Biểu diễn tri thức và lập luận trong logic mô tả

Xuất phát từ sự quan trọng đó, nhiều tổ chức nghiên cứu khoa học đã bỏ công nghiên cứu, tìm kiếm những công cụ để biểu diễn tri thức một cách thuận lợi nhất và logic mô tả là một trong n

Biểu diễn tri thức và lập luận trong logic mô tả

Hồ Văn Lâm Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Thuỷ

Mục lục

Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined Những thuật ngữ viết tắt 2

Mở đầu 5

Chương 1 Tổng quan về logic mô tả

1 1 Nguồn gốc của logic mô tả 6 1.2 Biểu diễn tri thức và lập luận Error! Bookmark not defined 1.3 Sơ lược lịch sử nghiên cứu về logic mô tả Error! Bookmark not defined 1.4 Các lĩnh vực ứng dụng logic mô tả Error! Bookmark not defined

1.4.1 Lĩnh vực công nghệ phần mềm Error! Bookmark not defined 1.4.2 Lĩnh vực xử lý ngôn ngữ tự nhiên Error! Bookmark not defined 1.4.3 Lĩnh vực thư viện số và web Error! Bookmark not defined 1.4.4 Các lĩnh vực khác Error! Bookmark not defined

Chương 2 Biểu diễn tri thức và lập luận trong logic mô tả

2.1 Biểu diễn tri thức Error! Bookmark not defined

2.1.1 Cơ sở tri thức Error! Bookmark not defined 2.1.2.1 Cú pháp và ngữ nghĩa của ngôn ngữ AL Error! Bookmark not defined 2.1.2.2 Họ ngôn ngữ AL Error! Bookmark not defined 2.1.2.3 Ngôn ngữ mô tả một bộ phận của logic vị từ Error! Bookmark not defined 2.1.3 Thuật ngữ (Terminologies) Error! Bookmark not defined 2.1.3.1 Tiên đề trong TBox Error! Bookmark not defined 2.1.3.2 Tiên đề bao hàm (inclusion axiom) trong TBoxError! Bookmark not defined 2.1.4 ABox Error! Bookmark not defined 2.1.4.1 Cá thể trong ABox Error! Bookmark not defined 2.1.4.2 Tập cá thể trong ngôn ngữ mô tả Error! Bookmark not defined

2.2 Lập luận Error! Bookmark not defined

2.2.1 Tác vụ lập luận (suy diễn) cho TBox Error! Bookmark not defined 2.2.2 Cơ chế lập luận trong ABox Error! Bookmark not defined 2.2.3 Luật Error! Bookmark not defined 2.2.4 Thuật toán lập luận Error! Bookmark not defined

2.2.4.1 Thuật toán bao hàm (subsumption algorithm) Error! Bookmark not defined 2.2.4.2 Thuật toán thoả (satisfiability algorithm) Error! Bookmark not defined

Chương3 Logic mô tả cho web ngữ nghĩa

3.1 Logic mô tả và web ngữ nghĩa Error! Bookmark not defined

3.1.1 Web ngữ nghĩa là gì? Error! Bookmark not defined 3.1.2 Logic mô tả cho Web ngữ nghĩa Error! Bookmark not defined

3.2 Nền tảng của web ngữ nghĩa Error! Bookmark not defined

3.2.1 Logic mô tả SHIQ Error! Bookmark not defined 3.2.2 Cú pháp biểu diễn web ngữ nghĩa RDF Error! Bookmark not defined 3.2.3 Ontology Error! Bookmark not defined

3.3 Cơ sở logic mô tả trong ngôn ngữ cho web ngữ nghĩa Error! Bookmark not defined

3.3.1 Ontology inference layer - OIL Error! Bookmark not defined 3.3.2 DAML + OIL Error! Bookmark not defined 3.3.3 Ngôn ngữ mô tả cấu trúc web OWL Error! Bookmark not defined

3.4 Ứng dụng lập luận logic mô tả vào phân tích và thiết kế web Error! Bookmark not

defined

Chương 4 Cài đặt thử nghiệm thuật toán lập luận

4.1 Cài đặt thuật toán lập luận Error! Bookmark not defined 4.2 Một số kết quả thử nghiệm thuật toán Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined Tài Liệu Tham Khảo 7

Những thuật ngữ viết tắt

AL : Attributive Language, ngôn ngữ logic mô tả cung cấp các khái niệm

nguyên tử (atomic concept), khái niệm top (T), khái niệm bottom (),

phép phủ định khái niệm nguyên tử (A), phép giao (), các ràng buộc với mọi (R.C) và ràng buộc tồn tại đối với khái niệm top (R.T)

