Ontologias

Ontologías
Prof. Bach. Kryscia Ramírez Benavides
30/03/2005

Elaborado como parte del Proyecto @LisTechNet - WP4
Escuela de Ciencias de la Computación e Informática 2
Agenda
• Introducción
• ¿Qué es una ontología?
• Aplicaciones
• Elementos de una ontología
• Beneficios de las ontologías
• Principios de construcción
• Pasos para construir ontologías

Agenda
• Desarrollo de ontologías
 Lenguajes
 RDF/RDF-S
 DAML+OIL
 OWL
 Herramientas
 Protégé
 RACER
• Agentes y ontologías
• Ejemplo: Ontología de Pizzas

Introducción
• Nuevas tecnologías Web proponen nuevas técnicas y
paradigmas para la representación de conocimiento
que faciliten localizar, compartir e integrar recursos
• Conocimiento semántico explícito que describe y
estructura la información y los servicios disponibles
• Creciente interés en la reutilización, para reducir
recursos, costos y tiempo

¿Qué es una ontología?
• El término es tomando de la filosofía y se refiere a
existencia
• Para la IA, lo que “existe” es aquello que puede ser
representado
• Definición más completa y utilizada es la de Gruber
(1993) y extendida por Studer (1998):
Una especificación explícita y formal de una
conceptualización compartida

¿Qué es una ontología? (cont.)
• Conceptualización: Una forma de entender o describir
un dominio, modelo abstracto
• Explícita: Satisface la necesidad de especificar de
forma consciente los distintos conceptos que
conforman una ontología
• Formal: Sigue alguna especificación formal de un
lenguaje de representación
• Compartida: Conocimiento aceptado como mínimo
por el grupo de personas que van a usarla

Aplicaciones
• Comercio electrónico
• Gestión de conocimientos
• Sistemas de agentes
• Portales de páginas Web
• Indexación de páginas Web
• Recuperación de información
• Procesamiento de lenguaje natural
• Web semántica

Elementos de una ontología
• Conceptos ≈ Clases ≈ Categorías
• Relaciones ≈ Propiedades ≈ Slots
• Funciones
• Instancias
• Axiomas

Beneficios de las ontologías
• Proporcionan una forma de representar y compartir
el conocimiento utilizando un vocabulario común
• Permiten reutilización del conocimiento
• Permiten usar un formato de intercambio de
conocimiento
• Proporcionan un protocolo específico de
comunicación
• Mantienen la semántica de la información

Principios de construcción
• Claridad y Objetividad
• Completitud
• Coherencia
• Máxima Extensibilidad Monótona
• Principio de Distinción Ontológica
• Diversificación
• Estandarización
• Minimización

Pasos para construir ontologías
• Determinar el dominio y el alcance de la ontología
• Considerar reutilizar ontologías existentes
• Enumerar los términos importantes del dominio
• Definir las clases y la jerarquía de las clases
• Definir las propiedades (slots) de las clases
• Definir las restricciones de las propiedades
• Crear instancias

Lenguajes
• Es la forma en que se representa un contexto en
particular
• Garantiza que la ontología sea una especificación
formal explícita
• Existen muchos lenguajes que van a permitir esa
definición
• No todos van a permitir el mismo nivel de
expresividad a la hora de definir ontologías

Lenguajes (cont.)
• Honrubia expone que un lenguaje debe tener los
siguientes requisitos:
 Sintaxis bien definida
 Semántica bien definida
 Suficiente expresividad
 Fácilmente maleable
 Eficiente a la hora de realizar razonamiento

Lenguajes (cont.)
• El lenguaje a utilizar para modelar ontologías
depende de las características y condiciones que se
necesiten
• Existen lenguajes para definición de ontologías
clasificados de acuerdo a su representatividad y
objetivo
• Algunos son:
 RDF/RDF-S
 DAML+OIL
 OWL

