TEORETYCZNE PODSTAWY ONTOLOGII
2.1. Definicje ontologii
Chociaż środowisko badawcze Al intensywnie poszukuje powszechnie akceptowa nej definicji i znaczenia terminu ‘ontologie’, to wciąż brakuje takiej formalnej defini cji, która byłaby w pełni uzgodniona i akceptowana przez wszystkich [Tamma 2001, s. 14-25].
2.1.1. Definicja ontologii Grubera
Najczęściej przywoływana definicja ontologii została zaproponowana przez Toma Grubera:
Ontologie są jawną specyfikacją konceptualizacji [Gruber 1993b,s. 199].
Definicja ta odzwierciedla przekonanie, że deklaratywna formalizacja wiedzydanej domenydyskursu rozpoczyna sięod konceptualizacji tej dziedziny, która jest identyfi kacją obiektów hipotetycznie istniejących w świecie oraz relacji pomiędzy nimi.
Obiekty są tu rozumiane wnajszerszym znaczeniu; termin tendenotuje zarówno rzeczy konkretne, jak i abstrakcyjne. Konceptualizacja według Deviki Subramanianjest to model świata. Składa się ona z trzech elementów, którymi są: dyskutowane uniwer-sum, zestaw podstawowych zasad funkcjonalnych dla uniwersum i zestaw relacji wy znaczonychw nim [Subramanian 1989, s. 19].
Dyskutowanym uniwersum jest zestaw obiektów, których dotyczy wiedza. Kla
sycznym przykładem konceptualizacji jest domena Świat Klocków25, w której obiek
tami jest pięć dziecięcych klocków do zabawy, nazwanych a, b, c, d, e. Zasady funk
cjonalne gromadzą podstawowe relacje pomiędzy obiektami uniwersum, np. w przy
padku Świata Klocków przydatne może być włączenie do konceptualizacji funkcji
‘szczyt’, odwzorowującejjeden klocek na drugi, jeżeli drugi klocek jest położony na pierwszym. Zestaw relacji jest zestawem innego rodzaju związków, występujących pomiędzyobiektami uniwersum.Zapiszemy konceptualizację jako <D, F, R>, gdzie D oznacza domenę,którą jest uniwersum, F jest zestawem podstawowychzasad funkcjo nalnych, a R - zestawem relacji. Dla pewnych celów można pominąć różnice pomię
25 Por. teżŚwiat Książekw publikacji W.Glińskiego [Gliński 2005b, s. 165-166].
Teoretyczne podstawy ontologii 39 dzy zasadamifunkcjonalnymi i zestawem relacji. W takim przypadku zapiszemy kon-ceptualizację jako prostszą strukturę<D,R>, gdzie R jest zestawem wszystkich relacji występujących pomiędzy obiektami składającymi się na dyskutowane uniwersum.
W ŚwiecieKlocków można, na przykład, wziąć pod uwagę relację ‘ponad’, oznaczają cą, że dla dwóch klockówniązwiązanych jeden jest zawsze ponad drugim, lub relację
‘na’ występującą, jeżelijeden klocek jest umieszczony bezpośrednio na drugim itp.
Konceptualizacją domeny Świata Klocków mogą być trzy zbiory: {{a, b, c, d, e}, {szczyt}, {na, ponad, usuń, stół}}. W ten sposób konceptualizacja domeny jest to ze staw opisów ontologicznych {C1( C2, ..., Cn}, gdzie każde C,jest jednostką domeny, funkcją lub relacją dotyczącą jednej z jednostek. Wyjaśnienie każdego symbolu C, przez przypisanie mu znaczenia odpowiada opisowi domeny z określonego punktu widzenia, a tym punktem widzenia jestOntologią.
Według Grubera ontologie są zestawem pięciuelementów: klas (ang. classes}, wy stąpień (ang. instances), funkcji (ang. fonctions), relacji (ang. relations) i aksjomatów (ang. axions). Klasy dotyczą jednostek domeny, wystąpienia są bieżącymi obiektami znajdującymi się w domenie, funkcje i relacje wiążą jednostki domeny, natomiast ak
sjomaty wyznaczają (uściślają) znaczenie i sposób użycia klas i wystąpień, funkcji i relacji. Definicja ontologiiGrubera odwołuje się do przedstawionegopowyżej pojęcia konceptualizacji, z tą jedynie różnicą, żeGruber mówi o klasach, wystąpieniach i ak sjomatach, zamiast o dyskutowanym uniwersum.
