Bài viết nhằm nghiên cứu và đánh giá Horn-DL trong quan hệ so sánh với các ngôn ngữ có độ phức tạp tương đương. Dựa trên các phân tích chúng tôi kết luận được rằng, khả năng biểu diễn tri thức của ngôn ngữ Horn-DL mạnh hơn hẳn các ngôn ngữ đã đưa ra so sánh.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 7, Số (2017) ĐÁNH GIÁ HORN-DL TRONG QUAN HỆ SO SÁNH VỚI HORN-SROIQ Nguyễn Thị Bích Lộc Khoa Cơng nghệ Thơng tin, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Email: ntbichloc@hueuni.edu.vn TÓM TẮT Web ngữ nghĩa lĩnh vực nghiên cứu phát triển nhanh chóng thập niên gần Một lớp quan trọng kiến trúc Web ngữ nghĩa ngôn ngữ Web Ontology (OWL) xây dựng dựa logic mô tả Họ logic mơ tả ngơn ngữ hình thức phù hợp với việc biểu diễn tri thức khái niệm Vì việc nghiên cứu ngơn ngữ quy luật hiệu cho Web ngữ nghĩa vấn đề nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Bài báo nhằm nghiên cứu đánh giá Horn-DL quan hệ so sánh với ngơn ngữ có độ phức tạp tương đương1 Dựa phân tích chúng tơi kết luận rằng, khả biểu diễn tri thức ngôn ngữ Horn-DL mạnh hẳn ngôn ngữ đưa so sánh Từ khóa: Horn-DL, Logic mơ tả, Ngơn ngữ quy luật, Web ngữ nghĩa MỞ ĐẦU Logic mô tả họ ngôn ngữ dùng để biểu diễn tri thức lập luận sở tri thức đó, ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, có Web ngữ nghĩa Ở đây, logic mô tả áp dụng vào ngôn ngữ ontology dùng để biểu diễn miền ứng dụng Ngôn ngữ Web ontology (OWL) tiêu chuẩn để viết ontology cho Web xây dựng dựa logic mô tả khác Phiên OWL dựa logic mô tả SHIQ, phiên thứ hai OWL giới thiệu W3C năm 2009 lại dựa logic mô tả SROIQ Tuy nhiên, vấn đề đặt ngơn ngữ mơ tả có ý nghĩa, khả biểu diễn tri thức mạnh độ phức tạp lập luận lại cao Các logic mô tả SHIQ SROIQ ngơn ngữ có khả biểu diễn tri thức cao, toán lập luận logic mơ tả có độ phức tạp tổ hợp hàm mũ độ phức tạp liệu thuộc lớp NP-khó Vì vậy, W3C giới thiệu hồ sơ Các ngơn ngữ có độ phức tạp tương đương ngơn ngữ có độ phức tạp liệu thuộc lớp đa thức theo thời gian Đánh giá Horn-DL quan hệ so sánh với Horn SROIQ OWL EL, OWL QL OWL RL ngơn ngữ thu cách giới hạn OWL đầy đủ để có độ phức tạp liệu PTime Các ngôn ngữ quy luật logic mô tả thu hút quan tâm nhà nghiên cứu ứng dụng Web ngữ nghĩa Một mặt, logic mơ tả có khả biểu diễn cao tốn suy luận lại có độ phức tạp lớn chí khơng xác định Mặt khác, Logic mô tả yếu (với thủ tục lập luận hiệu quả) lại không đủ khả biểu diễn để mô tả khái niệm quan trọng ứng dụng cho Vì vậy, việc nghiên cứu hài hòa khả biểu diễn Logic mơ tả độ phức tạp tốn lập luận vấn đề quan trọng nghiên cứu logic mô tả Các hồ sơ OWL EL, OWL QL OWL RL ngôn ngữ quy luật đơn điệu có độ phức tạp liệu PTime, chúng đoạn Horn xây dựng cách bổ sung giới hạn thích hợp để khử tính khơng tiền định họ logic mơ tả EL [1], DL-Lite [3] DLP [4] Nhiều đoạn Horn logic mơ tả có độ phức tạp liệu PTime phát triển theo cách Trong đáng ý đoạn Horn-SHIQ [6] Horn-SROIQ [9], biết đến với tập cấu trúc đặc trưng phong phú cho phép đoạn Horn Cùng với phát triển lĩnh vực ngôn ngữ quy luật, logic mô tả Horn-DL [7] đề xuất với độ phức tạp liệu PTime Trong báo đánh giá khả mô tả khái niệm logic mô tả Horn-DL với logic mơ tả có độ phức tạp liệu PTime SO SÁNH HORN-DL VỚI HORN-SROIQ Phần cho biết cú pháp ngữ nghĩa sở tri thức Horn-DL sở tri thức Horn-SROIQ Mỗi sở tri thức bao gồm khẳng định tiên đề thuộc dạng tương ứng ngôn ngữ 2.1 Logic mô tả Horn-DL Logic mô tả Horn-DL giới thiệu [7] phát triển từ Logic mô tả Horn-Reg [8] cách mở rộng tập khái niệm bổ sung thêm khẳng định Gọi C, R+ I tập hợp hữu hạn tập tên khái niệm, tập tên vai trò (bao hàm tập chứa tên vai trò đơn) tập tên cá thể Ta ký hiệu a, b tên cá thể; A, B tên khái niệm; r, s tên vai trò Với r R+, ta ký hiệu đảo ngược r Đặt R = { | r R+} R = R+ R Với R = , ta đặt đại diện cho r Ta gọi phần tử tập R vai trò sử dụng chữ R, S để ký hiệu cho phần tử Một tiên đề bao hàm vai trò (viết tắt RIA) biểu thức có dạng S1S2…Sk⊑R, với k0 Trường hợp k = 0, vế trái tiên đề bao hàm ký hiệu từ rỗng Một khẳng định vai trò biểu diễn có dạng Irr(S) Disj(S,S’), với S S’ vai trò đơn, Irr viết tắt “phản phản xạ” Disj viết tắt “rời nhau” TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 7, Số (2017) Một hệ viết lại phi ngữ cảnh S R tập hữu hạn luật sản xuất phi ngữ cảnh bảng chữ R Hệ gọi đối xứng luật RS1S2…Sk thuộc S, luật thuộc S Hệ gọi quy với R R, tập hợp xâu nhận từ R sử dụng hệ ngôn ngữ quy R Một box quy RIA tập hữu hạn Rh gồm RIA thỏa mãn {RS1S2…Sk | (S1 S2 … Sk ⊑ R) Rh} hệ viết lại quy đối xứng S bảng chữ R cho R R vai trị đơn có xâu độ dài nhận từ R sử dụng hệ S Một RBox quy tập R = Ra Rh, Ra tập hữu hạn khẳng định vai trị Rh box quy RIA Với AC, RR, aI, n số tự nhiên S vai trò đơn, khái niệm xác định văn phạm dạng BNF đây: C ::= ⊤ | ⊥ | A | ¬C | C⊓C | C⊔C | R.C | R.C |{a}| U.C |U.C| R.Self | nS.C | nS.C Ta ký hiệu U R vai trò phổ quát; C, D khái niệm Sử dụng ký hiệu R.C để viết tắt cho R.C⊓R.C Với AC, RR, aI S vai trò đơn, khái niệm vế trái Horn-DL (gọi tắt khái niệm vế trái), xác định văn phạm dạng BNF sau: C ::= ⊤ | A | C⊓C | C⊔C | R.C | R.C |{a}| U.C |U.C| S.Self Với AC, D khái niệm vế trái, RR, aI S vai trò đơn, khái niệm vế phải Horn-DL (gọi tắt khái niệm vế phải), xác định văn phạm dạng BNF sau: C ::= ⊤ | ⊥ | A | ¬D | C⊓C | ¬D⊔C | R.C | R.C |{a}| U.C |U.C| R.Self| nS.C | nS.C Một tiên đề thuật ngữ Horn-DL, gọi tiên đề (bao hàm) TBox biểu thức có dạng C ⊑ D, với C khái niệm vế trái D khái niệm vế phải TBox Horn-DL tập hữu hạn tiên đề thuật ngữ Horn-DL a ABox Horn-DL tập hữu hạn khẳng định có dạng