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Plan

� Introduction à l'IA

� Représentation des connaissances

� Systèmes à base de règles, Réseaux sémantiques, Cadres, Logiques de descriptions

� Ontologie

� Web sémantique

� RDF, RDFS, OWL

� Outils : Protégé, API Jena� Si le temps le permet : XML et les bases de données,

Services Web

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Présentation générale

� Objectif du cours : � développer des applications / des

ontologies pour le web sémantique.

� Nous allons aborder les solutions existantes pour la représentation des connaissances et étudier les outils disponibles.

� Prérequis : connaissance des technologies XML et programmation en Java (parsing XML, Jena, etc.).

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Web sémantique ?

� Le web actuel est syntaxique.� On va écrire en utilisant du HTML (voire

XHTML) des pages qui gèrent la présentation du document.

� Mais rien sur la sémantique du contenu.

� Résultat : le système informatique prend en charge la présentation (facile) et l'humain s'occupe de relier et interpréter les informations (difficile).

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Faire le point sur le problème

� Le balisage permet :

� La présentation des informations (polices, couleurs,etc.).

� Établir des liens hypertextuels

� La sémantique du contenu est accessible aux humains mais c'est une tâche difficile pour les ordinateurs.

Ex tra it d e : Logical foun d at ion s for th e Se m an t ic W e b � I. Horrocks , U.S at t le r

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Nous pouvons voir ...

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Register now ...Ex tra it d e : Logical foun d at ion s for th e Se m an t ic W e b � I. Horrocks , U.S at t le r

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La machine va voir

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Solution : des balises XML

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La machine va maintenant voir

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Il faut ajouter une couche sémantique

� Ajouter des annotations� Utiliser des ontologies pour spécifier le

sens des annotations.� En utilisant une syntaxe compatible avec le Web

=> XML.

� En proposant des méthodes pour l'inférence de nouvelles informations / connaissances.

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Ontologie

� Une branche de la philosophie s'occupant de la nature et de l'organisation de la réalité.� Etude de l'être en tant qu'étant.

� En science l'information (et IA) : définir les concepts et les relations entre concepts pour un domaine défini.� "An explicit specification of a

conceptualization" [Gruber93].

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Synthèse

� Il existe des langages pour définir des ontologies dans le cadre de Web Sémantique.

� A partir des connaissances explicitées dans les ontologies, il est possible de déduire des connaissances implicites => IA et logique.

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Quelques domaines de recherche du Web Sémantique

� Application du Web sémantique.� En logique : Logique de descriptions et

inférences.� Conception orientée ontologie : outils,

développement d'ontologies.� Les services web sémantiques.

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Introduction à l'Intelligence Artificielle

(IA)

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Définition

� Le projet de l'Intelligence Artificielle (IA) est de construire des artefacts intelligents.� Intelligence : percevoir, raisonner,

communiquer et agir.� Construire : aspect ingénierie => un agent

perçoit, raisonne, communique et agit.� Artefact : machine inorganique manipulant

des symboles.

� Evaluation : Test de Turing ?

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Test de Turing

� Repose sur le jeu de l'imitation.� Suggère l'ensemble de composants de

l'IA : connaissance, raisonnement, apprentissage et compréhension du langage.

� Prix Loebner (http://www.loebner.net/Prizef/loebner-prize.html).

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Définitions de l'IA

Ru sse l & Norv ig , Art ificia l In te llige n ce a Mod e rn Ap p roach, Pre nt ice Hall S e rie s in Art if icia l

In te llig e n ce , 1 99 5

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Démarche cognitive

� Tentative de compréhension du fonctionnement de l'esprit huain.

� Utilisation de modèles informatiques et de techniques expérimentales de la psychologie.

� Approche difficile à mettre en oeuvre : � Difficile à transcrire dans des programmes

informatiques.

� Problème de performance.

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Démarche pragmatique

� Exploitation de la logique mathématique : notation et règles de dérivation.

� Les problèmes et la connaissances doivent être traduits en une description formelle.

� Le système exploite des mécanismes asbtraits de raisonnement pour dériver une solution.

� Limites :

� Tous les comportements intelligents ne sont pas logiques.

� Problèmes liés aux ressources dans des cas concrets et pratiques (temps, capacité mémoire et calcul).

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Problèmatique :Algorithme & heuristique

� Tout problème pour lequel aucune solution algorithmique n'est connue relève à priori de l'intelligence artificielle.

� Algorithme : codé dans un certain langage de programmation pour fournir un programme, consiste en une description exhaustive de la séquence d'opération à mener pour résoudre un problème.

� Heuristique : méthode de résolution qui emprunte des voies non déterministes, et dont le succès n'est pas garanti mais qui, lorsqu'elle marche , permet souvent une grande économie de temps de calcul (ex : les jeux).

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Domaines

� Aide à la prise de décisions.

� Reconnaissance et synthèse de la parole, d'images.

