm từ vựng, các quan hệ ngữ nghĩa, và một số luật suy diễn và logic về lĩnh vực chủ đề cụ thể . Các thành phần quan trọng nhất trong định nghĩa này là quan hệ ngữ nghĩa (1) và suy diễn logic (2), trong đó (1) phát biểu rằng Ontology xác định ngữ nghĩa của quan hệ giữa các khái niệm. Ngoài ra, cộng đồng nghiên cứu phân biệt các Ontology dựa trên độ phức tạp của mô hình biểu diễn Ontology. - Lightweight Ontology: chứa các khái niệm, phân cấp khái niệm, mối quan hệ giữa các khái niệm và các thuộc tính mô tả khái niệm. - Heavyweight Ontology: bổ sung vào lighweight Ontology các tiền đề (axioms) và ràng buộc (constraint). Có thể khái quát một số lý do chính để phát triển Ontology như sau: - Nhằm chia sẻ những hiểu biết về kiến trúc thông tin cho mọi người. 5 - Để sử dụng lại các tri thức. - Để tạo ra nguồn dẫn chứng rõ ràng. - Để phân loại miền tri thức từ các tri thức hành động. - Để phân tích miền tri thức. 1.2. Một Ontology tổng quát được mô tả gồm các thành phần sau: Có một số kỹ thuật lập mô hình và biểu diễn Ontology như frames, first-order logic, description logic, các kỹ thuật công nghệ phần mềm, Mặc dù các kỹ thuật này có thể biểu diễn cùng một cơ sở tri thức với các mức độ hình thức và chi tiết khác nhau, Ontology được xây dựng đều có cùng các thành phần cơ bản sau: - Các lớp (class): biểu diễn các khái niệm trong miền lĩnh vực, ví dụ cuốn sách, bài báo, Các lớp thường được tổ chức phân cấp và áp dụng kỹ thuật thừa kế. Phân cấp lớp được biểu diễn theo cây cấu trúc. Theo tính chất đa thừa kế, một lớp có thể có nhiều lớp cha (superclass). Các lớp cũng có thể là cụ thể (concrete) hoặc trừu tượng (abstract). Khác với lớp trừu tượng, lớp cụ thể có các thể hiện trực tiếp. - Thuộc tính (property): mô tả các tính chất của khái niệm. Thuộc tính được phân biệt với quan hệ (relation) dựa trên giá trị là một kiểu dữ liệu (string, number, boolean, ). - Quan hệ (relation): biểu diễn các kiểu quan hệ giữa các khái niệm. Các quan hệ nhị phân được sử dụng để biểu diễn thuộc tính. Tuy nhiên, giá trị của quan hệ khác với giá trị của thuộc tính ở chỗ: giá trị của quan hệ là một khái niệm. - Thể hiện (instance): biểu diễn các thành phần cụ thể, là các thể hiện của một lớp. Các thể hiện mới có thể được tạo và gán giá trị cho thuộc tính và quan hệ. Thường trong các công cụ đồ họa xây dựng ontology, có giao diện nhập dữ liệu khi tạo instance. - Hàm (function): biểu diễn các quan hệ đặc biệt, trong đó, phần tử thứ n là duy nhất đối với n-1 phần tử còn lại. 6 - Tiền đề (Axioms): biểu diễn các phát biểu luôn đúng. Axioms được sử dụng để kiểm chứng sự nhất quán của ontology hoặc cơ sở tri thức. Các khái niệm, quan hệ, thuộc tính và thể hiện được sử dụng để xây dựng các ontology đơn giản (lightweight). Ontology phức tạp (Heavyweight) bổ sung thêm axioms và function từ ontology đơn giản. 2. Các bước xây dựng Ontology: Có nhiều phương pháp khác nhau để xây dựng một Ontology, nhưng nhìn chung cc phương pháp đều thực hiện hai bước cơ bản là: xây dựng cấu trúc lớp phân cấp và định nghĩa các thuộc tính cho lớp. Trong thực tế, việc phát triển một Ontology để mô tả miền cần quan tâm là một công việc không đơn giản, phụ thuộc rất nhiều vào công cụ sử dụng, tính chất, quy mô, sự thường xuyên biến đổi của miền cũng như các quan hệ phức tạp trong đó. Những khó khăn này địi hỏi cơng việc xy dựng Ontology phải l một qu trình lặp đi lặp lại, mỗi lần lặp cải thiện và tinh chế dần sản phẩm chứ không phải là một quy trình khung với cc cơng đoạn tách rời nhau. Ngoài ra, công việc xây dựng Ontology cũng cần phải tính đến khả năng mở rộng miền quan tâm trong tương lai, khả năng kế thừa các hệ thống Ontology có sẵn, cũng như tính linh động để Ontology có khả năng mô tả tốt nhất các quan hệ phức tạp trong thế giới thực. Một số nguyên tắc cơ bản của việc xây dựng Ontology qua các các công đoạn cụ thể sau đây: - Xác định miền quan tâm và phạm vi của Ontology. - Xem xét việc kế thừa các Ontology có sẵn. - Liệt kê các thuật ngữ quan trọng trong Ontology. - Xây dựng các lớp và cấu trúc lớp phân cấp. - Định nghĩa các thuộc tính và quan hệ cho lớp. - Định nghĩa các ràng buộc về thuộc tính và quan hệ của lớp. 7 - Tạo các thực thể cho lớp. Vấn đề cốt lõi của các hệ thống này là xây dựng thành công các lớp và các thuộc tính của cấu trúc Ontology. Chúng ta phải sử dụng mô hình để xây dựng Ontology sao cho cân bằng giữa nhu cầu của miền ứng dụng và xây dựng cơ sở tri thức nhằm thỏa mãn các yêu cầu để giải quyết các vấn đề hay ứng dụng. Các ứng dụng trên Ontology hầu hết được thể hiện ở các dạng hệ chuyên gia (Expert System), web ngữ nghĩa (Symantic Web) và khai phá dữ liệu (data mining). Chúng ta nên chọn phát triển hệ thống ứng dụng theo mô hình hệ chuyên gia là tối ưu nhất. Bước 1, Xác định miền quan tâm và phạm vi của Ontology: Giống như mọi công đoạn đặc tả khác, đặc tả Ontology bắt đầu bằng việc trả lời những câu hỏi mang tính phân tích để nhận diện chính xác các yêu cầu. Thông thường, các yêu cầu đối với một hệ thống Ontology là mô tả miền quan tâm nhằm phục vụ cơ sở tri thức trong việc giải quyết những mục đích chuyên biệt. Do đó, những câu hỏi này thường là: - Ontology cần mô tả miền nào? - Ontology phục vụ cho mục đích chuyên biệt gì? - Cơ sở tri thức trong Ontology sẽ trả lời những câu hỏi gì? - Ontology nhằm vục vụ đối tượng nào? - Ai là người sẽ xây dựng, quản trị Ontology? Sau khi đã phát thảo phạm vi Ontology dựa trên việc trả lời những câu hỏi trên, người thiết kế sẽ trả lời các câu hỏi mang tính đánh giá, qua đó tiếp tục tinh chỉnh lại phạm vi của hệ thống cần xây dựng. Các câu hỏi dạng này thường dựa trên cơ sở tri thức của Ontology và được gọi là câu hỏi kiểm chứng khả năng (competency question): - Ontology đã có đủ thông tin để trả lời cho các câu hỏi được quan tâm trên cơ sở tri thức hay không? 8 - Câu trả lời của cơ sở tri thức đã đáp ứng được mức độ, yêu cầu nào của người sử dụng? - Các ràng buộc và quan hệ phức tạp trong miền quan tâm đã được biểu diễn hợp lý chưa? Bước 2, Xem xét việc kế thừa các Ontology có sẵn: Đây là một công đoạn thường hay sử dụng để giảm thiểu công sức xây dựng một Ontology. Bằng cách kế thừa các Ontology tương tự có sẵn, người xây dựng có thể thêm hoặc bớt các lớp, quan hệ giữa các lớp, thực thể để tinh chỉnh tùy theo mục đích của mình. Ngồi ra, việc sử dụng lại cc Ontology cĩ sẵn cũng rất quan trọng khi cần sự tương tác giữa các ứng dụng khác nhau. Lý do l cc ứng dụng sẽ cần phải hiểu các lớp, thực thể, quan hệ của nhau để thuận tiện trong việc trao đổi hoặc thông nhất thông tin. Vấn đề xây dựng một Ontology mới bằng cách kế thừa các hệ thống có sẵn liên quan đến một bài toán rất phức tạp là trộn (merging) cc Ontology. Tn cc khái niệm được định nghĩa trong các Ontology này có thể giống nhau trong khi chúng được dùng để mô tả các loại vật hoàn toàn khác nhau. Trong khi đó, cũng có thể xảy ra trường hợp ngược lại, khi tên các khái niệm khác nhau nhưng cùng mô tả một sự vật. Và một vấn đề nữa là làm thế nào để bổ sung các quan hệ, thuộc tính có sẵn vào một hệ thống mới. Bước 3, Liệt kê các thuật ngữ quan trọng trong Ontology: Đây là bước rất ích hữu, làm tiền đề cho hai bước tiếp theo là xây dựng cấu