Pomimo, że propozycja Grubera jest jedną z najczęściej cytowanych definicji on
tologii, niektórzy autorzy wskazują na wynikające z niej problemy. Jednym z powo
dów krytyki jest sposób rozumienia konceptualizacji, jaki stał się podstawą tej defini
cji. Konceptualizacja wtakim rozumieniu bazuje namatematycznychdefinicjach funk
cji irelacji, które sąz zasady ekstensjonalne26 [Guarino,Giaretta 1995]. Z tego wynika, że Ontologią Gruberawykorzystuje coś rozszerzalnego do wnioskowaniao intensjonal- nym znaczeniu słownika, służącegodo opisania domeny. W efekciepowstaje sytuacja, któramoże być opisanajako odmienna, jako rodzaj migawkowego obrazka. Wracając do konceptualizacji ŚwiataKlocków {{a, b, c, d, e}, {szczyt}, {na,ponad, usuń, stół}}, jeżeli funkcje i relacje w konceptualizacji są jednostkami ekstensjonalnymi, to w tym przykładzie relacja ‘ponad’ jest równazestawowi par {(b, c),{a, c), {a, b), (d, e)}. Je żeli weźmiemy poduwagę inny układ klocków, to zgodnie zdefinicją Grubera zoba czymy nową konceptualizację, podczas gdy Guarino i Giarettatwierdzą, żejest to tyl ko nowasytuacja, nowy stanrzeczyw konceptualizacji, anie całkiem nowa konceptu alizacja [Guarino, Giaretta 1995]. Ontologie powinny koncentrować się na znaczeniu, związanym z ekstensjonalnymi relacjami w sposób niezależny od konkretnego stanu rzeczy.
26 Ontologiedostarczają wiedzy dwojakiego rodzaju: 1 - o klasach lub informacji ogólnej, opisującej imodelującej problem,zastosowanielub domenę, 2 - o wystąpieniach informacji, tzn. konkretnych wystą
pieniachtego opisulub modelu. Pierwszyrodzaj wiedzy nazywany jest intensją, natomiastdrugi - eksten-sją. Opis lub specyfikacjajest intensją, natomiastposzczególne obiekty(wystąpienia, indywidua) wmode
lu, dla któregoopis jest prawdziwyznajdują sięw ekstensji.
Należy zauważyć, że istnieje różnica między sytuacją w konceptualizowanej domenie a sposobem patrzenia na tę domenę. W rzeczywistości nie majedynej konceptualizacji domeny,co oznacza, że może byćona konceptualizowanaróżnie, w zależności odprzy
jętego punktu widzenia.Formalna specyfikacjakonceptualizacjiwyrażasposóbpatrzenia
40 Opis dokumentów elektronicznych. Teoretyczny model i możliwości jego aplikacji
na wiedzę odomenie, czyli ontologię. Wynika ztego, że mogą istnieć Ontologie,służące reprezentacji zawartościdowolnegoźródławiedzy.
2.1.2. Definicja ontologii Guarino
Odmienną definicję konceptualizacji przedstawił Nicola Guarino [Guarino, Carrara, Giaretta 1994; Guarino 1998]. Filozoficzneznaczenie terminu ‘ontologia’ definiuje on jako określony system kategorii związany z daną wizjąświata [Guarino 1998, s. 5].
Z tej perspektywy ontologia jest niezależna odjęzyka użytego dojej opisu. W Al sło
wo ‘ontologię’ maodmienne znaczenie; oznacza onowytwór inżynierii, składający się ze specyficznego słownika i zestawu jawnych założeń dotyczących intensjonalnego znaczenia słów zawartych w słowniku. Ponieważ nacisk w tej definicji położony jest na słownik wykorzystany do opisu konkretnej rzeczywistości, użycie ontologii w Al - w odróżnieniuod zastosowania w filozofii - zależne jest od zastosowanego języka.
Jak już stwierdzono, pogląd Guarinana konceptualizację bazuje na intensjonalnym znaczeniu relacji łączących obiektyw obrębie domeny. Nazywa on relacje tego typu (niezależne od sytuacji danej domeny) relacjami intensjonalnymi lubkonceptualnymi (ang. intensional, conceptual relations) i wyraża je jako funkcje możliwych światów por. semantyka SaulaKripke [Kripke 2001, s.63 inast.].
