SMART Systems (Vorlesung: KI & XPS) zBeim vorigen Mal: yEinführung, Grundprobleme, Fokussierung zInhalt heute: yEinfache symbolische Repräsentationsansätze.

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1 SMART Systems (Vorlesung: KI & XPS) zBeim vorigen Mal: yEinführung, Grundprobleme, Fokussierung zInhalt heute: yEinfache symbolische Repräsentationsansätze zLernziele: yEntwicklungsgrundlage von heute vieldiskutierten Repräsentationstechniken kennenlernen yEinschätzen der Möglichkeiten und Grenzen Ralf Möller, Univ. of Applied Sciences, FH-Wedel

2 Wiederholung: Regelbasiertes Vorgehen zRegelbasis (rule base) yRegeln xkonjunktiv verknüpfte Vorbedingungen (auch: Antezedenzen) xNachbedingungen (auch: Konklusionen, Konsequenzen) xVorbedindungen ggf. negierbar (Konklusionen nicht negierbar) zArbeitsspeicher (working memory) yElemente: ( )-Tripel yRegelanwendung (Feuern einer Regel) auf Elemente, xdie zu Vorbedingungen passen (match) und im Arbeitsspeicher sind xoder "gerade" nicht im Arbeitsspeicher sind (bei Negation) yHinzufügung der Nachbedingungen zum Arbeitsspeicher

3 … z.B. wenn ein Auto nicht anspringt Regel 1 Wenn(Anlasser Zustand normal) dann (Batterie Zustand OK) Regel 2 Wenn (Batterie Zustand OK) Und (Tankuhr Wert > 0) Und (Benzinfilter Zustand sauber) Dann (Problem Ort Zündanlage) Regel 3 Wenn (Batterie Zustand OK) Und (Tankuhr Wert > 0) Und (nicht (Benzinfilter Zustand sauber)) Dann (Problem Ort Benzinzuleitung) Regel 4 Wenn (nicht (Scheibenw. Zustand OK)) Und (nicht (Licht Zustand OK)) Dann (Defekt Wert Batterie_leer) Regel 5 Wenn (nicht Wert Tankuhr > 0) Dann (Defekt Wert Tank_leer) Regel 6 Wenn (Problem Ort Zündanlage) Und (Verteilerdose Zustand OK) Dann (Defekt Wert Zündspule) (Anlasser Zustand normal) (Scheibenw. Zustand OK) (Licht Zustand OK) (Tankuhr Wert > 0) (Benzinfilter Zustand sauber) (Verteilerdose Zustand OK) Inferenz- kompo- nente (Batterie Zustand OK) Regelbasiertes Vorgehen: Beispiel © Bernd Neumann ArbeitsspeicherRegelmenge Hinzufügung

4 Regelbasiertes Vorgehen: Probleme zOperationale Semantik, Mehrdeutigkeiten zNegation nicht wohlverstanden zDatenrepräsentation mit Tripeln skaliert nicht für große Anwendungen yBetrachtung aller Attribute eines Objekts erschwert yKeine Strukturierung der Objekte in Kategorien yWertebereiche von Attributen nicht festlegbar yKeine indefiniten Angaben über Werte (siehe ">0" im Diagnosebeispiel)

5 Deduktion vs. Reaktion zDeduktion: yNur Hinzufügung von durch Nachbedingungen beschriebene Elemente zum Arbeitspeicher yRegelverkettung (vorwärts und rückwärts) zReaktion: yAuch Löschen von Elementen des Arbeitspeichers, die durch Nachbedingungen beschrieben werden yZustandsmodellierung yVorwärtsverkettung yKommt später im Kontext von Planungsaufgaben

6 Symbolische Datenrepräsentation z( )-Tripel gehen auf philosophische Arbeiten zurück yLeibniz: ca. 1690 yFrege: Begriffsschrift (concept notation), 1879 yAnwendungsorientierte Sichtweisen in der KI (ab ca. 1967) zStatt Tripelsichtweise auf Daten: Netzwerksichtweise ("Semantische Netze", Quillian, 1967) yObjekte sind Knoten, Attribute definieren Kanten yAusgezeichnetes Attribut ISA zur Kategorisierung yProblem: Einige Knoten sind Objekte, einige Knoten repräsentieren Kategorien yKonventionen: z.B. Objekte mit Nummern und klein

