SMART Systems (Vorlesung: KI & XPS)

Beim vorigen Mal: Einführung, Grundprobleme, Fokussierung

Inhalt heute: Einfache symbolische Repräsentationsansätze

Lernziele: Entwicklungsgrundlage von heute vieldiskutierten

Repräsentationstechniken kennenlernen Einschätzen der Möglichkeiten und Grenzen

Ralf Möller, Univ. of Applied Sciences, FH-Wedel

Wiederholung: Regelbasiertes VorgehenRegelbasis (rule base)

Regeln konjunktiv verknüpfte Vorbedingungen (auch: Antezedenzen) Nachbedingungen (auch: Konklusionen, Konsequenzen) Vorbedindungen ggf. negierbar (Konklusionen nicht negierbar)

Arbeitsspeicher (working memory) Elemente: (<Objekt> <Attribut> <Wert>)-Tripel Regelanwendung (Feuern einer Regel) auf Elemente,

die zu Vorbedingungen passen (match) und im Arbeitsspeicher sind oder "gerade" nicht im Arbeitsspeicher sind (bei Negation)

Hinzufügung der Nachbedingungen zum Arbeitsspeicher

… z.B. wenn ein Auto nicht anspringt

Regel 1Wenn(Anlasser Zustand normal)dann (Batterie Zustand OK)Regel 2Wenn (Batterie Zustand OK)Und (Tankuhr Wert > 0)Und (Benzinfilter Zustand sauber)Dann (Problem Ort Zündanlage)Regel 3Wenn (Batterie Zustand OK)Und (Tankuhr Wert > 0)Und (nicht (Benzinfilter Zustand sauber))Dann (Problem Ort Benzinzuleitung)Regel 4Wenn (nicht (Scheibenw. Zustand OK))Und (nicht (Licht Zustand OK))Dann (Defekt Wert Batterie_leer)Regel 5Wenn (nicht Wert Tankuhr > 0)Dann (Defekt Wert Tank_leer)Regel 6Wenn (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

Regelbasiertes Vorgehen: Probleme

Operationale Semantik, MehrdeutigkeitenNegation nicht wohlverstandenDatenrepräsentation mit Tripeln skaliert nicht

für große Anwendungen Betrachtung aller Attribute eines Objekts erschwert Keine Strukturierung der Objekte in Kategorien Wertebereiche von Attributen nicht festlegbar Keine indefiniten Angaben über Werte

(siehe ">0" im Diagnosebeispiel)

Deduktion vs. Reaktion

Deduktion: Nur Hinzufügung von durch Nachbedingungen

beschriebene Elemente zum Arbeitspeicher Regelverkettung (vorwärts und rückwärts)

Reaktion: Auch Löschen von Elementen des Arbeitspeichers,

die durch Nachbedingungen beschrieben werden Zustandsmodellierung Vorwärtsverkettung Kommt später im Kontext von Planungsaufgaben

Symbolische Datenrepräsentation

(<Objekt> <Attribut> <Wert>)-Tripel gehen auf philosophische Arbeiten zurück Leibniz: ca. 1690 Frege: Begriffsschrift (concept notation), 1879 Anwendungsorientierte Sichtweisen in der KI (ab ca. 1967)

Statt Tripelsichtweise auf Daten: Netzwerksichtweise ("Semantische Netze", Quillian, 1967) Objekte sind Knoten, Attribute definieren Kanten Ausgezeichnetes Attribut ISA zur Kategorisierung Problem: Einige Knoten sind Objekte, einige Knoten

repräsentieren Kategorien Konventionen: z.B. Objekte mit Nummern und klein

Regeln mit Variablen

Schema: Wenn (?x ISA Batterie)

Dann (?x ISA Elektrisches-Bauteil)Anwendung im Diagnosebeispiel:

Wenn (?x ISA Elektrisches-Bauteil) Und (tankuhr-1 Wert >0) Dann (problem-1 Ort ?x)

Im Arbeitspeicher: (batterie-1 ISA Batterie) (tankuhr-1 Wert >0)

Weitere Arbeiten

Bisheriger Fokus: Daten: Objekte (im Sinne von atomaren Symbolen)

Neuer Fokus: Kategorien ("Frames", Minsky 1975) Beschreibung von Attributen von Objekten

und ihren Wertebereichen Der Wert eines Attributs kann eine Menge von

Objekten sein, die durch Frame beschrieben werdenBevorzugte Anwendung:

Ereignisbeschreibung (z.B. Restaurantbesuch)

Frames (Rahmen)

Objekte spielen bei Ereignissen eine best. RolleEreignisattribute heißen "Rollen" oder auch

"Slots" Beispiel: Agens, Thematisches-Objekt, Instrument, ...

