Familia de representación formal del conocimiento.
Las lógicas de descripción ( DL ) son una familia de lenguajes formales de representación del conocimiento . Muchas DL son más expresivas que la lógica proposicional pero menos expresivas que la lógica de primer orden . En contraste con este último, los problemas centrales de razonamiento de las DL son (generalmente) decidibles y se han diseñado e implementado procedimientos de decisión eficientes para estos problemas. Hay lógicas de descripción general, espacial, temporal, espaciotemporal y difusa, y cada lógica de descripción presenta un equilibrio diferente entre el poder expresivo y la complejidad del razonamiento al admitir diferentes conjuntos de constructores matemáticos. [1]
Las DL se utilizan en inteligencia artificial para describir y razonar sobre los conceptos relevantes de un dominio de aplicación (conocido como conocimiento terminológico ). Es de particular importancia para proporcionar un formalismo lógico para las ontologías y la Web Semántica : el Lenguaje de Ontología Web (OWL) y sus perfiles se basan en DL. La aplicación más notable de DL y OWL es la informática biomédica, donde DL ayuda en la codificación del conocimiento biomédico. [ cita necesaria ]
Introducción
Una lógica de descripción (DL) modela conceptos , roles e individuos , y sus relaciones.
El concepto de modelado fundamental de una DL es el axioma : una declaración lógica que relaciona roles y/o conceptos. [2] Esta es una diferencia clave con el paradigma de marcos donde una especificación de marco declara y define completamente una clase. [2]
Nomenclatura
Terminología comparada con FOL y OWL
La comunidad de lógica de descripción utiliza terminología diferente a la comunidad de lógica de primer orden (FOL) para nociones operativamente equivalentes; A continuación se dan algunos ejemplos. El lenguaje de ontología web (OWL) vuelve a utilizar una terminología diferente, que también se muestra en la siguiente tabla.
Convenio de denominación
Hay muchas variedades de lógicas de descripción y existe una convención de nomenclatura informal que describe de forma aproximada los operadores permitidos. La expresividad está codificada en la etiqueta para una lógica que comienza con una de las siguientes lógicas básicas:
Seguido de cualquiera de las siguientes extensiones:
Excepciones
Algunas DL canónicas que no se ajustan exactamente a esta convención son:
Ejemplos
A modo de ejemplo, hay una lógica descriptiva de importancia central a partir de la cual se pueden hacer comparaciones con otras variedades. es simplemente con complemento de cualquier concepto permitido, no solo conceptos atómicos. se utiliza en lugar del equivalente .
Otro ejemplo, la lógica de descripción es la lógica más restricciones de cardinalidad extendidas y roles transitivos e inversos. Las convenciones de nomenclatura no son puramente sistemáticas, por lo que se puede hacer referencia a la lógica y también se hacen otras abreviaturas cuando es posible.
El editor de ontologías Protégé admite . Tres bases principales de terminología de informática biomédica, SNOMED CT , GALEN y GO, se pueden expresar en (con propiedades de función adicionales).
OWL 2 proporciona la expresividad de , OWL-DL se basa en , y para OWL-Lite es .
Historia
La lógica de descripción recibió su nombre actual en la década de 1980. Anteriormente se denominaba (cronológicamente): sistemas terminológicos y lenguajes conceptuales .
Representación del conocimiento
Los marcos y las redes semánticas carecen de semántica formal (basada en la lógica). [5] DL se introdujo por primera vez en los sistemas de representación del conocimiento (KR) para superar esta deficiencia. [5]
El primer sistema KR basado en DL fue KL-ONE (por Ronald J. Brachman y Schmolze, 1985). Durante los años 80 se desarrollaron otros sistemas basados en DL que utilizaban algoritmos de subsunción estructural [5], incluidos KRYPTON (1983), LOOM (1987), BACK (1988), K-REP (1991) y CLASSIC (1991). Este enfoque presentaba DL con expresividad limitada pero razonamiento relativamente eficiente (tiempo polinomial). [5]
A principios de los años 90, la introducción de un nuevo paradigma de algoritmo basado en cuadros permitió un razonamiento eficiente en DL más expresivo. [5] Los sistemas basados en DL que utilizan estos algoritmos, como KRIS (1991), muestran un rendimiento de razonamiento aceptable en problemas de inferencia típicos, incluso aunque la complejidad del peor de los casos ya no sea polinómica. [5]
Desde mediados de los 90, se crearon razonadores con buen desempeño práctico en DL muy expresivo con alta complejidad en el peor de los casos. [5] Los ejemplos de este período incluyen FaCT, [6] RACER (2001), CEL (2005) y KAON 2 (2005).