C(a), r(a, b), ¬s(a, b), a≐b b, với C khái niệm vế trái, rR+ s tên vai trò đơn Một sở tri thức Horn-DL R, T, A, với R RBox quy, T TBox Horn-DL A ABox Horn-DL Ngữ nghĩa sở tri thức Horn-DL diễn giải I = I, I, I tập không rỗng gọi miền I I hàm diễn giải I tương ứng cá thể a I với phần tử aI I, vai trò rR+ với quan hệ nhị phân rI I I Đánh giá Horn-DL quan hệ so sánh với Horn SROIQ Định nghĩa I = {x, x | xI}, UI = I I ( )I = (rI)-1 = {y, x | x, y rI} với rR+ Hàm diễn giải mở rộng tất khẳng định tiên đề Bảng khái niệm phức sau: ⊤I = I , ⊥I = ∅, {a}I = {aI}, (R.Self)I = {xI | x, x RI }, (¬C)I = I \ CI, (C ⊓ D)I = CI DI, (C ⊔ D)I = CI DI, (R.C)I = {x I | y (x, yRI ⇒ y CI)}, (U.C)I = {x I | I CI }, (R.C)I = {x I | y (x, yRI y CI)}, ( nS.C)I = {x I | #{y | x, ySIvà y CI} n}, ( nS.C)I = {x I | #{y | x, ySIvà y CI} n}, (U.C)I = {x I | CI ∅} Bảng Cú pháp ngữ nghĩa Horn-DL Ngữ nghĩa S S S kI ⊑ RI SI phản phản xạ S I S 'I = ∅ CI DI aI CI aI, bI rI aI, bI sI aI = bI aI ≠ bI Cú pháp (I) (II) (III) (IV) (V) (VI) (VII) (VIII) (IX) S1S2…Sk⊑R Irr(S) Disj( S , S ' ) C⊑D C(a) r(a, b) ¬s(a, b) a≐b a b I I RBox TBox ABox Trong bảng này, a, b I, rR+ s tên vai trò đơn, Si, R R, S, S’ vai trò đơn, k ≥ 0, C khái niệm vế trái, D khái niệm vế phải Như vậy, tiên đề bao hàm TBox họ tiên đề bao hàm dạng (IV) 2.2 Logic mô tả Horn-SROIQ Horn-SHOIQ Logic mô tả Horn-SROIQ [9] định nghĩa đoạn SROIQ đầy đủ [5] khơng cho phép sử dụng phép hợp Giả sử NC, NR, NI tập hữu hạn, tương ứng tập tên khái niệm, tên vai trò cá thể; Giả sử {⊤, ⊥} ⊂ NC Nếu r NR, r vai trị, lúc vai trị đảo ngược chúng tương ứng = = r Trong ngôn ngữ SROIQ đầy đủ, tiên đề bao hàm vai trò tổng quát (RIA) có dạng s1 s2 … sk ⊑ r, với r si vai trị Một tập RIA R quy có thứ tự cục nghiêm ngặt ≺ vai trò cho s ≺ r ≺ r, RIA R phải có dạng (I) (V) Bảng Các vai trò đơn R định nghĩa cách đệ quy sau: (a) r NR vai trò đơn r vế phải RIA dạng s⊑r s vai trò đơn; (b) vai trò đơn r vai trò đơn Một TBox T có dạng RT’, R tập quy chứa RIA T’ tập tiên đề có dạng từ (VI) đến (XII) Bảng Cơ sở tri thức Horn-SROIQ K = T, A, với T TBox ABox A tập không rỗng khẳng định có dạng (XIII) (XIV) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 7, Số (2017) Logic mô tả Horn-SHOIQ thu cách giới hạn Horn-SROIQ sau: cho phép RIA dạng (I), (II’) (V) Bảng 2; không cho phép tiên đề rời dạng (VI) Bảng 2, khái niệm dạng r.Self không cho phép Cũng logic mô tả khác, ngữ nghĩa sở tri thức cho diễn giải I = I, I Diễn giải ánh xạ cá thể aNI tương ứng với phần tử aI I, khái niệm A NC với AI I vai trò rNR với quan hệ nhị phân rI I I, cho ⊤I = I, ⊥I = ∅ Ánh xạ I mở rộng đến tất khái niệm vai trò giới thiệu Bảng Bảng Cú pháp ngữ nghĩa Horn-SROIQ Ngữ nghĩa rI TBox I I r rI rI I rI I rI rI rI rI rI I s s’ I = ∅ AI BI CI I A {x I | y.x, yRI ⇒ y BI} AI {x I | y.x, yRI y BI} {x I | y.x, yRI y BI} AI AI {x I | 1} Cú pháp (I) (II) (II’) (III) (IV) (V) (VI) (VII) (VIII) (IX) (X) (XI) ⊑r ⊑r s1 ⊑ r r⊑r r⊑r rr⊑r Disj(s,s’) A⊓B ⊑ C A ⊑ R.B A ⊑ R.B R.A ⊑ B A ⊑ 1s.B (XII) (XIII) (XIV) A ⊑ m s.B a:A (a, b):r AI {x I | a A aI, bI rI I I m} ABox Trong bảng này, m 0, a, b NI, r NR, R vai trò s, s’ vai trị đơn Ngồi ra, = s1 s2 … sk, k1 với 1ik si vai trò thỏa mãn si ≺ r A, B C tên khái niệm, định danh dạng {a} dạng r.Self 2.3 Bài toán thỏa sở tri thức Một diễn giải I mơ hình sở tri thức KB, thỏa mãn tất tiên đề TBox tất khẳng định ABox, ký hiệu I ⊨KB Bài toán thỏa sở tri thức toán định xem sở tri thức KB cho, liệu có tồn mơ hình I I ⊨ KB hay không Lớp độ phức tạp liệu Horn-DL định nghĩa lớp độ phức tạp toán thỏa sở tri thức Horn-DL theo kích thước ABox A, giả định RBox R TBox T cố định A ABox Horn-DL rút gọn [7] Lúc độ phức tạp liệu Horn-DL thuộc lớp PTime Đánh giá Horn-DL quan hệ so sánh với Horn SROIQ Bài toán thỏa sở tri thức Horn-SROIQ thuộc lớp ExpTime [9], cố định TBox T độ phức tạp liệu Horn-SROIQ thuộc lớp PTime KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mặc dù độ phức tạp liệu sở tri thức Horn-SROIQ Horn-DL thuộc lớp PTime, nhiên khả biểu diễn tri thức ngơn ngữ khơng hồn tồn 3.1 Đánh giá RBox Horn-DL tập RIA Horn-SROIQ Giả sử R’ tập RIA Horn-SROIQ R RBox Horn-DL Dựa cú pháp ngữ nghĩa Horn-SROIQ Horn-DL, thấy biểu diễn R’ biểu diễn cách sử dụng khẳng định vai trò tiên đề bao hàm vai trò R - Nếu R’ có chứa khẳng định vai trị dạng Disj( s, s' ) R chứa khẳng định vai trò Disj( S , S ' ) - Nếu R’ chứa tiên đề bao hàm vai trò dạng ⊑ r R chứa S ⊑ R, trường hợp đặc biệt tiên đề bao hàm vai trò dạng S1S2…Sk⊑R, với k = S nghịch đảo tên vai trò đơn (tức SRˍ); - Nếu R’ chứa tiên đề bao hàm vai trị dạng s1 ⊑ r R chứa S ⊑ R, S vai trò R; - Nếu R’ chứa tiên đề bao hàm vai trò dạng ⊑ r, r ⊑ r, r ⊑ r, r r ⊑ r, R chứa tiên đề bao hàm vai trị có dạng S1S2…Sk⊑R, giá trị k ≥ 1; Như ta thấy tập chứa RIA Horn-SROIQ RBox Horn-DL, điều ngược lại không Cụ thể, RBox Horn-DL chứa khẳng định vai trị Irr(S) khả biểu diễn tính phản phản xạ vai trị R’ Horn-SROIQ khơng thực Ngồi ra, RBox Horn-DL cịn chứa tiên đề bao hàm vai trò dạng ⊑ R (trường hợp đặc biệt S1S2…Sk⊑R, với k = 0), RIA Horn-SROIQ dạng không cho phép 3.2 Đánh giá TBox Horn-DL TBox Horn-SROIQ Các tiên đề bao hàm khái niệm Horn-SROIQ gồm tiên đề từ dạng (VII) đến dạng (XII) bảng Các tiên đề bao hàm TBox Horn-DL tiên đề dạng C ⊑ D, C khái niệm vế trái, D khái niệm vế phải Ta nhận thấy vế trái quan hệ bao hàm ⊑ tiên đề từ (VII) đến (XII) Horn-SROIQ chấp nhận khái niệm vế trái C, vế phải quan hệ bao hàm ⊑ tiên đề chấp nhận khái niệm vế phải D Tuy nhiên ngược lại khơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 