7 Regeln mit Variablen zSchema: yWenn (?x ISA Batterie) Dann (?x ISA Elektrisches-Bauteil) zAnwendung im Diagnosebeispiel: yWenn (?x ISA Elektrisches-Bauteil) Und (tankuhr-1 Wert >0) Dann (problem-1 Ort ?x) yIm Arbeitspeicher: x(batterie-1 ISA Batterie) x(tankuhr-1 Wert >0)

8 Weitere Arbeiten zBisheriger Fokus: yDaten: Objekte (im Sinne von atomaren Symbolen) zNeuer Fokus: Kategorien ("Frames", Minsky 1975) yBeschreibung von Attributen von Objekten und ihren Wertebereichen yDer Wert eines Attributs kann eine Menge von Objekten sein, die durch Frame beschrieben werden zBevorzugte Anwendung: yEreignisbeschreibung (z.B. Restaurantbesuch)

9 Frames (Rahmen) zObjekte spielen bei Ereignissen eine best. Rolle zEreignisattribute heißen "Rollen" oder auch "Slots" yBeispiel: Agens, Thematisches-Objekt, Instrument,... x"Robbie hit the ball with a bat" zWertebereichsangaben für Slots zVererbungsprinzip: yAngaben von "Ober-" bzw. "Unterframes" yIdee: Wertebereichsangaben für Slots auf Unterframe(s) übertragen

10 Frame-Systeme: ein Beispiel zDefine-frame Husband ISA: Person Married-to: Person zDefine-frame Parent Has-child: Person zDefine-frame ralf-1 ISA: Husband AND Parent Married-to: silvia-1 Has-child: marcus-1 Hinreichende oder nur notwendige Definitionen?

11 Frame-Systeme: weitere Schwierigkeiten zDatenbeschreibung (Frames) und Daten (Objekte) immer noch vermischt zKann ein Objekt zu mehreren Frames in einer ISA- Beziehung stehen? zKann ein Objekt zu mehreren Frames in einer Oberframe/Unterframe-Beziehung stehen? zSind Frames mit verschiedenen Namen disjunkt? zKann indefinites Wissen repräsentiert werden? yralf-1 ISA Mercedes-Fahrer OR BMW-Fahrer zWas ist mit Negation? "ralf-1 ISA Not Rolls-Royce-Fahrer"

12 Ausprägungen ab ca. 1979 (ggf. mehr Möglichkeiten) zErweiterte Entity-Relationship-Modellierung y+ Relationale Sicht: (, ) y+ n-stellige Relationen y+ Kardinalitätsangaben zUML (Unified Modeling Language) y+ Verhaltensbeschreibung von Objekten zXML (eXtensible Markup Language) y+ Verteilung zRDF (Resource Description Framework) y+ Definition von Beschreibungssprachen

13 XML: eXtensible Markup Language zUrsprung: strukturierter Text (HTML4.0  XML  SGML) zWeb-Standard (W3C) zum Datenaustausch: yEin- und Ausgabedaten von Anwendungen können mittels XML beschrieben werden yIndustrie muß sich nur noch auf standardisierte Beschreibung einigen zKomplementärsprache zu HTML: yHTML beschreibt die Präsentation yXML beschreibt den Inhalt zDatenbank-Sichtweise: XML als Datenmodell für semistrukturierte Daten © Steffen Staab

14 Dokumenttyp vs. Dokument Parser XML DTD Dokument Parse-Baum Parse-Baum = Datenstruktur

15 XML-Modell als linearer Text Foundations of Databases Serge Abiteboul 1997 Addison Wesley... © Steffen Staab

16 XML-Modell als Graph (oder auch Netz) &o1 &o12&o24&o29 SergeAbiteboul Victor Vianu 122133 1997 paper book paper author year author page firstnamelastname firstnamelastnamefirstlast Bib Objektidentifikator als Attribut im Knoten vermerkt Knoten sind markiert Text im Knoten vermerkt © Steffen Staab

