Engenharia de Conhecimento Fred Freitas CIn UFPE Fred

Engenharia de Conhecimento Fred Freitas CIn - UFPE Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 1

Como construir SBCs? ? • Sabemos como funcionam – Regras de produção ou programação em lógica • . . . O que possuem – Motor de inferência • Mas não sabemos de métodos para – Adquirir o conhecimento • Do domínio => como construir ontologias • Das tarefas => como construir uma boa base de regras • Item importante – Reuso => em especial para ontologias Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 2

Etapas da Engenharia do Conhecimento Nível de Conhecimento Nível Lógico Nível de Implementação AQUISIÇÃO FORMALIZAÇÃO linguagem natural linguagem de representação de conhecimento linguagens de programação IMPLEMENTAÇÃO BC REFINAMENTO Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 3

Aquisição de Conhecimento Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 4

Ciclo de Desenvolvimento de um Sistema Especialista Inicialização Definição do Problema, Requisitos Análise Fechamento da Base de Conhecimento e dos módulos, Testes, Validação pelos Avaliação usuários, Aquisição de Projeto, Identificação Conhecimento, Desenvolvidas fontes de mento o Gargalo ! conhecimento Prototipagem Definição e Representação do Conhecimento, Protótipos, Módulos, Interface, Testes Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br Treinamento, Documentação Operação, Upgrades, Avaliação Implemenperiodica tação Manutenção 5

Soluções para os Problemas de Aquisição • Métodos de aquisição – Manuais – Semi-automáticos – Automáticos • Sistemas Especialistas de 2ª. geração Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 6

Métodos Manuais de Aquisição exp licit especialista açã documentação o Engenheiro de codificação Base de conhecimento • Entrevistas – Desestruturada – Estruturada: agendas, formulários, casos, etc • Rastreamento cognitivo – Gravações de descrições detalhadas do especialista • Engenheiro faz regras e valida com o especialista Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 7

Entrevistas • método de aquisição de conhecimento mais usado • informação e o conhecimento são recolhidos através de diversos meios – questionários, anotações, gravações – posteriormente transcritos, analisados e codificados • normalmente são necessárias várias entrevistas ou sessões de trabalho • o espaçamento entre as entrevistas deverá permitir: – que o Engenheiro do Conhecimento possa processar todo o conhecimento adquirido na entrevista anterior – que o conhecimento adquirido seja representado, codificado e testado por um protótipo do sistema Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 8

Entrevistas Desestruturadas – Pode-se estabelecer uma relação professor/aluno entre o Especialista e o Engenheiro de Conhecimento. – O Especialista : • • faz o acompanhamento de casos explica o que faz e porque o faz explicita conceitos, habilidades e estratégias que usa aconselha a leitura de documentos, bibliografia – Freqüentemente as descrições dos processos cognitivos do perito parecem incompletas ou desorganizadas • complexidade do domínio • faltam os relacionamentos diversos itens de informação e conhecimento • falta de treino dos Engenheiros do Conhecimento na condução das entrevistas Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 9

Entrevistas Estruturadas • processo sistemático orientado a objetivos • a comunicação entre o Engenheiro do Conhecimento e o especialista é previamente organizada • o Engenheiro do Conhecimento prepara as sessões de aquisição do conhecimento identificando as questões mais relevantes • uso de formulários, documentos, atas, protocolos, . . . Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 10

Aquisição de Conhecimento usando Acompanhamento do Raciocínio • técnica popular na Psicologia Cognitiva na qual se tenta rastrear o raciocínio do especialista – concluir como ele raciocina • os métodos podem ser mais ou menos formais – Análise do Protocolo - método formal mais conhecido – o especialista é solicitado a resolver problemas concretos e a verbalizar o raciocínio que utiliza na resolução desse problema – fica registado o o processo de tomada de decisão efetuado pelo especialista passo-a-passo • pode ser efetuada a gravação da sessão • processo essencialmente unilateral, ao contrário das entrevistas Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 11

Aquisição de Conhecimento com observação do especialista • modo mais natural de efetuar a aquisição • pode ser complexo – O especialista pode dirigir uma equipe de várias pessoas – O especialista pode resolver vários problemas simultaneamente – Comportamento do especialista pode ser diferente pelo fato de saber que está sendo observado • o conhecimento que se adquire pode não corresponder exatamente Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 12

Aquisição de Conhecimento guiada pelo especialista • os Engenheiros do Conhecimento costumam não cobrir bem o conhecimento do domínio • podem surgir problemas na comunicação com o perito • aquisição de conhecimento pode ser um processo demorado, com várias iterações • Os especialistas podem agir também como Engenheiros, codificando diretamente o seu conhecimento – Manualmente: através de relatórios e questionários – Automaticamente: através de uma ferramenta computacional que ajuda o perito a introduzir o conhecimento e procura detectar falhas nesse mesmo conhecimento (incoerências, ambiguidades, redundâncias, etc). Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 13