Los razonadores DL, como FaCT, FaCT++, [6] RACER, DLP y Pellet, [7] implementan el método de cuadros analíticos . KAON2 se implementa mediante algoritmos que reducen una base de conocimientos de SHIQ(D) a un programa de registro de datos disyuntivo .
Web semántica
Los lenguajes de ontología DARPA Agent Markup Language (DAML) y Ontology Inference Layer (OIL) para la Web Semántica pueden verse como variantes sintácticas de DL. [8] En particular, la semántica formal y el razonamiento en OIL utilizan el DL. [9] El DAML+OIL DL se desarrolló como una presentación a [10] —y formó el punto de partida— del Grupo de Trabajo de Ontología Web del World Wide Web Consortium (W3C). [11] En 2004, el Grupo de Trabajo de Ontología Web completó su trabajo emitiendo la recomendación OWL [12] . El diseño de OWL se basa en la familia de DL [13] con OWL DL y OWL Lite basados en y respectivamente. [13]
El Grupo de Trabajo OWL del W3C comenzó a trabajar en 2007 para perfeccionar y ampliar OWL. [14] En 2009, esto se completó con la emisión de la recomendación OWL2 . [15] OWL2 se basa en la lógica de descripción . [16] La experiencia práctica demostró que OWL DL carecía de varias características clave necesarias para modelar dominios complejos. [2]
Modelado
En DL se distingue entre el llamado TBox (cuadro terminológico) y el ABox (cuadro afirmativo). En general, TBox contiene oraciones que describen jerarquías de conceptos (es decir, relaciones entre conceptos ), mientras que ABox contiene oraciones fundamentales que indican a qué parte de la jerarquía pertenecen los individuos (es decir, relaciones entre individuos y conceptos). Por ejemplo, la declaración:
pertenece al TBox, mientras que la declaración:
pertenece al ABox.
Tenga en cuenta que la distinción TBox/ABox no es significativa, en el mismo sentido que los dos "tipos" de oraciones no se tratan de manera diferente en la lógica de primer orden (que incluye la mayor parte de la DL). Cuando se traduce a la lógica de primer orden, un axioma de subsunción como ( 1 ) es simplemente una restricción condicional a predicados (conceptos) unarios en los que solo aparecen variables. Claramente, una oración de esta forma no es privilegiada ni especial sobre oraciones en las que sólo aparecen constantes (valores "fundamentados") como ( 2 ).
Entonces, ¿por qué se introdujo la distinción? La razón principal es que la separación puede resultar útil a la hora de describir y formular procedimientos de decisión para diversas DL. Por ejemplo, un razonador podría procesar TBox y ABox por separado, en parte porque ciertos problemas de inferencia clave están vinculados a uno pero no al otro (la 'clasificación' está relacionada con TBox, la 'verificación de instancias' con ABox). Otro ejemplo es que la complejidad del TBox puede afectar en gran medida el desempeño de un determinado procedimiento de decisión para un determinado DL, independientemente del ABox. Por lo tanto, es útil tener una forma de hablar sobre esa parte específica de la base de conocimientos .
La razón secundaria es que la distinción puede tener sentido desde la perspectiva del modelador de la base de conocimientos. Es plausible distinguir entre nuestra concepción de los términos/conceptos en el mundo (axiomas de clase en el Cuadro T) y manifestaciones particulares de esos términos/conceptos (afirmaciones de ejemplo en el Cuadro A). En el ejemplo anterior: cuando la jerarquía dentro de una empresa es la misma en todas las sucursales pero la asignación de empleados es diferente en cada departamento (porque hay otras personas trabajando allí), tiene sentido reutilizar el TBox para diferentes sucursales que no Utilice el mismo ABox.
Hay dos características de la lógica de descripción que no son compartidas por la mayoría de los otros formalismos de descripción de datos: DL no asume el supuesto de nombre único (UNA) ni el supuesto de mundo cerrado (CWA). No tener UNA significa que, mediante alguna inferencia, se puede permitir que dos conceptos con nombres diferentes sean equivalentes. No tener CWA, o más bien tener el supuesto de mundo abierto (OWA), significa que la falta de conocimiento de un hecho no implica inmediatamente el conocimiento de la negación de un hecho.
Descripción formal
Al igual que la lógica de primer orden (FOL), una sintaxis define qué colecciones de símbolos son expresiones legales en una lógica de descripción y la semántica determina el significado. A diferencia de FOL, una DL puede tener varias variantes sintácticas bien conocidas. [8]
Sintaxis
La sintaxis de un miembro de la familia lógica de descripción se caracteriza por su definición recursiva, en la que se establecen los constructores que pueden usarse para formar términos conceptuales. Algunos constructores están relacionados con constructores lógicos en lógica de primer orden (FOL) como intersección o conjunción de conceptos, unión o disyunción de conceptos, negación o complemento de conceptos, restricción universal y restricción existencial . Otros constructores no tienen una construcción correspondiente en FOL, incluidas restricciones de roles, por ejemplo, inversa, transitividad y funcionalidad.