trúc lớp phân cấp và định nghĩa các thuộc tính cho lớp. Công đoạn này bắt đầu bằng việc liệt kê tất cả các thuật ngữ xuất hiện trong miền quan tâm (có thể đồng nghĩa hoặc chồng nhau) như tên khái niệm, quan hệ, thuộc tính. Thông thường, các thuật ngữ là danh từ sẽ trở thành các lớp, tính từ sẽ trở thnh thuộc tính, cịn động từ sẽ là quan hệ giữa các lớp. Bước 4, Xây dựng các lớp và cấu trúc lớp phân cấp: 9 Như đ nĩi, đây là một trong hai bước quan trọng nhất của công việc xây dựng một Ontology. Nhiệm vụ của bước này là định nghĩa các lớp từ một số thuật ngữ đ liệt k trong bước 3, sau đó xây dựng cấu trúc lớp phân cấp theo quan hệ lớp cha-lớp con theo các phương pháp phân loại . Lớp ở vị trí càng cao trong cấu trúc này sẽ có mức độ tổng quát càng cao. Vị trí đầu tiên thuộc về lớp gốc, tiếp theo l cc lớp trung gian, v cuối cng l lớp l. Lớp lá là lớp không thể triển khai được nữa và chỉ được biểu hiện bằng các thực thể. Quan hệ giữa thực thể của lớp con với lớp cha nĩ trong mơ hình phn cấp ny l quan hệ “is-a”. Nghĩa l một thực thể của lớp con cũng “l-một” thực thể của lớp cha. Nhìn chung, cĩ nhiều hướng tiếp cận khác nhau cho vấn đề xây dựng cấu trúc lớp phân cấp. Có thể kể ra ba hướng như sau: - Hướng xây dựng từ trn xuống (top-down): Bắt đầu bằng các lớp có mức độ tổng quát cao nhất, sau đó triển khai dần đến lớp lá. - Hướng xây dựng từ dưới lên (bottom-up): Ngược với hướng xây dựng cấu trúc lớp phân cấp từ trên xuống, hướng này bắt đầu bằng việc xác định các lớp được cho là cụ thể nhất, sau đó tổng quát hóa đến khi được lớp gốc. - Cch kết hợp (combination): Cách này kết hợp cả hai hướng xây dựng trên. Đầu tiên chọn các lớp nổi bật nhất trong miền quan tâm, sau đó tổng quát hóa và cụ thể hóa cho đến khi được cấu trúc mong muốn. Bước 5, Định nghĩa các thuộc tính và quan hệ cho lớp: Bản thân các lớp nhận được ở bước trên chỉ mới là những thuật ngữ phân biệt với nhau bằng tên gọi. Về cơ bản, chúng chưa đủ để phục vụ cho việc biểu diễn tri thức. Muốn như vậy, các thuộc tính của lớp cần được định nghĩa. Thuộc tính của lớp là các thông tin bên trong của lớp, mô tả một khía cạnh nào đó của lớp và được dùng để phân biệt với các lớp khác. Thuộc tính được chia làm nhiều loại khác nhau: - Về mặt ý nghĩa, các thuộc tính có thể được chia làm hai loại: thuộc tính bn trong (intrinsic property) v thuộc tính bn ngồi (extrinsic property). Thuộc tính bên 10 [...]... tế tri thức riêng Do do, việc quản lý tri thức được đánh giá rất cao và được đầu tư tương đối lớn Do thời gian hạn hẹp và trình độ còn hạn chế nên việc trình bày em có những thiếu sót nhất định Tuy nhiên bài thu hoạch đã giới thiệu được tri thức là gì và các phương pháp quản lý và biểu diễn tri thức Và cũng đã nói lên được những ngôn ngữ và công cụ để biểu diễn tri thức Tương lai em sẽ hoàn thiện và. .. và xử lý tri thức miền Ontology là trung tâm của rất nhiều ứng dụng như cổng thông tin tri thức khoa học, các hệ 13 thống tích hợp và quản lý thông tin, thương mại điện tử và các dịch vụ web ngữ nghĩa Nền tảng Protégé hỗ trợ hai công cụ để xây dựng mô hình Ontology Trình soạn thảo Protégé- Frame cho phép người sử dụng xây dựng và lưu trữ các Ontology dưới dạng khung theo giao thức kết nối dựa trên tri. .. tiếp vào ứng dụng và là đầu vào cho các thao tác trên Ontology khi cần - Cung cấp đầy đủ chuẩn giao tiếp cho các Plug-in Tuy nhiên, Protégé cũng thể hiện một số hạn chế như không cho phép truy vấn từng phần một cơ sở tri thức dẫn tới việc không quản lý hiệu quả các cơ sở tri thức có kích thước lớn, hoặc chưa hỗ trợ kết nối trực tiếp với một số hệ quản trị