RDF (Resource Description Framework)
• Especificación propuesta por W3C
• Declara meta-información de forma global (URI)
• Información manejable por una máquina
• Basado en XML
• Modelo simple (grafo dirigido)
• Modelo de datos básico consta:
 Recursos
 Propiedades
 Declaraciones

RDF (Resource Description Framework) (cont.)
• RDF es un conjunto de tripletas: sujeto (recurso),
predicado (propiedad) y objeto (valor de la
propiedad)
Subject
Object
Object
Predicate
Predicate
= URI o Node Blank
= Literal (plain or typed)
= Property or Association (URI)

RDF-S (RDF Schema)
• Proporciona un sistema entendible por la máquina
para definir esquemas para vocabularios específicos
• Permite especificar clases de tipos de recursos y
propiedades
• Es un conjunto de recursos RDF (incluyendo clases y
propiedades), y las restricciones en sus relaciones

RDF/RDF-S
• RDF/RDF-S:
 Ofrece los mínimos requerimientos para el desarrollo de una
ontología
 Expresividad es limitada
 Es un lenguaje semántico que une la información de una
página a semántica legible por máquinas
 Ofrece pocas restricciones y muy poco razonamiento (casi no
ofrece mecanismos de inferencia)

DAML+OIL (DARPA Agent Markup Language +
Ontology Inference Layer)
• Lenguaje de marcado semántico para los recursos
Web
• Basado en estándares de W3C como RDF/Esquema
RDF, y extiende estos lenguajes modelando
primitivas más poderosas
• DAML+OIL une RDF/RDF-S con una capa de
inferencias para ontologías brindado:
 Una semántica precisa para la descripción de significados de
los términos
 Un buen razonamiento

DAML+OIL (DARPA Agent Markup Language +
Ontology Inference Layer) (cont.)
• Surge de la unión:
 DARPA Agent Mark-Up Language (DAML)
 Ontology Inference Layer (OIL)
• DAML+OIL toma lo mejor de DAML y OIL e intenta
combinarlos en un lenguaje que:
 Proporciona una manera de buscar información en la Web
 “Entienda” la información que se encuentra en la Web
• Es más que apto para la construcción de ontologías

OWL (Web Ontology Language)
• Basado en RDF y DAML+OIL
• Último estándar en los lenguajes para construir
ontologías, desarrollado por W3C
• Tiene fundamentos matemáticos formales basados
en las Lógicas Descriptivas
• Eso permite usar un razonador (RACER) para
comprobar la ontología según se construya

OWL (Web Ontology Language) (cont.)
• Elementos básicos:
 Clases (conceptos)
 Propiedades (relaciones)
 Individuos (instancias)

OWL (Web Ontology Language)
• Representa el significado de términos explícitamente
en vocabularios y las relaciones entre esos términos
• Es la representación de conocimiento más expresiva
para la Web Semántica
• Proporciona tres lenguajes expresivos:
 OWL Lite
 OWL DL
 OWL Full

• No le agrega más funcionalidades a DAML+OIL, toma
los elementos que este lenguaje proporciona para
adecuarlos y mejorarlos:
 Agrega más elementos para enriquecer la representación
semántica e inferencia
 Elimina algunos elementos cuyo significado era opaco para
agentes que utilizan el RDF/RDF-S, y los elementos de
restricciones de cardinalidad calificadas
 Cambia el nombre de otros elementos manteniendo su
función
• Es el lenguaje de representación de conocimiento
más expresivo para la Web Semántica

• Elementos de OWL Lite:
 RDF-S (Esquema RDF)
 Class
 rdfs:subClassOf
 rdf:Property
 rdfs:subPropertyOf
 rdfs:domain
 rdfs:range
 Individual

 Igualdad y desigualdad
 equivalentClass
 equivalentProperty
 sameAs
 differentFrom
 AllDifferent
 distinctMembers

 Combinaciones booleanas de expresiones de clase
 intersectionOF
 Características de propiedad
 ObjectProperty
 DatatypeProperty
 inverseOf
 TransitiveProperty
 SymmetricProperty
 FunctionalProperty
 InverseFunctionalProperty