17 Schemata in XML (optional) zDTD – Document Type Definitions: yEinfache Grammatik für ein XML-Dokument xDeklaration von Elementen, Attributen, u.a. xBeschränkt die beliebige Verschachtelung von Elementen und Attributen yIst Teil des XML-Standards yErbe von SGML zXML-Schema: yKomplexere Datendefinitionssprache: xViele standardisierte Basistypen, z.B. float, double, decimal, boolean xTypen und typisierte Objektreferenzen xKlassenhierarchien / Vererbung xKonsistenzbedingungen yStandard in Ergänzung zu XML (noch nicht verabschiedet!) yAbwärtskompatibel zu DTD © Steffen Staab

18 XML-Schemata I: DTD zEine DTD definiert eine kontextfreie Grammatik für ein XML-Dokument zZuvor beliebige Elemente und Attribute werden auf eine definierte Auswahl und Struktur eingeschränkt Foundations of Databases Serge Abiteboul 1997 Addison Wesley... Foundations of Databases Serge Abiteboul 1997 Addison Wesley... XML... ]>... ]> DTD © Steffen Staab

19 DTD – Deklaration von Elementen zBeschreibt die Einschränkungen des Inhalts eines Elements zSyntax: zEinziger atomarer Typ: #PCDATA (Parsed Character DATA) z(a,b,c): Liste von Unterelementen z(a|b|c): Alternativen zKardinalitäten: y*keinmal oder beliebig oft y+einmal oder beliebig oft y?kein- oder einmal (optional) y(ohne Angabe): genau einmal zEMPTY : Erzwingen von leerem Element... ]>... ]> DTD © Steffen Staab

20 Syntax ist nicht ausreichend 500 Schekel..... ? Hintergrundwissen/Kontext: Die israelische Währung ist der Schekel (Mehrzahl: Schekelim), offiziell Neuer Israelischer Schekel (NIS). Er setzt sich aus 100 Agorot (Einzahl: Agora ) zusammen © Steffen Staab

21 Hinter XML steckt noch mehr... zModuln/Namensräume zXLink, XPoint: Einbetten von Links und Verzweigungen (zum Aufbau von Graphstrukturen) zXML-Stylesheets yCSS, Cascading Style Sheets (z.B. für HTML) yXML-Transformationen (XSLT) yKnotentests (mit Prädikaten) zXPATH: Adressierung von Elementen im Graph zXML-QL: Anfragesprache

22 XML: ein Blick zurück zSind mit XML die Probleme von Frame-Sprachen beseitigt worden? zMengenwertige Attribute yUND- oder ODER-Semantik? yAnzahlbegrenzung? y firstname lastname author-1

23 XML vs. Frame-Systeme z+ Datenbeschreibung vs. Daten z- Kategorien vs. Objekte z- Indefinites Wissen yMercedes-Fahrer OR BMW-Fahrer z- Negation yNot Rolls-Royce-Fahrer"

24 RDF: Resource Description Format zNicht alle Daten symbolisch beschreibar (z.B. AV-Daten) zIdee: Beschreibung von "Daten" durch Zusatzangaben (Meta-Daten) zVerfügbare "Daten" werden als Ressource aufgafaßt zRessourcen sind durch URI's gekennzeichnet yURI: Unified Resource Identifier, Ressourcenbeschreibungen zRessourcen haben Eigenschaften (Properties) yBeziehungen zu anderen Ressourcen oder atomare Werte zAussagen über Ressourcen (Statements) y"Ressource x hat Eigenschaft y mit Wert z"

25 Kategorien: RDF(S) zRDF: Resource Description Format(Schemata) zBeschreibung von Kategorien (Klassen) yIdee: Festlegung von Ober- und Unterkategoriebeziehungen zDamit Maschinen die Bedeutung von Metadaten erfassen können, sind Standard-Schemata nötig yPICS (Platform for Internet Content Selection): Schema zur Beurteilung von Internet-Inhalten World Wide Web Consortium: PICS Rating Vocabularies in XML/RDF, W3C NOTE yDC (Dublin Core): Schema zur Beschreibung von Inhalten Dublin Core Metadata Initiative. (http://purl.org/dc) zAusdrucksstärke stark eingeschränkt

26 Kategorien: XMLS, XML-Schema zBeschreibung einer Menge (Klasse) von "Dokumenten" zKernideen: ySpezifikation des Typs von Elementen ySpezifikation der Min/Max-Anzahl von Elementen zDetails: yhttp://www.w3.org/TR/xmlschema-0/