"Robbie hit the ball with a bat"Wertebereichsangaben für SlotsVererbungsprinzip:

Angaben von "Ober-" bzw. "Unterframes" Idee: Wertebereichsangaben für Slots auf

Unterframe(s) übertragen

Frame-Systeme: ein Beispiel

Define-frame Husband ISA: Person Married-to: Person

Define-frame Parent Has-child: Person

Define-frame ralf-1 ISA: Husband AND Parent Married-to: silvia-1 Has-child: marcus-1

Hinreichende odernur notwendige

Definitionen?

Frame-Systeme: weitere Schwierigkeiten

Datenbeschreibung (Frames) und Daten (Objekte) immer noch vermischt

Kann ein Objekt zu mehreren Frames in einer ISA-Beziehung stehen?

Kann ein Objekt zu mehreren Frames in einer Oberframe/Unterframe-Beziehung stehen?

Sind Frames mit verschiedenen Namen disjunkt? Kann indefinites Wissen repräsentiert werden?

ralf-1 ISA Mercedes-Fahrer OR BMW-Fahrer Was ist mit Negation? "ralf-1 ISA Not Rolls-Royce-

Fahrer"

Ausprägungen ab ca. 1979 (ggf. mehr Möglichkeiten)

Erweiterte Entity-Relationship-Modellierung + Relationale Sicht: <Attribut> (<Objekt>, <Wert>) + n-stellige Relationen + Kardinalitätsangaben

UML (Unified Modeling Language) + Verhaltensbeschreibung von Objekten

XML (eXtensible Markup Language) + Verteilung

RDF (Resource Description Framework) + Definition von Beschreibungssprachen

XML: eXtensible Markup Language

Ursprung: strukturierter Text (HTML4.0 XML SGML)

Web-Standard (W3C) zum Datenaustausch: Ein- und Ausgabedaten von Anwendungen können mittels

XML beschrieben werden Industrie muß sich nur noch auf standardisierte Beschreibung

einigen Komplementärsprache zu HTML:

HTML beschreibt die Präsentation XML beschreibt den Inhalt

Datenbank-Sichtweise: XML als Datenmodell für semistrukturierte Daten

© Steffen Staab

Dokumenttyp vs. Dokument

Parser

XML DTD

Dokument Parse-Baum

Parse-Baum=

Datenstruktur

XML-Modell als linearer Text

<Bib id=“o1”><paper id=“o12”>

<title> Foundations of Databases </title><author>

<firstname> Serge </firstname><lastname> Abiteboul </lastname>

</author> <year> 1997 </year>

<publisher> Addison Wesley </publisher></paper>...

</Bib>

© Steffen Staab

XML-Modell als Graph (oder auch Netz)

&o1

&o12 &o24 &o29

Serge AbiteboulVictor Vianu 122 133

1997

paper book paper

author year authorpage

firstname lastnamefirstname lastname first last

Bib

Objektidentifikator als Attribut im Knoten vermerktKnoten sind markiert

Text im Knoten vermerkt© Steffen Staab

Schemata in XML (optional)

DTD – Document Type Definitions: Einfache Grammatik für ein XML-Dokument

Deklaration von Elementen, Attributen, u.a. Beschränkt die beliebige Verschachtelung von Elementen und Attributen

Ist Teil des XML-Standards Erbe von SGML

XML-Schema: Komplexere Datendefinitionssprache:

Viele standardisierte Basistypen, z.B. float, double, decimal, boolean Typen und typisierte Objektreferenzen Klassenhierarchien / Vererbung Konsistenzbedingungen

Standard in Ergänzung zu XML (noch nicht verabschiedet!) Abwärtskompatibel zu DTD

© Steffen Staab

XML-Schemata I: DTD

Eine DTD definiert eine kontextfreie Grammatik für ein XML-Dokument

Zuvor beliebige Elemente und Attribute werden auf eine definierte Auswahl und Struktur eingeschränkt

<bib><paper id=“o12”>

<title> Foundations of Databases </title><author>

<firstname> Serge </firstname><lastname> Abiteboul </lastname>

</author> <year> 1997 </year><publisher> Addison Wesley </publisher>

</paper>...

