Biểu diễn tri thức và lập luận trong logic mô tả

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ VĂN LÂM BIỂU DIỄN TRI THỨC LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn: Nguyễn Thanh Thủy Hà nội - 2005 -1- Mục lục Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined Những thuật ngữ viết tắt Mở đầu Chương Tổng quan logic mô tả 1 Nguồn gốc logic mô tả 1.2 Biểu diễn tri thức lập luận 1.3 Sơ lược lịch sử nghiên cứu logic mô tả 11 1.4 Các lĩnh vực ứng dụng logic mô tả 12 1.4.1 Lĩnh vực công nghệ phần mềm 13 1.4.2 Lĩnh vực xử lý ngôn ngữ tự nhiên 13 1.4.3 Lĩnh vực thư viện số web 14 1.4.4 Các lĩnh vực khác 15 Chương Biểu diễn tri thức lập luận logic mô tả 2.1 Biểu diễn tri thức 16 2.1.1 Cơ sở tri thức 16 2.1.2.1 Cú pháp ngữ nghĩa ngôn ngữ AL 18 2.1.2.2 Họ ngôn ngữ AL 20 2.1.2.3 Ngôn ngữ mô tả phận logic vị từ 22 2.1.3 Thuật ngữ (Terminologies) 23 2.1.3.1 Tiên đề TBox 23 2.1.3.2 Tiên đề bao hàm (inclusion axiom) TBox 27 2.1.4 ABox 28 2.1.4.1 Cá thể ABox .28 2.1.4.2 Tập cá thể ngôn ngữ mô tả .30 2.2 Lập luận 30 2.2.1 Tác vụ lập luận (suy diễn) cho TBox 31 -2- 2.2.2 Cơ chế lập luận ABox 33 2.2.3 Luật 34 2.2.4 Thuật toán lập luận 35 2.2.4.1 Thuật toán bao hàm (subsumption algorithm) 36 2.2.4.2 Thuật toán thoả (satisfiability algorithm) 37 Chương3 Logic mô tả cho web ngữ nghĩa 3.1 Logic mô tả web ngữ nghĩa 43 3.1.1 Web ngữ nghĩa gì? 43 3.1.2 Logic mô tả cho Web ngữ nghĩa 45 3.2 Nền tảng web ngữ nghĩa 46 3.2.1 Logic mô tả SHIQ 46 3.2.2 Cú pháp biểu diễn web ngữ nghĩa RDF 50 3.2.3 Ontology 51 3.3 Cơ sở logic mô tả ngôn ngữ cho web ngữ nghĩa 52 3.3.1 Ontology inference layer - OIL 52 3.3.2 DAML + OIL 60 3.3.3 Ngôn ngữ mô tả cấu trúc web OWL 63 3.4 Ứng dụng lập luận logic mô tả vào phân tích thiết kế web 70 Chương Cài đặt thử nghiệm thuật toán lập luận 4.1 Cài đặt thuật toán lập luận 74 4.2 Một số kết thử nghiệm thuật toán 79 Kết luận 82 Tài Liệu Tham Khảo 83 -3- Những thuật ngữ viết tắt AL : Attributive Language, ngôn ngữ logic mô tả cung cấp khái niệm nguyên tử (atomic concept), khái niệm top (T), khái niệm bottom ( ), phép phủ định khái niệm nguyên tử ( A), phép giao ( ), ràng buộc với ( R.C) ràng buộc tồn khái niệm top ( R.T) ALC : AL mở rộng phép phủ định đầy đủ cho khái niệm ( C) DAML+OIL: DARPA Agent Markup Language Ontology Inference Language, kết hợp hai ngôn ngữ cho web ngữ nghĩa DL : Description Logic, logic mô tả GCI : General Concept Inclusion axiom, khái niệm bao hàm tổng quát HTML : HyperText Markup Language, ngôn ngữ đánh dấu siêu văn OIL : Ontology Inference Language, ngôn ngữ thiết kế cho web ngữ nghĩa OWL : Web Ontology Language, ngôn ngữ ontology web dùng cho web ngữ nghĩa RDF : Resource Description Framework, cú pháp để thể cho ngôn ngữ web ngữ nghĩa -4- RDFS : RDF Schema, đồ thị RDF S : Logic mô tả S, mở rộng từ ALC tiên đề quan hệ có tính bắc cầu (R+) SH : Logic mô tả SH, mở rộng từ S quan hệ có tính kế thừa ( H) SHI : Logic mô tả SHI, mở rộng từ SH quan hệ nghịch đảo (I) SHIQ : Logic mô tả SHIQ, mở rộng từ SHI lượng từ ràng buộc số lượng ( Q) SHIQ (D) : Logic mô tả SHIQ(D), mở rộng từ SHIQ xác định lĩnh vực cụ thể (D) XML : eXtensible Markup Language W3C : Word Wide Web Consortium -5- Mở đầu Công việc biểu diễn tri thức lập luận sở tri thức hệ thống xử lý thơng tin giữ vai trị quan trọng cho việc thành công hệ thống Xuất phát từ quan trọng đó, nhiều tổ chức nghiên cứu khoa học bỏ cơng nghiên cứu, tìm kiếm cơng cụ để biểu diễn tri thức cách thuận lợi logic mô tả công cụ để biểu diễn tri thức tổ chức nghiên cứu khoa học sử dụng đến Logic mô tả (Description logics - DL) thuật ngữ sử dụng gần để biểu đạt hình thức biểu diễn tri thức lĩnh vực Trước kia, thuật ngữ dùng để ngôn ngữ biểu diễn tri thức, ngôn ngữ khái niệm hay ngôn ngữ biểu diễn sở tri thức KL-ONE DL cho phép định nghĩa khái niệm liên quan đến lĩnh vực, sử dụng khái niệm để thuộc tính đối tượng, cá thể lĩnh vực Bản thân tên gọi DL thể thuộc tính ngơn ngữ mơ tả Về mặt ngữ nghĩa, xem chúng ngôn ngữ logic vị từ Một đặc trưng khác nhấn mạnh vào phần lập luận xem việc lập luận dịch vụ trung tâm Lập luận chế cho phép suy luận tri thức giúp đưa định từ tri thức có sở tri thức DL cung cấp nhiều cách suy luận dùng rộng rãi hệ thống xử lý thông tin thông minh, ngồi cịn sử dụng để xây dựng hiểu giới, phân loại khái niệm, cá thể Hiện nay, logic mô tả ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: Xử lý ngôn ngữ tự nhiên, công nghệ phần mềm, sở liệu, y học, Web ngữ nghĩa Cộng đồng nghiên cứu logic mô tả giới có 100 nhóm nghiên cứu hoạt động nhiều tổ chức khoa học khác -6- quan tâm đến logic mô tả ứng dụng chúng công nghiệp Trong nghiên cứu logic mô tả, nội dung luận văn gồm chương : Chương 1: Trình bày cách tổng quan logic mô tả Trong phần cung cấp nhìn tổng quan logic mơ tả: Sự đời logic mô tả, thành tựu lịch sử nghiên cứu logic mô tả, ứng dụng ngành khoa học khác logic mơ tả Chương 2: Trình bày cách biểu diễn tri thức lập luận logic mô tả Đây chương trọng tâm luận văn nhằm làm sáng tỏ chức biểu diễn tri thức, lập luận sở tri thức ngôn ngữ logic mô tả điễn hình Cùng với việc biểu diễn tri thức, ta sử dụng dịch vụ lập luận hỗ trợ cho logic mô tả để đưa tri thức hay đưa định Việc sử dụng hai thuật toán lập luận (thuật toán bao hàm thuật toán thoả) giới thiệu phần đề tài nghiên cứu quan tâm logic mơ tả Chương 3: Trình bày lĩnh vực quan tâm logic mô tả dùng logic mô tả cho việc phát triển web ngữ nghĩa Web ngữ nghĩa giúp cho việc thiết kế tìm kiếm thông tin web hiệu Với mục đích thế, logic mơ tả mở rộng trở thành ngôn ngữ tảng việc mô tả trang web, với thuật toán lập luận logic mơ tả giúp việc tìm kiếm thông tin web thuận lợi Chương đề cập đến ý nghĩa web ngữ nghĩa ngôn ngữ mở rộng từ logic mô tả phục vụ cho web ngữ nghĩa Chương 4: Trình bày việc cài đặt thử nghiệm thuật toán lập luận logic mơ tả Đây thuật tốn sử dụng để lập luận -7- hệ thống xử lý thơng tin Chương trình thử nghiệm thuật toán lập luận cài đặt để giải tốn bao hàm, tốn thoả logic mơ tả Chương Tổng quan logic mô tả Chương đề cập đến động thúc đẩy phát triển logic mơ tả hình thức cho việc biểu diễn tri thức số ý tưởng quan trọng cho tảng hệ thống tạo logic mô tả truyền thống Trong chương này, đề cập đến nguồn gốc logic mơ tả, sau đề cập cách tổng quát đặc tính logic mô tả, giai đoạn nghiên cứu logic mô tả cuối điểm qua lĩnh vực ứng dụng logic mô tả 1.1 Nguồn gốc logic mô tả Logic mô tả bắt nguồn từ mạng ngữ nghĩa (semantic networks) frame, biểu diễn khái niệm lập luận chúng có quan hệ với Cấu trúc khái niệm mô tả ngôn ngữ (được gọi ngôn ngữ khái niệm) phép toán logic Với cách tiếp cận logic kinh điển, việc biểu diễn tri thức thường thông qua biến vị từ, phép toán vị từ lập luận xác định hệ logic Theo cách tiếp cận phi logic, dựa vào giao diện đồ hoạ, tri thức biểu diễn thông qua