ALC : AL mở rộng bằng phép phủ định đầy đủ cho khái niệm bất kỳ (C)

DAML+OIL: DARPA Agent Markup Language và Ontology Inference Language, sự

kết hợp giữa 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 bản

OIL : Ontology Inference Language, ngôn ngữ được 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 hiện cho các ngôn

ngữ web ngữ nghĩa

RDFS : RDF Schema, đồ thị RDF

S : Logic mô tả S, được mở rộng từ ALC bằng các tiên đề của các quan hệ

có tính bắc cầu (R+

)

SH : Logic mô tả SH, được mở rộng từ S bằng các quan hệ có tính kế thừa

(H)

SHI : Logic mô tả SHI, được mở rộng từ SH bằng các quan hệ nghịch đảo (I) SHIQ : Logic mô tả SHIQ, được mở rộng từ SHI bằng các lượng từ ràng buộc

về số lượng (Q)

SHIQ(D) : Logic mô tả SHIQ(D), được mở rộng từ SHIQ xác định trong một lĩnh

vực cụ thể (D)

XML : eXtensible Markup Language

W3C : Word Wide Web Consortium

Mở đầu

Công việc biểu diễn tri thức và lập luận trên cơ sở tri thức trong các hệ thống xử lý thông tin giữ một vai trò quan trọng cho việc thành công của hệ thống Xuất phát từ sự quan trọng đó, nhiều tổ chức nghiên cứu khoa học đã bỏ công nghiên cứu, tìm kiếm những công cụ để biểu diễn tri thức một cách thuận lợi nhất và logic mô tả là một trong những công cụ để biểu diễn tri thức được các tổ chức nghiên cứu khoa học sử dụng đến

Logic mô tả (Description logics - DL) là thuật ngữ được sử dụng gần đây để biểu đạt những hình thức biểu diễn tri thức trong một lĩnh vực nào đó Trước kia, thuật ngữ này được dùng để chỉ ngôn ngữ biểu diễn tri thức, ngôn ngữ khái niệm hay ngôn ngữ biểu diễn cơ sở tri thức KL-ONE DL cho phép định nghĩa những khái niệm liên quan đến lĩnh vực, sử dụng những khái niệm này để chỉ ra những thuộc tính của những đối tượng, những cá thể trong lĩnh vực đó Bản thân tên gọi DL đã thể hiện một trong những thuộc tính của ngôn ngữ này là mô tả Về mặt ngữ nghĩa, có thể xem chúng là ngôn ngữ con của logic vị từ Một đặc trưng khác là nhấn mạnh vào phần lập luận và xem việc lập luận như một dịch vụ trung tâm Lập luận là các cơ chế cho phép suy luận được tri thức mới và giúp đưa ra những quyết định từ tri thức đã có trong cơ sở tri thức DL cung cấp nhiều cách suy luận được dùng rộng rãi trong những hệ thống xử lý thông tin thông minh, ngoài ra còn được sử dụng để xây dựng và hiểu thế giới, phân loại những khái niệm, những cá thể

Hiện nay, logic mô tả đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Xử

lý ngôn ngữ tự nhiên, công nghệ phần mềm, cơ sở dữ liệu, y học, Web ngữ nghĩa

Cộng đồng nghiên cứu về logic mô tả trên thế giới hiện nay có hơn 100 nhóm nghiên cứu đang hoạt động và nhiều tổ chức khoa học khác cũng đang rất quan tâm đến logic mô tả cũng như các ứng dụng của chúng trong công nghiệp

Trong nghiên cứu về logic mô tả, nội dung luận văn gồm 4 chương :

Chương 1: Trình bày một cách tổng quan về logic mô tả Trong phần này cung cấp một

cái nhìn tổng quan về logic mô tả: Sự ra đời của logic mô tả, thành tựu và lịch sử nghiên cứu về logic mô tả, cũng như ứng dụng trong những ngành khoa học khác của logic mô tả

Chương 2: Trình bày cách biểu diễn tri thức và lập luận trong logic mô tả Đây là chương

trọng tâm của luận văn nhằm làm sáng tỏ chức năng biểu diễn tri thức, lập luận trên cơ sở tri

thức trong những ngôn ngữ logic mô tả điễn hình Cùng với việc biểu diễn tri thức, ta sẽ sử dụng những dịch vụ lập luận được hỗ trợ cho logic mô tả để đưa ra những tri thức mới hay đưa ra những quyết định Việc sử dụng hai thuật toán lập luận (thuật toán bao hàm và thuật toán thoả) được giới thiệu trong phần này là đề tài nghiên cứu được quan tâm trong logic mô tả