7, Số (2017) Trong Horn-SROIQ khái niệm r.Self xuất vế phải quan hệ bao hàm ⊑ r vai trị đơn, Horn-DL chấp nhận R.Self với R vai trò Khái niệm vế trái C có dạng R.C, nhiên Horn-SROIQ không cho phép cấu trúc R.C vế trái tiên đề bao hàm TBox Ngoài ra, Horn-DL chứa vai trò phổ quát Horn-SROIQ khơng chấp nhận vai trị Như TBox Horn-SROIQ TBox Horn-DL, điều ngược lại không 3.3 Đánh giá ABox Horn-DL ABox Horn-SROIQ Từ bảng bảng 2, ta thấy ABox Horn-SROIQ ABox Horn-DL, nhiên điều ngược lại không Trong ABox Horn-DL chứa khẳng định dạng Irr(S), s(a, b), a b ABox Horn-SROIQ khơng chấp nhận dạng 3.4 Bài tốn minh họa đánh giá Chúng ta mô tả quan hệ gia đình từ khái niệm nguyên tử Human sau Đặt R = {hasChild ⊑ , hasChild hasChild ⊑ hasDescendant, ⊑ } ⊑ hasParent, hasChild ⊑ hasDescendant, , T = {Man ⊑ Human, Woman ⊑ Human, Man ⊓ Woman ⊑ ⊥, hasChild.Human ⊑ Parent, hasChild.Parent ⊑ GrandParent, Parent ⊓ Man ⊑ Father, Parent ⊓ Woman ⊑ Mother, hasChild.Woman ⊑ ParentHasNoSon, hasChild.Man ⊑ ParentHasNoDaughter} A = {Man(Tom), Woman(Helen), ParentHasNoDaughter(Peter), hasChild(Olga, Peter), hasChild(Peter, Bill), hasChild(Peter, Win), hasChild(Helen, Win), hasDescendant(Tom, Win), Bill Win, ¬hasChild(Tom, Helen)} Lúc KB = sở tri thức Horn-DL Ta thấy Tom, Peter thể khái niệm Father tương ứng với KB Tom, Peter, Bill, Win thể khái niệm Man tương ứng với KB, đồng thời KB ⊨ hasChild(Tom, Peter) Nếu dùng cấu trúc Horn-SROIQ để mô tả sở tri thức trên, khơng thể mô tả bao hàm khái niệm hasChild.Woman ⊑ ParentHasNoSon, hasChild.Man ⊑ ParentHasNoDaughter chưa đủ sở để suy Bill, Win thể Man Ngoài ra, cấu trúc Horn-SROIQ khơng thể mơ tả Bill Win, ¬hasChild(Tom, Helen) mơ hình sở tri thức chưa thỏa hasChild(Tom, Peter) Đánh giá Horn-DL quan hệ so sánh với Horn SROIQ KẾT LUẬN Bài báo đánh giá khả biểu diễn tri thức ngơn ngữ quy luật, từ kết luận Horn-DL hoàn toàn mạnh Horn-SROIQ Như vậy, Horn-DL ngơn ngữ có khả biểu diễn tri thức cao việc nghiên cứu để phát triển Horn-DL nghiên cứu có nhiều triển vọng Hướng phát triển tương lai tìm kiếm thuật tốn hiệu để trả lời truy vấn sở tri thức Horn-DL LỜI CẢM ƠN Xin cảm ơn Trường Đại học Khoa học Huế cấp kinh phí cho báo (đây phần đề tài Nghiên cứu Khoa học cấp sở Trường) Cảm ơn Khoa Công nghệ Thông tin, thầy cô đồng nghiệp tạo điều kiện để nghiên cứu hoàn thành TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F Baader, S Brandt, and C Lutz (2005) Pushing the EL envelope, In Proceedings of IJCAI’2005, Edinburgh, pp 364-369 [2] F Baader, S Brandt, and C Lutz (2008) Pushing the EL envelope futher, In Proceedings of OWLED 2008 DC Workshop on OWL: Experiences and Directions, Washington [3] D Calvanese, G De Giacomo, D Lembo, M Lenzerini, and R Rosati (2007) Tractable reasoning and efficient