Relacje intensjonalne sądefiniowane w przestrzeni domeny, która jest parą: dome ny D i zestawu relewantnychstanów rzeczy W. Każdy stan rzeczy reprezentuje możli wy świat. Relacja konceptualnałączy możliwy stan rzeczy z ekstensjonalną relacją na domenie. Na tejpodstawiedefiniuje on konceptualizacjęjako zestawrelacji konceptu
alnych, zdefiniowanych na przestrzeni domeny, tzn. jako trójkę <D, W, R>, gdzie R jest zestawem relacji konceptualnych zdefiniowanych na <D,W>. Każdej konceptuali zacji odpowiada wiele stanów rzeczy, jak to opisano w poprzednim rozdziale, tzn.
wiele struktur <D,R>, którenazywanesą strukturami świata, przyczym wszczególno
ści konceptualizacja powinna posiadać jednąstrukturę dla każdego świata, która jest intensjonalną strukturąświataodpowiednią do opisywanejkonceptualizacji.
Konceptualizacja zdefiniowana w powyższy sposób jest zasadniczo procesem identyfikującym obiekty świata oraz wzajemnerelacje między nimi, jednakbez dostar
czaniajakichkolwiek sposobów ich denotacji. Załóżmy istnienie logicznego języka L, który posiada słownik S. Funkcja interpretacyjna I łączy obiektlubrelację z domenyze znakiem w słowniku, tzn. I : S -> D U R. Warto zauważyć, że taka definicja wprowa dza wyłącznie ekstensjonalną interpretację obiektów w domenie i relacje, którymi są one powiązane, więc jej punktem początkowymjest tylko struktura świata. Abyuzy skaćinterpretację intensjonalną, musimy uwzględnić funkcję interpretacji intensjonal-nej <b, która przyjmuje konceptualizacjęjako punkt początkowy oraz strukturę <D, W, R>. Funkcja O wiąże symbol słownika S z elementem D u R. Para utworzona przez konceptualizację i interpretację intensjonalną jest wyrażeniem ontologicznym (ang.
ontological commitment). W efekcie według Guarina rolę,jaką odgrywają Ontologie, obrazujeponiższadefinicja:
Ontologie są zestawem aksjomatów logicznych utworzonych dlawyjaśnienia intensjonalnego znaczenia formalnego słownika[Guarino 1998, s. 4].
Teoretyczne podstawy ontologii 41
Z definicji tej wynika relacja pomiędzy konceptualizacją a ontologiami, któreją uszczegółowiają i formalizują. Zarówno uszczegółowienie, jaki formalizacja opierają się na wyborze języka L, który jest wprowadzony wraz ze słownikiem S; L jest zwią zany zwyrażeniemontologicznym (dostarczającym intensjonalną interpretację symboli słownika S), OntologiedlaLobejmują zestaw takich aksjomatów,że modele utworzo
ne za ich pomocą są najlepszym przybliżeniemzestawumożliwych interpretacji Lprzy danymK, zwanymzestawem intensjonalnych modeli Lzgodnych z K.
Zestaw proponowanych modeli, zgodnie z definicją Guarina, jest tylko słabą cha rakterystyką konceptualizacji, pozwalającąna wykluczenie absurdalnych interpretacji, bez opisu rzeczywistego znaczenia słownika [Guarino 1998]. Oznacza to, że specyfi
kacjakonceptualizacji za pomocą ontologii, podobnie jak w definicji Thomasa Grube ra, może być osiągnięta tylkow sposób pośredni. Można to wyjaśnić dwojako:
1. Ontologiesą tylko przybliżonymzestawem zamierzonychmodeli.
2. Zestaw zamierzonych modeli jest tylko słabą charakterystykąkonceptualizacji, po
nieważ nie jest możliwe dokonanie rekonstrukcji wyrażenia ontologicznego języka z zestawu jego modeli intensjonalnych. Model intensjonalny może odpowiadać wielu stanom rzeczy, bez możliwości odwzorowania jeden dojednego, co powodu
je, że dla danej konceptualizacji nie ma możliwości zrekonstruowania zależności pomiędzy możliwymi światami i relacjami ekstensjonalnymi uzyskanymi podczas konceptualizacji. Jest to problem występujący często w pracach dotyczących two
rzenia reprezentacji symbolicznych na poziomie wiedzy [Davis, Shrobe, Szolovits 1993].
Definicja Grubera jestwięc rozszerzona dzięki uwzględnieniu nie tylko konceptu
alizacji, ale także języka użytego do jej opisu oraz zestawu wyrażeń (ang. commit
ments) z nią związanych. W tym sensie Ontologie są uzależnione odjęzyka, podczas gdy konceptualizacja jest językowo niezależna, co stanowi główną różnicę pomiędzy ontologiami w Al i Ontologiąw filozofii.