cấu trúc liệu đặc biệt lập luận đựơc hồn thành thủ tục có thao tác giống Trong số có hai ngơn ngữ sử dụng nhiều mạng ngữ nghĩa Frame Mặt dù có -8- khác cách ký hiệu mạng ngữ nghĩa Frame hai thể tri thức hình thức trực quan Do thuộc tính này, chúng trở thành sở cho biểu diễn tri thức trước Đáng tiếc chúng không chấp nhận lâu dài, khơng biểu diễn đầy đủ đặc tính ngữ nghĩa kết hệ thống có khác cách sử dụng Tuy nhiên, mặt ngữ nghĩa, Frame thay cho logic vị từ, phần tử sở Frame định nghĩa rõ ràng tính chất vị từ mô tả tập hợp cá thể vị từ hai mô tả mối quan hệ cá thể Mặt dù hết tất ràng buộc ngữ nghĩa logic vị từ, chúng xem thành phần logic vị từ Nghiên cứu logic mô tả hệ thống sử dụng thuật ngữ (terminological) để nhấn mạnh đến việc thiết lập thuật ngữ sở mô tả lĩnh vực Những năm gần đây, logic mô tả trở nên phổ biến Khi dùng logic mô tả hệ thống biểu diễn tri thức thường dùng từ “khái niệm” (concept) đề cập đến “biểu thức” logic mô tả, chúng dùng để mô tả cá thể từ “thuật ngữ” (terminology) để diễn tả cấu trúc xây dựng, cung cấp thể biểu diễn cho lĩnh vực quan tâm Nghiên cứu logic mô tả nghiên cứu phần lý thuyết, với cài đặt hệ thống biểu diễn tri thức phát triển ứng dụng nhiều lĩnh vực logic mô tả Nghiên cứu lý thuyết kết hợp chặt chẽ với thực hành trở thành phương pháp luận cho việc nghiên cứu logic mô tả Bên cạnh đó, nhiều hệ thống xây dựng tảng logic mô tả với chuẩn mô tả khả biểu diễn tri thức khác Thêm vào đó, chuẩn thuật tốn tính toán lập luận nghiên cứu chi tiết Những nghiên cứu xuất phát từ việc sử dụng -9- cấu trúc cài đặt hệ thống cần thiết cấu trúc cho hệ thống đặc biệt kết có hệ thống hiệu 1.2 Biểu diễn tri thức lập luận Đơn vị để xây dựng cú pháp logic mô tả khái niệm nguyên tử “atomic concept” (còn gọi concept name) mô tả tập cá thể lĩnh vực, quan hệ nguyên tử “atomic role” mô tả mối quan hệ cá thể Sau đó, từ ký hiệu sở ta xây dựng loại cấu trúc mới, ví dụ giao hai khái niệm C D dùng để cá thể mà thuộc C D Một biểu thức khái niệm logic mô tả diễn tả tập hợp tất cá thể thoả tính chất xác định biểu thức Do đó, khái niệm C D nhìn nhận góc độ logic vị từ C(x) D(x), phạm vi biến tất cá thể lĩnh vực thể C(x) với tất cá thể thuộc khái niệm C Trong logic mơ tả cịn tập trung vào cấu trúc để thiết lập mối quan hệ khái niệm Ví dụ giới hạn giá trị viết R.C yêu cầu tất cá thể mối quan hệ R thuộc khái niệm C Về phần ngữ nghĩa, khái niệm xác định tập thể hiện: Một khái niệm thể tập cá thể quan hệ thể tập hợp cặp cá thể Lĩnh vực thể chọn tuỳ ý vơ hạn Tính vơ hạn lĩnh vực tính mở ngữ nghĩa đặc tính riêng biệt logic mơ tả Những khái niệm nguyên tử thể tập thể lĩnh vực, ngữ nghĩa cấu trúc khác xác định tập hợp cá thể mơ tả cấu trúc Ví dụ ta có cấu trúc C D tập cá thể thuộc phần chung cá thể mô tả C D Giả sử có Person, Male, Woman, Doctor ... tổng quan logic mô tả số phần giới thiệu chương làm rõ ràng chương - 16 - Chương Biểu diễn tri thức lập luận logic mô tả Việc biểu diễn tri thức lập luận từ tri thức có để đưa tri thức hay định... tâm luận văn nhằm làm sáng tỏ chức biểu diễn tri thức, lập luận sở tri thức ngơn ngữ logic mơ tả điễn hình Cùng với việc biểu diễn tri thức, ta sử dụng dịch vụ lập luận hỗ trợ cho logic mô tả. .. quan logic mô tả: Sự đời logic mô tả, thành tựu lịch sử nghiên cứu logic mô tả, ứng dụng ngành khoa học khác logic mô tả Chương 2: Trình bày cách biểu diễn tri thức lập luận logic mô tả Đây chương