</bib> XML

<!DOCTYPE bib [<!ELEMENT bib (paper*)><!ELEMENT paper (author+, year, publisher?)><!ATTLIST paper id ID #REQUIRED><!ELEMENT author (firstname*, lastname)><!ATTLIST author age CDATA #IMPLIED><!ELEMENT firstname (#PCDATA)><!ELEMENT lastname (#PCDATA)><!ELEMENT year (#PCDATA)>

<!ELEMENT publisher (#PCDATA)>...

]> DTD© Steffen Staab

DTD – Deklaration von Elementen

Beschreibt die Einschränkungen des Inhalts eines Elements Syntax:

<!ELEMENT Name (Definition)> Einziger atomarer Typ: #PCDATA

(Parsed Character DATA) (a,b,c): Liste von Unterelementen (a|b|c): Alternativen Kardinalitäten:

* keinmal oder beliebig oft + einmal oder beliebig oft ? kein- oder einmal (optional) (ohne Angabe): genau einmal

EMPTY : Erzwingen von leerem Element

<!DOCTYPE bib [<!ELEMENT bib (paper*)><!ELEMENT paper (author+, year, publisher?)><!ATTLIST paper id ID #REQUIRED><!ELEMENT author (firstname*, lastname)><!ATTLIST author age CDATA #IMPLIED><!ELEMENT firstname (#PCDATA)><!ELEMENT lastname (#PCDATA)><!ELEMENT year (#PCDATA)>

<!ELEMENT publisher (#PCDATA)>...

]> DTD

© Steffen Staab

Syntax ist nicht ausreichend

<Bestellung><Anzahl>500</Anzahl><Objekt>Schekel</Objekt>.....

</Bestellung>

?

Hintergrundwissen/Kontext:Die israelische Währung ist der Schekel (Mehrzahl: Schekelim), offiziell NeuerIsraelischer Schekel (NIS). Er setzt sich aus 100 Agorot (Einzahl: Agora ) zusammen

© Steffen Staab

Hinter XML steckt noch mehr...

Moduln/NamensräumeXLink, XPoint: Einbetten von Links und

Verzweigungen (zum Aufbau von Graphstrukturen)

XML-Stylesheets CSS, Cascading Style Sheets (z.B. für HTML) XML-Transformationen (XSLT) Knotentests (mit Prädikaten)

XPATH: Adressierung von Elementen im GraphXML-QL: Anfragesprache

XML: ein Blick zurück

Sind mit XML die Probleme von Frame-Sprachen beseitigt worden?

Mengenwertige Attribute UND- oder ODER-Semantik? Anzahlbegrenzung? <!ELEMENT author (firstname*, lastname)> firstname

firstname

firstname

lastname

author-1

XML vs. Frame-Systeme

+ Datenbeschreibung vs. Daten - Kategorien vs. Objekte- Indefinites Wissen

Mercedes-Fahrer OR BMW-Fahrer- Negation

Not Rolls-Royce-Fahrer"

RDF: Resource Description Format

Nicht alle Daten symbolisch beschreibar (z.B. AV-Daten)

Idee: Beschreibung von "Daten" durch Zusatzangaben (Meta-Daten)

Verfügbare "Daten" werden als Ressource aufgafaßt Ressourcen sind durch URI's gekennzeichnet

URI: Unified Resource Identifier, Ressourcenbeschreibungen Ressourcen haben Eigenschaften (Properties)

Beziehungen zu anderen Ressourcenoder atomare Werte

Aussagen über Ressourcen (Statements) "Ressource x hat Eigenschaft y mit Wert z"

Kategorien: RDF(S)

RDF: Resource Description Format(Schemata) Beschreibung von Kategorien (Klassen)

Idee: Festlegung von Ober- und Unterkategoriebeziehungen Damit Maschinen die Bedeutung von Metadaten

erfassen können, sind Standard-Schemata nötig PICS (Platform for Internet Content Selection):

Schema zur Beurteilung von Internet-InhaltenWorld Wide Web Consortium: PICS Rating Vocabularies in XML/RDF, W3C NOTE

DC (Dublin Core): Schema zur Beschreibung von InhaltenDublin Core Metadata Initiative. (http://purl.org/dc)

Ausdrucksstärke stark eingeschränkt

Kategorien: XMLS, XML-Schema

Beschreibung einer Menge (Klasse) von "Dokumenten"