Po uwzględnieniu powyższych uwag przedstawiona wcześniej definicja Grubera może być zredagowana następująco:
Ontologie są zestawem aksjomatów logicznych utworzonych dla wyjaśnienia intensjonalnego znaczenia słownika, tzn. jego zaangażowania ontologicznego w konkretną konceptualizację świata. Intensjonalne modele języka logicznego wykorzystującego ten słownik są ograniczane przez ich zaangażowanie ontologiczne27. Ontologie pośrednio ukazują to zaangażowanie (oraz konceptualizację będącą jegopodstawą) poprzez przybliżanie tych modeli [Guarino 1998, s.5].
27 Zaangażowanieontologiczne oznacza wprowadzanie założeń iograniczeń. Podczastworzenia on tologii należyzminimalizować jej zaangażowanie ontologiczne, a więc wprowadzać tylko takie ogranicze nia, które sąniezbędne dla systemów reprezentacji wiedzy.
Guarino dalej definiuje model jako opisokreślonego stanu rzeczy, strukturę świata, natomiast konceptualizacja,jego zdaniem, opisuje możliwe stany tychrzeczy, inaczej możliwe stany dziedziny zawierającej pojedyncze elementy. Dalej, konkretne stany rzeczy są traktowanejako wystąpienia (ekstensje) konceptualizacji. Ontologie jedynie przybliżają konceptualizację, gdyż ich zasady logiczne nie mogą byćwystarczające do zdefiniowania wszystkich ograniczeń, obserwowanych lub uważanych za możliwe w świecie rzeczywistym. W takim sensie słownik formalny jest częścią ontologii, anie samą Ontologią, która z kolei jest teoriąlogiczną. Słownik kontrolowany nie może być uważany zaontologię, ale można go zastosować do tworzenia ontologii [Qin, Paling
42 Opis dokumentów elektronicznych. Teoretyczny model i możliwości jego aplikacji
2001]. Ponieważzakres formalizacji nie jest zdefiniowany, panują różne opinie co do tego, od któregomomentusystem terminologicznymożna traktować jakontologię.
2.1.3. Inne definicje
Definicje Grubera i Guarina, choć najczęściej stosowane, nie są jedynymi przed stawionymi w literaturze. Można powiedzieć, że każdy zespół badawczy działający w zakresie ontologii próbuje uściślićwłasny pogląd na Ontologie, co często kończy się propozycją własnejdefinicji. Definicje te,oczywiście, zależne są od celów, dla których zostały stworzone, jednak - pomijając drobne różnice - wszystkie mówią o ontolo-giach jako powszechnym sposobie rozumienia domeny, w efekcie czego sąźródłem słownictwa dla wiedzy dotyczącej danej domeny. Słownik ten zawiera zarówno for
malne, jak i nieformalne definicje terminów. Część definicji ontologii formalnie nie powinna być tak nazywana, gdyż stanowi raczej opis zawartości ontologii. Poniższe definicje można włączyć do tej grupy.
Willem Borst rozwinąłdefinicję Grubera:
Ontologie sąformalną specyfikacjąwspólnej konceptualizacji [Borst 1997,s. 12].
Rudi Studer wraz ze współpracownikami porównał obie definicje i wyjaśnił wyko rzystaneterminy:
Ontologie są formalną, jawną specyfikacją wspólnej konceptualizacji. ‘Konceptualizacja’
w tej definicji odnosi się do abstrakcyjnego modelu pewnych zjawisk wświecie, który identyfi
kuje relewantne pojęcia dotyczącetych zjawisk. ‘Formalna’ oznaczafakt, że Ontologiepowinny być zrozumiałe dla maszyny. ‘Jawna’ oznacza, że rodzaje użytych pojęć iwyrażenia dotyczące sposobu ich użycia sąjasno zdefiniowane. ‘Wspólna’ oznacza, żeOntologie są efektem konsensu
su, tzn. nie są ograniczone do zapatrywań poszczególnychjednostek,lecz są akceptowaneprzez grupę osób, będących autorytetami wdanej dziedzinie[Studeret al. 2003].
RobertNecheszinnymi badaczami przedstawiłpogląd na temat tego, co jest defi
niowaneprzez Ontologie:
Ontologie definiują podstawowe terminyi relacje składające się na słownik danej dziedziny, a także zasady łączenia terminów i relacji w celuokreślania rozszerzeń słownika [Neches et al.
