Representação de conhecimento : programação em lógica e o modelo das hiperredes

Abstract

Apesar de sua inerente indecidibilidade e do problema da negação, extensões da lógica de primeira ordem tem se mostrado capazes de superar a questão da monotonicidade, vindo a constituir esquemas de representação de conhecimento de expressividade virtualmente universal. Resta entretanto solucionar ou pelo menos amenizar as conseqüências do problema do controle, que limitam o seu emprego a aplicações de pequeno a médio porte. Investigações nesse sentido [BOW 85] [MON 88] indicam que a chave para superar a explosão inferencial passa obrigatoriamente pela estruturação do conhecimento, de modo a permitir o exercício de algum controle sobre as possíveis derivações dele decorrentes. O modelo das hiperredes [GEO 85] parece atingir tal objetivo, dado o seu elevado potencial de estruturação e o instrumental que oferece para o tratamento de construções descritivas, operacionais e organizacionais. Além disso, a simplicidade e uniformidade sintática de suas entidades primitivas possibilita uma interpretação semântica bastante clara do modelo original, por exemplo, baseada em grafos. O presente trabalho representa uma tentativa de associar a programação em lógica ao formalismo das hiperredes, visando obter um novo modelo capaz de preservar as expressividade da primeira, beneficiando-se simultaneamente do potencial heurístico e estrutura do segundo. Inicialmente procura-se obter uma noção clara da natureza do conhecimento e de seus mecanismos com o objetivo de caracterizar o problema da representação de conhecimento. Diferentes esquemas correntemente empregados para esse fim (sistemas de produções, redes semânticas, sistemas de frames, programação em lógica e a linguagem Krypton) são estudados e caracterizados do ponto de vista de sua expressividade, potencial heurístico e conveniência notacional. A programação em lógica é objeto de um estudo em maior profundidade, sob os enfoques modelo-teorético e prova-teorético. Sistemas de programação em lógica - particularmente a linguagem Prolog e extensões em nível meta - são investigados como esquemas de representação de conhecimento, considerando seus aspectos sintáticos e semânticos e a sua retação com Sistemas Gerenciadores de Bases de Dados. O modelo das hiperredes é apresentado introduzindo-se, entre outros, os conceitos de hipernodo, hiperrelação e protótipo, assim como as propriedades particutares de tais entidades. A linguagem Hyper, para o tratamento de hiperredes, é formalmente especificada. Emprega-se a linguagem Prolog como formalismo para a representação de Bases de Conhecimento estruturadas segundo o modelo das hiperredes. Sob tal abordagem uma Base de Conhecimento é vista como um conjunto (possivelmente vazio) de objetos estruturados ou peças de conhecimento, que por sua vez são classificados como hipernodos, hiperrelações ou protótipos. Um mecanismo top-down para a produção de inferências em hiperredes é proposto, introduzindo-se os conceitos de aspecto e visão sobre hiperredes, os quais são tomados como objetos de primeira classe, no sentido de poderem ser valores atribuídos a variáveis. Estuda-se os requisitos que um Sistema Gerenciador de Bases de Conhecimento deve apresentar, do ponto de vista da aplicação, da engenharia de conhecimento e da implementação, para suportar efetivamente os conceitos e abstrações (classificação, generalização, associação e agregação) associadas ao modelo proposto. Com base nas conclusões assim obtidas, um Sistema Gerenciador de Bases de Conhecimento (denominado Rhesus em alusão à sua finalidade experimental é proposto e especificado, objetivando confirmar a viabilidade técnica do desenvolvimento de aplicações baseadas em lógica e hiperredes.

In spite of its inherent undecidability and the negation problem, extensions of first-order logic have been shown to be able to overcome the question of the monotonicity, establishing knowledge representation schemata with virtuatLy universal expressiviness. However, one still has to solve, or at Least to reduce the consequences of the control problem, which constrains the use of Logic-based systems to either small or medium-sized applications. Investigations in this direction [BOW 85] [MON 88] indicate that the key to overcome the inferential explosion resides in the proper knowledge structure representation, in order to have some control over possible derivations. The Hypernets Model [GEO 85] seems to reach such goat, considering its high structural power and the features that it offers to deal with descriptive, operational and organizational knowledge. Besides, the simplicity and syntactical uniformity of its primitive notions allows a very clear definition for its semantics, based, for instance, on graphs. This work is an attempt to associate logic programming with the hypernets formalism, in order to get a new model, preserving the expressiveness of the former and the heuristic and structural power of the latter. First we try to get a clear notion of the nature of knowledge and its main aspects, intending to characterize the knowledge representation problem. Some knowledge representation schemata (production systems, semantic networks, frame systems, Logic programming and the Krypton Language) are studied and characterized from the point of view of their expressiveness, heuristic power and notational convenience. Logic programming is the subject of a deeper study, under the model-theoretic and proof-theoretic approaches. Logic programming systems - in particular the Prolog Language and metateuel extensions- - are investigated as knowledge representation schemata, considering its syntactic and semantic aspects and its relations with Data Base Management Systems. The hypernets model is presented, introducing the concepts of hypernode, hyperrelation and prototype, as well as the particular properties of those entities. The Hyper language, for the handling of h y pernets, is formally specified. Prolog is used as a formalism for the representation of Knowledge Bases which are structured as hypernets. Under this approach a Knowledge Brie is seen rrG a (possibly empty) set of structured objects, which are classified as hypernodes, hyperreLations or prototypes. A mechanism for top-down reasoning on hypernets is proposed, introducing the concepts of aspect and vision, which are taken as first-class objects in the sense that they could be (-Ysigned as values to variables. We study the requirements for the construction of a Knowledge Base Management System from the point of view of the user's need-1', knowledge engineering support and implementation issues, actually supporting the concepts and abstractions (classification, generalization, association and aggregation) rYsociated with the proposed model. Based on the conclusions of this study, a Knowledge Base Management System (called Rhesus, refering to its experimental objectives) is proposed, intending to confirm the technical viability of the development of applications based on logic and hypernets.