cơ sở tri thức phổ biến như Sesame Một Ontology. .. của một cơ sở tri thức và là vấn đề được quan tâm trong lĩnh vực Web ngữ nghĩa 11 CHƯƠNG II XÂY DỰNG ONTOLOGY VỚI PROTÉGÉ 4.3 1 Giới thiệu Protégé Protégé là bộ phần mềm mã nguồn mở Java nổi tiếng Protégé được nghiên cứu và phát tri n từ năm 1998 bởi nhóm nghiên cứu của Mark Musen, ĐH Stanford nhằm quản lý các thông tin trong lĩnh vực sinh y học Đây là dự án được nhận được sự quan tâm và tài trợ từ... Mã nguồn Protégé có thể được tìm thấy tại website: http://protege.stanford.edu/download/protege/4.0/installanywhere Protégé là nền tảng mã nguồn mở miễn phí cho phép cộng đồng người sử dụng bằng các bộ công cụ để xây dựng các mô hình miền và các ứng dụng dựa trên tri thức bằng các Ontology Protégé thực thi các cấu trúc mô hình tri thức phong phú và các hoạt động đó hỗ trợ khởi tạo, hiển thị và điều... trợ khởi tạo, hiển thị và điều khiển các ontology trong các định dạng Protégé có thể được tuỳ biến để cung cấp miền thân thiện hỗ trợ tạo các mô hình tri thức và nhập dữ liệu Hơn nữa Protégé có thể được mở rộng như là một kiến trúc plug-in hoặc một giao diện lập trình ứng dụng dựa trên Java để xây dựng các công cụ dựa trên tri thức và các ứng dụng Các ưu điểm của Protégé là: - Hỗ trợ đầy đủ ba phiên bản... vật là lớp cha của bò sát, bò, kiến… 4 Các bước xây dựng Ontology với Protégé - Xác định Domain - Liệt kê, xác định các concept - Định nghĩa lớp, phân cấp lớp - Xác định thuộc tính và các Restriction - Tạo các thực thể 4.1 Xác định Domain Kiểu phụ thuộc của Ontology, phạm vi Ontology, những người sử dụng sẽ phát tri n mô hình Những thông tin hữu ích Ontology có thể cung cấp 4.2 Liệt kê, xác định các... OWL-Lite và OWL-DL - Nhờ sử dụng mô hình hướng đối tượng của ngôn ngữ Java, Protégé tỏ ra rất hiệu quả trong việc mô hình các lớp, thực thể, quan hệ - Giao diện thiết kế trực quan có tính tương tác cao Người sử dụng có thể định nghĩa các thành phần của Ontology trực tiếp từ các form - Cho phép biểu diễn trực quan Ontology dưới dạng các sơ đồ - Cho phép xây dựng Ontology từ nhiều nguồn khác nhau 12 - Protégé. .. tri thức mở Trong mô hình này một Ontology bao gồm một tập các lớp được tổ chức trong một hệ thống tổng hợp để biểu diễn các khái niệm, một tập các slot liên quan đến lớp mô tả các thuộc tính và các mối quan hệ, và một tập các thể hiện của các lớp này Các thể hiện của các khái niệm lưu giữ các giá trị cụ thể trong các thuộc tính của nó Trình soạn thảo Protégé- OWL cho phép người sử dụng xây dựng các Ontology. .. đổi và mở rộng thêm Xác định thuộc tính liên quan đến các thuật ngữ đó - Ví dụ các thuật ngữ liên quan đến con người có thế là nam, nữ, họ, tên… 17 4.3 Định nghĩa lớp, phân cấp lớp Xác định các lớp và các lớp con của nó Sự phân cấp các lớp dựa vào các giác quan, sự nhận thức và những sự thật hiển nhiên - Ví dụ động vật sẽ có các lớp con là bò sát, thú… 4.4 Xác định thuộc tính và các Restriction Xây dựng . phương pháp biểu diễn tri thức như: - Biểu diễn tri thức bằng mạng ngữ nghĩa. - Biểu diễn tri thức bằng Script. - Biểu diễn tri thức sử dụng luật dẫn xuất (luật sinh). - Biểu diễn tri thức bằng. Frame. - Biểu diễn tri thức bằng logic vị từ. - Biểu diễn tri thức bằng Ontology. 3 … Trong bài này em sẽ sử dụng phương pháp biểu diễn tri thức bằng Ontology với sự trợ giúp của phần mềm Protégé. CHƯƠNG. PHỐ HỒ CHÍ MINH ________________ BÀI THU HOẠCH CHUYÊN ĐỀ BIỄU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG TÌM HIỂU VIỆC XÂY DỰNG ONTOLOGY VỚI PROTÉGÉ CHUYÊN NGHÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 60 48 01 GIÁO VIÊN