query answering in description logics: The DL-Lite family, J Automated Reasoning, vol 39(3), pp 385-429 [4] B.N Grosof, I Horrocks, R Volz, and S Decker (2003) Description logic programs: combining logic programs with description logic, In Proc of WWW’2003, Budapest, pp 48-57 [5] I Horrocks, O Kutz, U Sattler (2006) The Even More Irresistible SROIQ, In Proc KR’2006, Lake District, pp 57-67 [6] U Hustadt, B Motik, and U Sattler (2007) Reasoning in description logics by a reduction to disjuntive Datalog, J Automated Reasoning, vol 39(3), pp 351-384 [7] L.A Nguyen, T.B.L Nguyen, and A Szałas (2013) Horn-DL: An expressive Horn description logic with PTime data complexity, In Proc of RR’2013, Mannheim, vol 7994 of LNCS, pp 259-246 [8] L.A Nguyen (2010) Horn knowledge base in regular description logics with PTime data complexity, Fundamenta Informaticae, vol 104(4), pp 349-384 [9] M Ortiz, S Rudolph, and M Šimkus (2010) Worst-case Optimal Reasoning for the Horn-DL Fragments of OWL and 2, In Proc KR’2010, Toronto, pp 269-279 [10] M Ortiz, S Rudolph, and M Šimkus (2011) Query answering in the Horn fragments of the description logics SHOIQ and SROIQ, In Proceedings of IJCAI’2011, Barcelona, pp 1039-1044 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 7, Số (2017) EVALUATION OF HORN-DL IN COMPARISON WITH HORN SROIQ Nguyen Thi Bich Loc Department of Information Technology, Hue University College of Sciences Email: ntbichloc@hueuni.edu.vn ABSTRACT Semantic Web is a research area which has been rapidly growing in the last decades One of the important layers of Semantic Web is Web Ontology Language (OWL), which is based on the description logics (DLs) These logics are formal languages suitable for representing terminological knowledge Thus, effective rule languages are a research problem received much attention from researchers In this article, we have researched and evaluated Horn-DL in comparison with languages of same complexity Basing on the analysis we concluded that the ability of knowledge representation of Horn-DL fragments is stronger than the languages compared Keywords: Description Logics, Horn-DL, Rule Languages, Semantic Web ... hasChild(Tom, Peter) Đánh giá Horn-DL quan hệ so sánh với Horn SROIQ KẾT LUẬN Bài báo đánh giá khả biểu diễn tri thức ngơn ngữ quy luật, từ kết luận Horn-DL hoàn toàn mạnh Horn-SROIQ Như vậy, Horn-DL ngơn... I, vai trò rR+ với quan hệ nhị phân rI I I Đánh giá Horn-DL quan hệ so sánh với Horn SROIQ Định nghĩa I = {x, x | xI}, UI = I I ( )I = (rI)-1 = {y, x | x, y rI} với rR+ Hàm diễn... tả Horn-DL [7] đề xuất với độ phức tạp liệu PTime Trong báo đánh giá khả mô tả khái niệm logic mô tả Horn-DL với logic mơ tả có độ phức tạp liệu PTime SO SÁNH HORN-DL VỚI HORN-SROIQ Phần cho biết