 Restricciones de propiedad
 Restriction
 onProperty
 allValuesFrom
 someValuesFrom
 Restricciones de cardinalidad (sólo pueden ser 0 ó 1)
 minCardinality
 maxCardinality
 Cardinality

 Propiedades de anotaciones
 rdfs:label
 rdfs:comment
 rdfs:seeAlso
 rdfs:isDefinedBy
 Elementos para definir la información de la versión, la
información del encabezado y otras propiedades de
anotación

• Elementos de OWL DL y OWL Full:
 Axiomas de clase
 oneOf
 disjointWith
 equivalentClass
 rdfs:subClassOf
 Combinaciones booleanas de expresiones de clase
 intersectionOF
 unionOF
 complementOF
 Rasgos de información de relleno
 hasValue

• Lógica Descriptiva (DL):
 La rama lógica dentro de la familia de los marcos (frames)
 Subconjuntos de la lógica de primer orden
computacionalmente tratables
 Describen relaciones entre conceptos (clases)
 Los individuos (instancias) son secundarios, las ontologías no
son bases de datos
 Conceptos (clases), Individuos (instancias o ejemplares de
las clases) y Relaciones entre los individuos

• Clases Definidas versus Clases Primitivas:
 Clases Definidas: Se define un conjunto de condiciones
suficientes para reconocer cualquier subclase o instancia de
la clase
 Clases Primitivas: Se define sólo, se indican, las
condiciones necesarias que se aplican a todas las instancias
de la clase
• Dominio versus Rango:
 Dominio: Una o más clases que se les asigna una propiedad
 Rango: Una o más clases donde se obtienen los valores de
una propiedad

• Construir Ontologías en OWL-DL:
 Se comienza por una taxonomía de clases primitivas
 Deben formar árboles
 Recordar que la condición de clases disjuntas debe establecerse
explícitamente
 Hay que tener cuidado
 Hacer las disyunciones explícitamente
 Razonamiento del mundo abierto
 Restricciones universales y existenciales
 Restricciones de dominio y rango

• El principio básico para ontologías normalizadas
 Construir ontologías a partir de árboles puros de clases
primitivas
 Cada clase primitiva tiene sólo un padre primitivo

• Errores frecuentes en OWL:
 Olvidar hacer explícito que las clases sean disjuntas
 No comprender las implicaciones del razonamiento del
mundo abierto
 (Mal) Usar restricciones universales en vez de restricciones
existenciales
 Confundir dominio y rango

• Razonamiento Mundo Cerrado versus Razonamiento
Mundo Abierto:
 Mundo Cerrado:
 La negación como fallo
 Si no lo encuentro (o no puedo probarlo) en este mundo, se
asume que es falso
 Se usa en sistemas de BD, en programación lógica, lenguajes
de restricciones, entre otros.
 Mundo Abierto:
 La negación como contradicción
 Si no lo encuentro en este mundo, se asume que es posible, a
no ser que sea imposible en cualquier mundo (es una
contradicción). La negación debe ser explícita
 Se usa en los demostradores automáticos de teoremas y en los
razonadores DL (y en OWL)

• Razonamiento del Mundo Abierto:
 OWL utiliza la hipótesis de mundo abierto: Open World
Assumption (OWA)
 Muchos usuarios de OWL provienen de sistemas de mundo
cerrado como las bases de datos
 La información que no se haya añadido de forma explícita a
la base de conocimiento se asume que es información
pérdida o desconocida que podría ser añadida en el futuro
 Para eso se usan los axiomas de cierre sobre el atributo

• Restricciones Universales versus Restricciones
Existenciales:
 Las restricciones se usan para limitar las relaciones válidas
entre individuos
 La mayoría de los usuarios tienden a usar las restricciones
universales (que afectan todos los valores)
 Sin embargo, la mayoría de las veces, el tipo de restricción
corresponde con las restricciones existenciales
 Cualquier restricción existencial (someValuesFrom, ∃) que
se rellene con una contradicción es en sí misma una
contradicción
 Una restricción universal (allValuesFrom, ∀) que se rellene
con una contradicción puede ser cumplida de forma trivial