Notación
Sean C y D conceptos, a y b individuos y R un rol.
Si a está relacionado con R con b, entonces b se llama R-sucesor de a.
La lógica de descripción ALC
El prototipo de lenguaje conceptual atributivo con complementos de la DL ( ) fue introducido por Manfred Schmidt-Schauß y Gert Smolka en 1991 y es la base de muchas DL más expresivas. [5] Las siguientes definiciones siguen el tratamiento de Baader et al. [5]
Sean , y (respectivamente) conjuntos de nombres de conceptos (también conocidos como conceptos atómicos ), nombres de roles y nombres de individuos (también conocidos como individuos , nominales u objetos ). Entonces la tripleta ordenada ( , , ) es la firma .
Conceptos
El conjunto de conceptos es el conjunto más pequeño tal que:
- Los siguientes son conceptos :
- ( arriba es un concepto )
- ( el fondo es un concepto )
- Cada (todos los conceptos atómicos son conceptos )
- Si y son conceptos y entonces los siguientes son conceptos :
- (la intersección de dos conceptos es un concepto )
- (la unión de dos conceptos es un concepto )
- (el complemento de un concepto es un concepto )
- (la restricción universal de un concepto por un rol es un concepto )
- (la restricción existencial de un concepto por un rol es un concepto )
Axiomas terminológicos
Una inclusión de concepto general (GCI) tiene la forma donde y son conceptos . Escribe cuando y . Un TBox es cualquier conjunto finito de GCI.
Axiomas afirmativos
- Una afirmación de concepto es una declaración de la forma donde y C es un concepto .
- Una afirmación de rol es una declaración de la forma donde y R es un rol .
Un ABox es un conjunto finito de axiomas afirmativos.
Base de conocimientos
Una base de conocimientos (KB) es un par ordenado para TBox y ABox .
Semántica
La semántica de la lógica de descripción se define interpretando conceptos como conjuntos de individuos y roles como conjuntos de pares ordenados de individuos. Por lo general, se supone que esos individuos pertenecen a un dominio determinado. La semántica de conceptos y roles no atómicos se define luego en términos de conceptos y roles atómicos. Esto se hace utilizando una definición recursiva similar a la sintaxis.
La lógica de descripción ALC
Las siguientes definiciones siguen el tratamiento de Baader et al. [5]
Una interpretación terminológica sobre una firma consiste en
- un conjunto no vacío llamado dominio
- una función de interpretación que mapea:
- cada individuo a un elemento
- cada concepto a un subconjunto de
- cada nombre de rol a un subconjunto de
tal que
- ( unión significa disyunción )
- ( intersección significa conjunción )
- ( complemento significa negación )
Defina (lea en I Holds ) de la siguiente manera
TBox
- si y solo si
- si y solo si para cada
Una caja
- si y solo si
- si y solo si
- si y solo si para cada
Base de conocimientos
Sea una base de conocimientos.
- si y sólo si y
Inferencia
Problemas de decisión
Además de la capacidad de describir conceptos formalmente, a uno también le gustaría emplear la descripción de un conjunto de conceptos para hacer preguntas sobre los conceptos y los casos descritos. Los problemas de decisión más comunes son preguntas básicas similares a consultas de bases de datos, como la verificación de instancias (es una instancia particular (miembro de un ABox) un miembro de un concepto dado) y la verificación de relaciones (¿se mantiene una relación/rol entre dos instancias?, en otras palabras, las palabras a tienen la propiedad b ), y las preguntas más globales sobre bases de datos como la subsunción (es un concepto un subconjunto de otro concepto) y la coherencia del concepto (no hay contradicción entre las definiciones o la cadena de definiciones). Cuantos más operadores se incluyan en una lógica y más complicado sea el TBox (que tenga ciclos, lo que permita que conceptos no atómicos se incluyan entre sí), generalmente mayor será la complejidad computacional para cada uno de estos problemas (consulte Descripción del Navegador de Complejidad Lógica para ver ejemplos). .
Relación con otras lógicas
Lógica de primer orden
Muchas DL son fragmentos decidibles de lógica de primer orden (FOL) [5] y, por lo general, son fragmentos de lógica de dos variables o lógica guardada . Además, algunas DL tienen características que no están cubiertas en FOL; esto incluye dominios concretos (como enteros o cadenas, que pueden usarse como rangos para roles como hasAge o hasName ) o un operador en roles para el cierre transitivo de ese rol. [5]
Lógica de descripción difusa
La lógica de descripción difusa combina la lógica difusa con las DL. Dado que muchos conceptos necesarios para los sistemas inteligentes carecen de límites bien definidos o de criterios de pertenencia definidos con precisión, se necesita una lógica difusa para abordar las nociones de vaguedad e imprecisión. Esto ofrece una motivación para una generalización de la lógica descriptiva hacia el tratamiento de conceptos imprecisos y vagos.