27 XML-Schema: Typen zTypdefinition durch yErweiterung (engl. extension) oder yRestriktion (engl. restriction) einer bestehenden Typdefinition zAlle Typen in XML-Schema sind entweder yAtomare Typen (z.B. string, int) oder yErweiterung bzw. Restriktion bestehender Typen zAlle Typen bilden eine Typhierarchie yBaum mit Wurzel: Typ Zeichenkette yKeine Mehrfachvererbung zTypen sind entlang der Typhierarchie abwärtskompatibel: yFür Typinstanzen gilt das Substituierbarkeitsprinzip yElemente eines bestimmten Typs akzeptieren auch Daten einer Erweiterung oder Restriktion des geforderten Typs

28 XML-Schema zEs soll viel mehr "Semantik in einem Schema eingefangen werden" als mit DTDs zFür viele Anwendungen reicht die Modellierungskraft nicht (siehe die Kritik an Frame-Systemen) zWas heißt "Semantik in einem Schema einfangen" ? zXML-Schema noch kein W3C-Standard

29 Web-Kontext: Viele, meist unbekannte Partner © Rudi Studer

30 RDF(S) und XML-Schema: Probleme zVerarbeitung von Informationen an einem Knoten nur möglich, wenn Repräsentationsschema bekannt zVerwendung unterschiedlicher Schemata an unterschiedlichen Knoten zLeicht: netzwerkweiter Zugriff auf Schemata zHart: Berücksichtigung der Bedeutung der in einem Schema repräsentierten Begriffe bei der Verarbeitung zBedeutung ist relativ zu verstehen!

31 Ontologie zUrsprünglich eine philosophische Disziplin yzur Untersuchung und Beschreibung der Realität yWissenschaft vom Seienden vgl. Aristoteles „Metaphysik“ zIn der Informatik wird der Begriff Ontologie häufig folgendermaßen definiert: y"An ontology is an explicit, formal specification of a shared conceptualisation." [Gruber 95] ySymbolische Art und Weise, eine Welt zu modellieren © Steffen Staab

32 Gemeinsame Konzeptualisierung zVerständnis eines Anwendungsbereichs ygetragen von einer Gruppe von Menschen, z. B. einer Abteilung yintensionale Charakterisierung der relevanten Konzepteund Beziehungen eines Anwendungsbereiche yGekennzeichnet wohldefiniertes Vokabular an Lexemen (lexical entries) yeinheitliches Verständnis welche Begriffe (concepts) und Beziehungen (relations) durch die Lexeme referenziert werden © Steffen Staab

33 Syntax, Semantik, Pragmatik zSyntax: Menge von Zeichen (Symbolen, Lexemen), yZeichen tragen Bedeutung für Menschen, nicht für eine Maschine zSemantik: Beziehungen zwischen den Zeichen und der realen (oder einer fiktiven) Welt zPragmatik: Welche Zeichen werden zu welchem Zweck wie gebraucht?

34 Semiotisches Dreieck © Steffen Staab

35 Abbildung von Symbolen auf Dinge der Welt © Steffen Staab

36 Gemeinsames Verständnis bei der Kommunikation © Steffen Staab

37 Ontologien zMenge von Annahmen, die dazu dienen die Abbildung von Symbolen auf Dinge der Welt weniger mehrdeutig zu machen zKommunikation kann nur stattfinden, wenn bezüglich der Annahmen Konsenz herrscht

38 © Rudi Studer

39 Die Idee des Semantic Web zBei Interpretation (z.B. zur Recherche) von Web-Daten auf Bedeutung Bezug nehmen zNicht nur oberflächennahe, syntaktische Operationen anbieten

40 Zusammenfassung, Kernpunkte zAbriß der Historie von Repräsentationssprachen yVon Frames und Semantischen Netzen zu XML und RDF yNeuerdings: Wildwuchs an Standardisierungsvorschlägen yPrimär "Vererbung" als Inferenzschema yAusdrucksstärke (z.B. XML/RDF(S)) zu schwach ySyntax und Tools im Vordergrund, nicht Semantik zDie Idee des Semantic Web ySemantik im Vorderung, nicht Syntax oder Präsentation

41 Was kommt beim nächsten Mal? zBeschreibungslogiken als Grundlage für formale Repräsentations- und Inferenzsysteme zGrundlage von Ontologien