• Dominio y Rango:
 Confusión típica porque el dominio y el rango no son
restricciones que se comprueban
 Son axiomas que se utilizan para que el razonador haga
ciertas inferencias
 Violar una restricción de dominio y rango no significa
necesariamente que la ontología sea inconsistente o que
contenga errores
 Las restricciones de dominio y rango son axiomas, en OWL
son equivalentes a restricciones de tipo allValuesFrom
 En la mayoría de los sistemas violar una restricción de
dominio y rango provoca un error. En OWL provoca
reclasificación y posiblemente inconsistencias

• Otros aspectos que suelen ser fuente de confusión:
 Aspectos lógicos clásicos
 Uso lingüístico frente al uso lógico AND y OR
 Diferencias entre las clases primitivas y definidas
 Herencia múltiple:
 Los conceptos primitivos deberían (idealmente) tener sólo un
concepto padre

Requisitos de los lenguajes
• Los requisitos que cumplen los lenguajes RDF/RDF-S,
DAML+OIL y OWL son:
Requisito RDF/RDF-S DAML+OIL OWL
Sintaxis bien definida   
Semántica bien definida   
Suficiente expresividad   
Fácilmente maleable   
Eficiente a la hora de razonar  (muy poco)  

Funcionalidades de los lenguajes
• Las funcionalidades ofrecidas por los lenguajes
RDF/RDF-S, DAML+OIL y OWL son:
Funcionalidad RDF/RDF-S DAML+OIL OWL
Listas delimitadas   
Restricciones de cardinalidad   
Expresiones de clase   
Tipos de datos  (sólo básicos)  
Clases definidas   
Enumeraciones   
Equivalencia   
Extensibilidad   
Semántica formal   
Herencia   
Inferencia   
Restricciones locales   
Restricciones calificadas   
Reification   

Herramientas
• Las herramientas para desarrollar ontologías son tan
variadas como los lenguajes
• Las herramientas que serán discutidas y utilizadas
son:
 Protégé
 RACER

Protégé
• Es gratis, open source
• Está basado en Java, es extendible
• Es un editor de ontologías y marco de trabajo de
bases de conocimiento
• Define la estructura de una ontología
• Define y administra instancias

Protégé
• Integrado con GUI y plugins:
 OWLWizard – Plugin para guiar paso a paso en la
construcción de clases, propiedades, etc.
 OWLViz — Plugin para el despliegue gráfico de las jerarquías
de las clases
 ezOWL – Plugin para el despliegue gráfico de las jerarquías
de las clases, las propiedades y restricciones de cada clase
 JADEBean Generator — Plugin para producir clases Java a
partir de la ontología, para que JADE puede utilizar y
entender la ontología

RACER
• Razonador (clasificador) basado en lógicas
descriptivas
• Sistema de razonamiento de lógica descriptiva
• Motor de inferencia semántico para desarrollar
ontologías
• Proveedor de la lógica modal KM con calificadas
modalidades y axiomas.

Agentes y ontologías
• Una ontología se escribe en algún lenguaje de
formalización de ontologías que la hace
independiente del contexto de uso
• Varios agentes pueden compartir conocimiento si
están de acuerdo en la semántica dada por una
cierta ontología
• Una ontología común define el vocabulario con el que
los agentes intercambian mensajes (consultas y
asertos)

Agentes y ontologías (cont.)
• Que dos agentes compartan un vocabulario no
significa:
 Que compartan la misma base de conocimiento
 Que sea capaz de contestar cualquier pregunta formulada
con ese vocabulario
• Un compromiso de un agente con una cierta
ontología garantiza la consistencia pero no la
completitud respecto a las consultas y asertos
utilizando el vocabulario de la ontología