Kernideen: Spezifikation des Typs von Elementen Spezifikation der Min/Max-Anzahl von Elementen

Details: http://www.w3.org/TR/xmlschema-0/

XML-Schema: Typen Typdefinition durch

Erweiterung (engl. extension) oder Restriktion (engl. restriction) einer bestehenden Typdefinition

Alle Typen in XML-Schema sind entweder Atomare Typen (z.B. string, int) oder Erweiterung bzw. Restriktion bestehender Typen

Alle Typen bilden eine Typhierarchie Baum mit Wurzel: Typ Zeichenkette Keine Mehrfachvererbung

Typen sind entlang der Typhierarchie abwärtskompatibel: Für Typinstanzen gilt das Substituierbarkeitsprinzip Elemente eines bestimmten Typs akzeptieren auch Daten einer

Erweiterung oder Restriktion des geforderten Typs

XML-Schema

Es soll viel mehr "Semantik in einem Schema eingefangen werden" als mit DTDs

Für viele Anwendungen reicht die Modellierungskraft nicht (siehe die Kritik an Frame-Systemen)

Was heißt "Semantik in einem Schema einfangen" ?

XML-Schema noch kein W3C-Standard

Web-Kontext: Viele, meist unbekannte Partner

© Rudi Studer

RDF(S) und XML-Schema: Probleme

Verarbeitung von Informationen an einem Knoten nur möglich, wenn Repräsentationsschema bekannt

Verwendung unterschiedlicher Schemata an unterschiedlichen Knoten

Leicht: netzwerkweiter Zugriff auf SchemataHart: Berücksichtigung der Bedeutung der in

einem Schema repräsentierten Begriffe bei der Verarbeitung

Bedeutung ist relativ zu verstehen!

Ontologie

Ursprünglich eine philosophische Disziplin zur Untersuchung und Beschreibung der Realität Wissenschaft vom Seienden vgl. Aristoteles

„Metaphysik“In der Informatik wird der Begriff Ontologie

häufig folgendermaßen definiert: "An ontology is an explicit, formal specification

of a shared conceptualisation." [Gruber 95] Symbolische Art und Weise, eine Welt zu

modellieren

© Steffen Staab

Gemeinsame Konzeptualisierung

Verständnis eines Anwendungsbereichs getragen von einer Gruppe von Menschen, z. B.

einer Abteilung intensionale Charakterisierung der relevanten

Konzepteund Beziehungen eines Anwendungsbereiche

Gekennzeichnet wohldefiniertes Vokabular an Lexemen (lexical entries)

einheitliches Verständnis welche Begriffe (concepts) und Beziehungen (relations) durch die Lexeme referenziert werden

© Steffen Staab

Syntax, Semantik, Pragmatik

Syntax: Menge von Zeichen (Symbolen, Lexemen), Zeichen tragen Bedeutung für Menschen, nicht für

eine MaschineSemantik: Beziehungen zwischen den Zeichen

und der realen (oder einer fiktiven) Welt Pragmatik: Welche Zeichen werden zu

welchem Zweck wie gebraucht?

Semiotisches Dreieck

© Steffen Staab

Abbildung von Symbolen auf Dinge der Welt

© Steffen Staab

Gemeinsames Verständnis bei der Kommunikation

© Steffen Staab

Ontologien

Menge von Annahmen, die dazu dienen die Abbildung von Symbolen auf Dinge der Welt weniger mehrdeutig zu machen

Kommunikation kann nur stattfinden, wenn bezüglich der Annahmen Konsenz herrscht

© Rudi Studer

Die Idee des Semantic Web

Bei Interpretation (z.B. zur Recherche) von Web-Daten auf Bedeutung Bezug nehmen

Nicht nur oberflächennahe, syntaktische Operationen anbieten

Zusammenfassung, Kernpunkte

Abriß der Historie von Repräsentationssprachen Von Frames und Semantischen Netzen zu

XML und RDF Neuerdings: Wildwuchs an

Standardisierungsvorschlägen Primär "Vererbung" als Inferenzschema Ausdrucksstärke (z.B. XML/RDF(S)) zu schwach Syntax und Tools im Vordergrund, nicht Semantik

Die Idee des Semantic Web Semantik im Vorderung, nicht Syntax oder Präsentation

Was kommt beim nächsten Mal?

Beschreibungslogiken als Grundlage für formale Repräsentations- und Inferenzsysteme

Grundlage von Ontologien