1991, s. 40].
Definicja ta stwierdza jasno, że Ontologiesąnie tylko opisem jawnej wiedzy odo
menie, ale także wiedzy, która może byćwywnioskowana.
Podobnie brzmi definicjaPeteraWeinsteina:
Ontologie sązbiorem definicji słownikowych, wyrażających konsensus w zakresie wiedzy o dziedzinie. Zakłada się, że wiedza ta jest niezmienna wczasie i można jąwielokrotnie wyko rzystywać do rozwiązywania problemów [Weinstein 1998].
Relacjemiędzyontologiami ibazami wiedzy opisane zostaływpublikacji zespołu Billa Swartouta. Zdefiniował onwkład ontologiiw projektowanie bazy wiedzy:
Ontologie są hierarchicznie ustrukturyzowanym zestawem terminów opisujących domenę, który może być wykorzystany jako szkielet dlabazywiedzy [Swartout et al.1996].
Każda z przedstawionych definicji kładzie szczególny nacisk na aspekt ról odgry
wanych przez Ontologie. Wszystkie podzielają pogląd, że Ontologie zawierają opis
Teoretyczne podstawy ontologii 43
określonegopunktu widzenia na tematdomeny, i że opis ten musi być jawny. Stanowi on słownik wyrażany za pomocą języków formalnych różnego poziomu, przy czym większość autorów zgadza się używać tego słownika w celu komunikowania zgodnie ze związanym znim znaczeniem intensjonalnym. Jednakże porozumienie to jest tylko powierzchowne, ponieważ termin, ‘ontologie’ interpretowany jest w różny sposób wposzczególnych definicjach. Niektóre z nichanalizowane są w publikacji Ontologies and Knowledge Bases, w którejautorzy przedstawiają siedemnajczęstszych interpreta
cji28 [Guarino, Giaretta 1995]; obrazujeje rysunek6. Zamieszczonetam definicje róż
niąsię między sobą zasadniczo, gdyż część z nich dotyczy poziomu semantycznego (definicje 2. i 3.), natomiast inneodnoszą się do ontologii jako konkretnego wytworu człowieka na poziomie syntaktycznym, wykorzystywanego do określonych celów.
Definicja 1. odwołuje się do ontologii jako dyscypliny filozofii i dlatego różni się od pozostałych.
28 Inną analizęprzedstawił Wiesław Gliński, którypodaję następujące definicjeontologii: teorianate
mat tego, jakie obiekty (jednostki) mogą istnieć w umyśle agenta; teoria dotycząca jakiejś dziedziny (anawet konkretnych zadańdziałań) opisująca pojęcia w sposób hierarchicznyw celu ustalenia relacji semantycznych w danej dziedzinie; wyraźnaspecyfikacjakonceptualizacji dla danejdziedziny na poziomie wiedzy, kierowanaspecyficznymi zadaniami; porozumieniena temat „wspólnej” konceptualizacji; teoria logiczna; teorialogicznawprowadzającaograniczenia do modeli logicznych; wyraźna, częściowaspecyfi
kacja konceptualizacji, wyrażana z poziomu metajęzykowego, dotycząca zbioru odpowiednich dziedzin, której celemjest umożliwienie projektowania modułowego, przeprojektowywania i ponownegowykorzy
stania komponentówsystemuwiedzy[Gliński2005b, s. 164].
Przedstawionedefinicje stanowią kontinuum, wktórym na jednym biegunie zwra ca się uwagę przede wszystkim nasemantykę opisywanej wiedzy(są to więcdefini
cje odnoszące się do pojęcia konceptualizacji), a na drugim znajdują się definicje bardziej ukierunkowane na syntaktykę, związane z teoriami logicznymi czy bazami wiedzy.
1. Ontologia jakodyscyplina filozoficzna.
2. Ontologie jako nieformalnysystem konceptualny.
3. Ontologie jako formalnywykaz semantyczny.
4. Ontologie jako specyfikacja konceptualizacji.
5. Ontologie jako reprezentacje systemu konceptualnego poprzez teorię logiki:
-charakteryzowaneprzezspecyficznecechy formalne, -charakteryzującetylko jej specyficzne cele.
6. Ontologie jako słowniki używaneprzezteorię logiczną.
7. Ontologie jako specyfikacje(metapoziomu)teorii logicznej.
Rys.6. Interpretacjeterminu‘ontologia’ [za: Guarino, Giaretta 1995]
44 Opis dokumentów elektronicznych. Teoretyczny model i możliwości jego aplikacji