¿Qué se necesita?
• Lenguaje OWL
• Protégé, versión 3.0
 Plugin OWL
 Plugin OWLWizard
 Plugin OWLViz
 Plugin ezOWL
 Plugin BeanGenerator
• RACER
• Graphviz, versión 1.12

Lo primero es…
• Instalar Protégé, completo
• Colocar el ejecutable de RACER en la ruta deseada
• Abrir Protégé
• Seleccionar OWL Files como formato para el nuevo
proyecto
 New para empezar un proyecto nuevo, o Build… para usar
un archivo OWL existente

Lo primero es… (cont.)
• Seleccionar en el menú Project la opción Configure
y marcar:
 OWLViz
 ezOWL
• Seleccionar en el menú OWL la opción OWL
Preferences y, en la pestaña General en la parte
llamada Language Profile escoger OWL DL
• Guardar el proyecto como pizzaOntology-v1
• Poner a ejecutar RACER

Jerarquía de Clases de la Ontología Pizza

Construcción de la ontología
• Primeras clases a crear:
 DomainEntity
 SelfStandingEntity (subclase de DomainEntity)
 Con el Wizard hacer el grupo de clases:
 Pizza – PizzaBase – PizzaTopping (subclases de
SelfStandingEntity)
 ThinBase – HeavyBase (subclases de PizzaBase)
 VegetableTopping – MeatTopping – FishTopping -
CheeseTopping - FruitTopping (subclases de PizzaTopping)

• Primeras clases a crear:
 Con el Wizard hacer el grupo de clases:
 Mushroom – Tomato – HotPepper – Onion (subclases de
VegetalTopping)
 Pepperoni – Jam – SpicyBeef (subclases de MeatTopping)
 Anchovies – Tuna (subclases de FishTopping)
 Mozzarella – Parmesan (subclases de CheeseTopping)
 Pineapple (subclase de FruitTopping)

• Propiedades a crear:
 hasPart, dominio Pizza
 Subpropiedades de hasPart:
 hasBase, dominio Pizza y rango PizzaBase, único valor, por lo
menos una base, funcional y funcional inversa
 hasTopping, dominio Pizza y rango PizzaTopping, multiple, al
menos un ingrediente
 hasFatContent, dominio PizzaTopping y rango FatContent
 hasSpiciness, dominio PizzaTopping y rango Spiciness

• Clases a crear (subclases de Pizza):
 MargheritaPizza: mozzarella y tomato
 SpicyBeefPizza: mozarrella, tomato y spicy beef
 ProteinLoversPizza: MeatTopping – FishTopping –
CheeseTopping (clase definida, anaranjado)
 HotSpecialPizza: mozzarella, tomato, hot pepper y spicy beef
 CheesePizza: CheeseTopping (clase definida, anaranjado)
 VegetarianPizza: VegetableTopping – CheeseTopping (clase
definida, anaranjado)

• Clase a crear:
 ValuePartition (los valores son disjuntos), usar Wizard –
Create Value Partition:
 Spiciness, valores: Hot, Medium, Bland
 FatContent, valores: LowFat, HighFat

Ejemplo con BeanGenerator
• Guardar y cerrar el proyecto, si se encuentra abierto
 Si se gusta se puede guardar con otro nombre
• Incluir el proyecto
OWLSimpleJADEAbstractOntology.pprj
 Abrir con un editor de texto (ej. TextPad) el archivo
pizzaOntology-V1.pprj
 Buscar el apartado que inicia: [PROJECT] of Project
 Agregar debajo de ese apartado: (included_projects
"OWLSimpleJADEAbstractOntology.pprj")
 Guardar y cerrar
• Abrir el proyecto donde realizó la modificación
anterior

Jerarquía de Clases de la Ontología Pizza

Referencias
• RDF, DAML+OIL y OWL:
 http://www.w3.org
 http://www.daml.org
• Protégé:
 http://protege.stanford.edu
• RACER:
 http://www.sts.tu-harburg.de/~r.f.moeller/racer/

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