Métodos Semi-automáticos de Aquisição especialista Ferramentas de apoio Base de conhecimento Engenheiro de conhecimento • Ferramentas para o engenheiro – Editores, ambientes integrados (ex: Protégé), ferramentas visuais • Ferramentas para o especialista – Análise de grades de características (repertory grid analysis) Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 14

Métodos Automáticos de Aquisição Casos e exemplos Indução automática Regras • Técnicas de Aprendizado Automático – É preciso gerar conhecimento explícito, muitas vezes em forma de regras! Por isso. . . – Técnicas simbólicas de aprendizado • Árvores de Decisão • Espaço de Versões, . . . Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 15

Engenharia de ontologias Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 16

Princípios de construção • • • Clareza Legibilidade Coerência Extensibilidade Mínima codificação Mínimo compromisso ontológico Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 17

Ontologia Ciência [Freitas 2001] • Reusada a partir da ontologia do projeto europeu (KA)2 [Benjamins et al 98] do espelho da Ontolingua na Universidade de Madri • Refinada em granularidade e engajamento ontológico • Inclui ontologias auxiliares de tempo, locais e turismo Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 18

Princípios usados • Clareza e legibilidade – Jargão empregado • Mínimo compromisso ontológico – na classe Documento Científico, não há restrições desnecessárias para o slot Autores (qualquer subclasse da classe Pessoa inclusive a subclasse Pesquisador) • Extensibilidade - novas classes puderam ser definidas a partir das já existentes • Coerência - a relação parte-todo entre artigos de um proceedings, ou entre capítulos de um livro, não estava explicitada Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 19

O uso e a engenharia de ontologias estão atrelados. . . Knowledge Meta-process Design, Implementation, Evolution of the Ontology Knowledge Process Use of the Ontology Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 20

Metaprocesso de construção Reverse Ont-O-Mat Portals & Portal Generation Use Navigation Context Ontobroker Crawling / Syndication Create Import Common Language Context Rules Semantic Miner Semantic Syntactic Bridge Find Concepts Attributes, Rules Capture Organize Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br Ont-O-Mat 21

Metodologias de desenvolvimento [Gómez-Perez 99] • Processo iterativo, com revisões constantes • Nas metodologias propostas, são considerados passos similares aos de engenharia de software: – Especificação – Conceitualização – Implementação • Atividades de suporte são executadas concomitantemente com o desenvolvimento – – Aquisição Avaliação Documentação Integração com ontologias existentes Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 22

Metodologias de desenvolvimento (cont. ) Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 23

Especificação • Determina o propósito e escopo da ontologia • Deve incluir uma análise para decidir se é possível, necessário ou adequado o reuso de ontologias • Sugere-se elaborar uma lista de questões de competência [Uschold & Gruninger 96] – Servirão para a avaliação da ontologia durante o desenvolvimento – Ex: “Jornais científicos são considerados eventos científicos? ” Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 24

Conceitualização [Noy 97] • Fase crítica, nela ocorrem a maior parte das atividades de suporte de aquisição e avaliação • Passos e dicas: – Enumerar os termos do domínio – Definir as classes - não confundir nomes de um conceito com o próprio conceito – Definir a hierarquia das classes - passo capcioso – Definir os slots e facetas de cada classe, interagindo com os dois passos anteriores – Criar as instâncias - Se elas não possuem uma hierarquia natural, é preciso revisar a hierarquia das classes – Usar convenções de nomes facilmente compreensíveis. Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 25

Especificação Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 26 © York Sure

Fontes de Conhecimento Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 27 © York Sure

Questões de Competência Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 28 © York Sure

Rastreamento Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 29 © York Sure

Definir a hierarquia das classes • Observar a clareza e consistência da hierarquia • Evitar subclasses demais pelo uso de classes intermediárias • Ver se não há poucas subclasses - a informação dos slots pode tornar-se insuficiente para refletir diferenças entre as instâncias. • Abordagens para a definição de hierarquias [Uschold & Gruninger 96]: – top-down, classes mais gerais e depois as específicas – bottom-up – middle-out, que começa por classes intermediárias que vão sendo especializadas (para baixo) e generalizadas (para cima) Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 30

Definir os slots e facetas • Slots intrínsecos – ex: número de pernas • Slots extrínsecos – ex: nome de uma pessoa • Partes de uma classe – ex: partes do corpo: cabeça, tronco e membros • Relacionamentos - instâncias de outras classes. – Especificar a classe mais geral possível – EX: a faceta classes-permitidas do slot Participantes da classe Projeto são instâncias da classe Pesquisadores • Pesquisadores incluem estudantes de pós-graduação, professores, etc Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 31

Implementação e Avaliação • Objetivo: transformar a ontologia em algo computável • Na fase de implementação, a ontologia é escrita numa linguagem de representação de conhecimento • Na fase de avaliação, são executados testes para verificar se a ontologia atende aos requisitos especificados na fase de especificação • Testes freqüentemente provocam mudanças na implementação Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 32