Chương 3: Trình bày về một lĩnh vực đang được quan tâm của logic mô tả là dùng logic

mô tả cho việc phát triển web ngữ nghĩa Web ngữ nghĩa giúp cho việc thiết kế và tìm kiếm thông tin trên web hiệu quả hơn Với mục đích như thế, các logic mô tả mở rộng đã trở thành một ngôn ngữ nền tảng trong việc mô tả những trang web, cùng với những thuật toán lập luận của logic mô tả đã giúp việc tìm kiếm các thông tin trên web thuận lợi hơn Chương này sẽ đề cập đến ý nghĩa của web ngữ nghĩa và các ngôn ngữ mở rộng từ logic mô tả phục vụ cho web ngữ nghĩa

Chương 4: Trình bày việc cài đặt thử nghiệm các thuật toán lập luận trong logic mô tả

Đây là những thuật toán đã được sử dụng để lập luận trong các hệ thống xử lý thông tin Chương trình thử nghiệm thuật toán lập luận được cài đặt để giải quyết bài toán bao hàm, bài toán thoả trong logic mô tả

Chương 1

Tổng quan về logic mô tả

Chương này đề cập đến những động cơ thúc đẩy sự phát triển của logic mô tả như là một hình thức cho việc biểu diễn tri thức cũng như một số ý tưởng cơ bản quan trọng cho nền tảng của những hệ thống đã được tạo ra trong logic mô tả truyền thống

Trong chương này, đầu tiên đề cập đến nguồn gốc của logic mô tả, sau đó sẽ đề cập một cách tổng quát các đặc tính của logic mô tả, các giai đoạn nghiên cứu về logic mô tả và cuối cùng chúng ta điểm qua các lĩnh vực ứng dụng của logic mô tả

1.1 Nguồn gốc của logic mô tả

Logic mô tả bắt nguồn từ mạng ngữ nghĩa (semantic networks) và frame, biểu diễn những

khái niệm và lập luận trong chúng có quan hệ với nhau Cấu trúc của một khái niệm được mô tả bởi một ngôn ngữ (được gọi là ngôn ngữ khái niệm) và những phép toán logic

Với cách tiếp cận của logic kinh điển, việc biểu diễn tri thức thường thông qua các biến

vị từ, những phép toán vị từ và lập luận xác định hệ quả logic Theo cách tiếp cận của phi logic, dựa vào những giao diện đồ hoạ, tri thức được biểu diễn thông qua các cấu trúc dữ liệu đặc biệt

và lập luận đựơc hoàn thành bằng những thủ tục có các thao tác giống nhau Trong số đó có hai ngôn ngữ sử dụng nhiều nhất đó là mạng ngữ nghĩa và Frame Mặt dù có những khác nhau trong cách ký hiệu giữa mạng ngữ nghĩa và Frame nhưng cả hai thể hiện tri thức bằng hình thức trực quan Do thuộc tính này, chúng trở thành cơ sở cho sự biểu diễn tri thức trước đây Đáng tiếc là chúng đã không được chấp nhận lâu dài, vì không biểu diễn đầy đủ những đặc tính ngữ nghĩa và kết quả là các hệ thống có sự khác nhau trong cách sử dụng Tuy nhiên, về mặt ngữ nghĩa, Frame

có thể thay cho logic vị từ, các phần tử cơ sở trong Frame được định nghĩa rõ ràng những tính chất như những vị từ một ngôi mô tả những tập hợp các cá thể và vị từ hai ngôi mô tả mối quan

hệ giữa các cá thể Mặt dù không thể hiện hết tất cả các ràng buộc về ngữ nghĩa như những logic

vị từ, nhưng chúng được xem là một thành phần con của logic vị từ

Nghiên cứu về logic mô tả được bắt đầu từ những hệ thống sử dụng thuật ngữ

(terminological) để nhấn mạnh đến việc thiết lập những thuật ngữ cơ sở mô tả về một lĩnh vực