Lógica modal
La lógica de descripción está relacionada con la lógica modal (ML), pero se desarrolla independientemente de ella. [5] Muchas DL, pero no todas, son variantes sintácticas de ML. [5]
En general, un objeto corresponde a un mundo posible , un concepto corresponde a una proposición modal y un cuantificador limitado por roles a un operador modal con ese rol como relación de accesibilidad.
Las operaciones sobre roles (como composición, inversión, etc.) corresponden a las operaciones modales utilizadas en la lógica dinámica . [17]
Ejemplos
Lógica de descripción temporal
La lógica de descripción temporal representa (y permite razonar sobre) conceptos dependientes del tiempo y existen muchos enfoques diferentes para este problema. [18] Por ejemplo, una lógica de descripción podría combinarse con una lógica temporal modal como la lógica temporal lineal .
Ver también
Referencias
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Otras lecturas
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- Franz Baader, Ian Horrocks y Ulrike Sattler: Lógicas de descripción del capítulo 3. En Frank van Harmelen, Vladimir Lifschitz y Bruce Porter, editores, Handbook of Knowledge Representation . Elsevier, 2007.
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- Markus Krötzsch, František Simančík, Ian Horrocks : una introducción a la lógica de descripción. CoRR arXiv : 1201.4089. 2012. Una primera introducción para lectores sin conocimientos de lógica formal.
- Sebastian Rudolph: Fundamentos de la lógica de descripción. En Reasoning Web: Semantic Technologies for the Web of Data, Séptima Escuela Internacional de Verano, volumen 6848 de Lecture Notes in Computer Science , páginas 76–136. Springer, 2011. (springerlink) Texto introductorio centrado en el modelado y la semántica formal. También hay diapositivas.
- Jens Lehmann : DL-Learner: Conceptos de aprendizaje en lógicas de descripción, Journal of Machine Learning Research, 2009.
- Franz Baader : Lógicas de descripción. En Reasoning Web: Tecnologías semánticas para sistemas de información, Quinta Escuela Internacional de Verano, volumen 5689 de Lecture Notes in Computer Science, páginas 1–39. Springer, 2009. (springerlink) Texto introductorio centrado en el razonamiento y el diseño del lenguaje, y una descripción histórica ampliada.
- Enrico Franconi: Introducción a la lógica de descripción. Materiales del curso. Facultad de Ciencias de la Computación, Universidad Libre de Bolzano, Italia, 2002. Diapositivas de conferencias y muchas sugerencias bibliográficas, algo anticuadas.
- Ian Horrocks : ontologías y web semántica. Communications of the ACM , 51(12):58-67, diciembre de 2008. Una visión general de la representación del conocimiento en las tecnologías de la Web Semántica.
enlaces externos
Razonadores
Hay algunos razonamientos semánticos que tratan de OWL y DL. Estos son algunos de los más populares:
- CEL es un razonador de código abierto basado en LISP (licencia Apache 2.0).
- Cerebra Engine era un razonador comercial basado en C++, adquirido en 2006 por webMethods.
- FaCT++ es un razonador gratuito de código abierto basado en C++.
- KAON2 es un razonador gratuito (para uso no comercial) basado en Java que ofrece soporte de razonamiento rápido para ontologías OWL.
- MSPASS es un razonador C gratuito de código abierto para numerosos modelos DL.
- Pellet es un razonador comercial basado en Java con doble licencia (AGPL y propietario).
- RacerPro de Racer Systems era un razonador comercial (hay pruebas gratuitas y licencias de investigación disponibles) basado en lisp; hoy existe una versión de código abierto de RACER de los desarrolladores originales de la Universidad de Lübeck que utilizan la licencia BSD 3 y también una versión comercializada, aún nombrado RacerPro por Franz Inc.
- Sim-DL es un razonador gratuito de código abierto basado en Java para el lenguaje ALCHQ. También proporciona una funcionalidad de medición de similitud entre conceptos. Para acceder a esta funcionalidad se puede utilizar un complemento de Protégé.
- HermiT es un razonador de código abierto basado en el cálculo "hypertableau". Está desarrollado por la Universidad de Oxford .
- Owlready2 es un paquete para programación orientada a ontologías en Python . Puede cargar ontologías OWL 2.0 como objetos Python, modificarlas, guardarlas y realizar razonamientos a través de HermiT (incluido). Owlready2 permite un acceso transparente a las ontologías OWL (a diferencia de la API habitual basada en Java).
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