Ontology Engineering: OTK Methodology (EU Project: On-To-Knowledge) [Studer & Volz 2003] Applications Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 33

Tool Support for Methodology Onto. Edit KAON Ontology Evolution Applications Onto. Mat-Annotizer Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 34

Ontology Evolution Process How to discover a change? How to resolve a change? How to ensure the consistency? Discovery Representation Semantics of change Implementation Propagation Validation Core component Refinement requirement Functional & Guidance requirement Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br Refinement requirement 35

Evolution Strategies Required change Semantics of change Required and derived changes Evolution strategy An evolution strategy unambiguously defines the way how changes will be resolved X delete reconnect to the root Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br reconnect to the parent 36

Revendo os passos rapidamente. . . Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 37

Engenharia de Conhecimento 1) Decida sobre o que falar 2) Escolha o vocabulário de predicados, funções e constantes (Ontologia do Domínio) 3) Codifique o conhecimento genérico sobre o domínio (axiomas) " x, y, z Americano(x) Ù Arma(y) Ù Nação(z) Ù Hostil(z) Ù Vende(x, z, y) Þ Criminoso(x) 4) Codifique uma descrição de uma instância específica do problema Nação(Cuba), Nação(USA), Vende(West, Arma 1, Cuba) 5) Proponha questões para o procedimento de inferência e obtenha respostas ou decisões West é criminoso? Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 38

Um Exemplo: Circuitos Digitais • Estabelecer o objetivo: – determinar se o circuito está de acordo com sua especificação (o circuito acima é um somador) – responder a perguntas sobre o valor da corrente em qualquer ponto do circuito Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 39

Decida sobre o que falar • Para alcançar o objetivo, é relevante falar sobre – circuitos, terminais, sinais nos terminais, conexões entre terminais • Para determinar quais serão esses sinais, precisamos saber sobre: – portas e tipos de portas: AND, OR, XOR e NOT • Não é relevante falar sobre: – fios, caminhos dos fios, cor e tamanho dos fios, etc • Tudo isso tem de estar na ontologia! Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 40

Decida qual vocabulário usar • Nomear os objetos e relações do domínio com funções, predicados e constantes – constantes • distinguir as portas : X 1, X 2. . . • distinguir os tipos de porta: AND, OR, XOR. . . – funções e predicados • tipo de uma porta: Tipo(X 1) = XOR, Tipo(X 1, XOR), XOR(X 1) • indicar entradas e saídas: Out(1, X 1), In(1, X 2) • indicar conectividade entre portas: Conectado(Out(1, X 1), In(1, X 2)) Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 41

Codifique regras genéricas (1) Dois terminais conectados têm o mesmo sinal: (1) " t 1, t 2 Conectado(t 1, t 2) Þ Sinal(t 1) = Sinal(t 2) (2) O sinal de um terminal é On ou Off (nunca ambos) " t Sinal(t) = On Ú Sinal(t) = Off, On ¹ Off (3) Conectado é um predicado comutativo " t 1, t 2 Conectado(t 1, t 2) Û Conectado(t 2, t 1) (4) Uma porta OR está On sse qualquer das suas entradas está On: " g Tipo(g) = OR Þ Sinal(Out(1, g)) = On Û $ n Sinal(In(n, g))=On (5) etc. . . Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 42

Codifique a instância específica • Portas: Tipo(X 1) = XOR Tipo(X 2) = XOR Tipo(A 1) = AND Tipo(A 2) = AND Tipo(O 1) = OR • Conexões: Conectado(Out(1, X 1), In(1, X 2)) Conectado(Out(1, X 1), In(2, A 2)) Conectado(Out(1, A 2), In(1, O 1)). . . Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 43

Proponha questões ao Procedimento de Inferência • Que entradas causam Out(1, C 1) = Off e Out(2, C 1) = On? $ i 1, i 2, i 3, o 1, o 2 Sinal(In(1, C 1)) = i 1 Ù Sinal(In(2, C 1)) = i 2 Ù Sinal(In(3, C 1)) = i 3 Ù Sinal(Out(1, C 1)) = o 1 Ù Sinal(Out(2, C 1) = o 2. • Resposta: (i 1 = On Ù i 2 = On Ù i 3 = Off) Ú (i 1 = On Ù i 2 = Off Ù i 3 = On) Ú (i 1 = Off Ù i 2 = On Ù i 3 = On) Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 44

Proponha questões ao Procedimento de Inferência • Quais são os conjuntos de valores possíveis para todos os terminais do circuito? $ i 1, i 2, i 3 Sinal(In(1, C 1)) = i 1 Ù Sinal(In(2, C 1)) = i 2 Ù Sinal(In(3, C 1)) = i 3 Ù Sinal(Out(1, C 1)) = Off Ù Sinal(Out(2, C 1) = On • Resposta é o objetivo do agente! Fred Freitas - fred@cin. ufpe. br 45