Những năm gần đây, logic mô tả trở nên phổ biến Khi dùng logic mô tả trong các hệ thống biểu

diễn tri thức thường dùng từ “khái niệm” (concept) được đề cập đến như là một “biểu thức” của logic mô tả, chúng dùng để mô tả những cá thể và từ “thuật ngữ” (terminology) để diễn tả một

cấu trúc được xây dựng, cung cấp một thể hiện biểu diễn cho lĩnh vực quan tâm

Nghiên cứu về logic mô tả đã được nghiên cứu cả phần lý thuyết, cùng với cài đặt những

hệ thống biểu diễn tri thức và phát triển ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của logic mô tả Nghiên cứu lý thuyết kết hợp chặt chẽ với thực hành đã trở thành phương pháp luận cho việc nghiên cứu logic mô tả Bên cạnh đó, nhiều hệ thống được xây dựng trên nền tảng logic mô tả với những chuẩn mô tả và những khả năng biểu diễn tri thức khác nhau Thêm vào đó, các chuẩn và những thuật toán tính toán trong lập luận cũng được nghiên cứu chi tiết Những nghiên cứu này xuất phát từ việc sử dụng những cấu trúc được cài đặt trong hệ thống hoặc sự cần thiết của các cấu trúc cho những hệ thống đặc biệt và kết quả đã có những hệ thống mới hiệu quả hơn

Tµi LiÖu Tham Kh¶o

TiÕng ViÖt:

1 Phan §×nh DiÖu, L«gic to¸n vµ c¬ së to¸n häc (2003), Nhµ xuÊt b¶n §¹i häc Quèc gia

Hµ néi

2 NguyÔn Thanh Thuû (1999), TrÝ tuÖ nh©n t¹o, NXB Gi¸o dôc

TiÕng Anh:

3 C A Welty (2003), The description logic handbook: Theory, implementation, and applications, chapter 11: software engineering, Published by the press Syndicate of the

university of Cambridge

4 Daniele Nardi, Ronald J Brachman (2003), The description logic handbook: Theory, implementation, and applications, chapter 1: An introduction to description logics,

Published by the press Syndicate of the university of Cambridge

5 Dieter Fensel, Ora Lassila, Frank Van Harmelen, Ian Horrocks, James Hendler, Deborah

L McGuinness (2000), “The semantic web and its languages”, IEEE Intelligent systems

6 Enrico Franconi (2003), The description logic handbook: Theory, implementation, and applications, chapter 15: Natural language processing, Published by the press Syndicate

of the university of Cambridge

7 Franz Baader, Ulrike Sattler (2001),”An overview of Tableau Algorithms for Description Logics”, Kluwer Academic publisher, printed in the Nertherland

8 Franz Baader, Werner Nutt (2003), The description logic handbook: Theory, implementation, and applications, chapter 2: Basic description logics, Published by the

press Syndicate of the university of Cambridge

9 Franz Baader (2000), Tableau algorithms for Description Logics, Theoretical Computer Science RWTH Aachen Germany

10 F M Donini, M Lenzerini, D Nardi, A Schaerf (1997), “Reasoning in Description Logics”, CSLI Publications

11 Francesco M Monini (2003), The description logic handbook: Theory, implementation, and applications, chapter 3: Complexity of reasoning, Published by the press Syndicate

of the university of Cambridge

12 Ian Horrocks, Ulrike Sattler, Franz Baader (2003), “Description logics as ontology languages for the semantic web”, University of Manchaster, UK, Theoretical computer

science, RWTH Achen, Germany

13 Ian Horrocks, Deborah L McGuiness, Chirstopher Welty (2003), The description logic handbook: Theory, implementation, and applications, chapter 14: Digital libraries and web-base information systems, Published by the press Syndicate of the university of

Cambridge

14 Ian Horrocks, Ulrike Sattler, Stephan Tobies (2000), Reasoning with individuals for the Description Logics SHIQ,, University of Manchaster, UK, Lufg theoretical computer

science, RWTH Achen, Germany

15 Jeff Z Pan (2004), Description logic: Reasoning support for the semantic web, the

degree of Doctor of philosophy in the faculty of Science and Engineering Manchester University

16 J M Crawford and B J Kuipers (1991), All: Formalizing Acess-Limited Reasoning,

principles of semantic networks, Morgan Kaufmann, pp 2990-330

17 K.Schild (1991), A correspondence thoery for terminological logic, Perliminary reprt, in

Mylopoulos, R Reiter, editors, proc of IJCAI–91, Sydney

18 Nenad Krdžavac, Dragan Gaševic, Vlandan Devedžić (2004), Description logics reasoning in web-based education environments, University of Belgrade

19 Steffen Hölldodber, TrÇn §×nh Khang, Hans - Peter Slörr (2002), “A Fuzzy Description Logic with Hedges as Concept Modifiers” Technische Universität Dresden, Department

of computer science D-01062 Dresden, Germany

20 U Sattler, D Calvanese, and R Molitor (2003), The description logic handbook: Theory, implementation, and applications, chapter 4: Relationships with other fomalisms,

Published by the press Syndicate of the university of Cambridge