� Reconnaissance de l'écriture

� Traitement du langage naturel

� Apprentissage

� Robotique

� Jeux (othello, backgammon, échecs, etc..).

� Aide à la programmation

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Un exemple avec les jeux

� Les échecs : � Arbre du jeu : 10128 noeuds.� Deeper Blue (IBM) bat Kasparov en 1997.� Deeper Blue : 200 millions de positions

calculées par seconde.� Deeper blue : jusqu'à 8 coups à l'avance.

� Othello : 1060 noeuds.� Les dames : 1032 noeuds.

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Les origines

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Les origines (2)

� 1943 : Articles de McCullough et Pitts (réseaux de neurones) et Wiener, Rosenblueth et Bigelow (rétroaction) sont les fondements de la cybernétique.

� 1956 : Conférences de Darmouth college : le terme IA est proposé par MacCarthy (créateur du LISP).

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1ère période : années 50-60

� Logic Theorist (Newell, Shaw, Simon � 1956) : démonstration de théorèmes de la logique des propositions.

� En 58, Prédiction de Newell et Simon : "Avant 1968,un programme sera champion d'échecs et démontrera un important théorème mathématique."

� General Problem Solver (GPS � Newell, Simon � 1961) imite les méthodes humaines pour la résolution de problèmes.

� Le robot Shakey (SRI) raisonne et agit physiquement.

� Approche essentiellement combinatoire.

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1ère période : années 50-60

� Eliza (Weizenbaum) : A computer program for

the study of natural language communication between man and machine. Communications of the ACM, 9.1:36-45.

� STUDENT (Bobrow � 1967) résolution de problèmes algébriques.

� Réseaux de neurones (Rosenblatt - 1962).

� Algorithmes génétiques (Friedberg - 1958).

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2nde période : années 60-70

� Un constat sur les travaux de la 1ère période :

� Pas de "sens commun" (ELIZA).

� Apprentissage des réseaux de neurones est limité (Minsky, Papert � 1969).

� Il faut gérer les connaissances

� Systèmes experts

� Cadres

� Représentation des connaissances (KR) basé sur la logique.

� Apprentissage est un problème clé.� Approche combinatoire + heuristique

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2nde période : années 60-70

� Les systèmes experts� DENDRAL (Feigenbaum) réalise l'analyse

automatique de spectres de masse pour déterminer la structure moléculaire du corps chimique étudié.

� MYCIN (Shortliffe) diagnostique les maladies infectieuses du sang et proppose un traitement adapté.

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3ème période : les années 80

� IA approchée par l'industrie� Systèmes experts : Digital Equipment

(Xcon), Intellicorp

� Lisp machines: LMI, Symbolics

� Robotique� Reconnaissance des formes et de la parole

� Retour de réseaux de neurones.

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Période actuelle

� IA devient plus technique et mathématique (moins philosophique)� Preuves formelles et empirisme (contre

intuition).

� Les agents� Un glue entre des champs de l'IA

� Gestion de l'information� Pour aider les utilisateurs humains

� Data mining

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Agent

� Un agent peut-être une entité :� Qui va évoluer dans un environnement.

� Percevoir son environnement (senseurs).

� Qui va agir sur son environnement.

� Qui va agir pour aboutir à un objectif.

� Un agent est un outil conceptuel pour analyser des systèmes : robotique, , softbots, etc..

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Architecture d'un agent

Ru sse l & Norv ig , Art if icia l In te llige n ce a Mod e rn Ap p roach, Pre n t ice Hall S e rie s in Art if icia l

In te llig e n ce , 1 99 5

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Langages utilisés

� Langages applicatifs :� Fonctionnels : LISP (MacCarthy en 1960) et

les les autres (Caml, Miranda, Haskell, etc.).

� Logique : PROLOG (Colmerauer � 1972) et les autres (OPS5, CLISP, etc.).

� Langages objets� Smalltalk, Java, C++, Python, etc..

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Introduction à la représentation des

connaissances (Knowledge Representation - KR)

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Exemple

Un fe rm ie r s u r u ne rive ve u t p a s s e r s u r

l'a u t re rive d 'u n e riviè re a ve c un re n a rd ,

u n e oie e t u n s a c d e g ra in s . Son ba te a u

n e p e u t con te n ir q u e 2 e n t it é s .

Con t ra in t e s : s ' il la is s e le ca n a rd s e u l

a ve c le re na rd , ce de rn ie r va m a n g e r

l'o ie . S' il la is s e l'o ie a ve c le s a c d e

g ra in s ! Plu s de g ra in s .

Ré s ou d re le p rob lè m e du pa s s a g e d 'u n e

rive à l'a u t re .

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Information, Donnée, Connaissance

Donnée (data)

Elément fondamental servant de base à un raisonnement, à une recherche. (ex : _ _ _)

Information (information)

Elément de connaissance susceptible d'être codé pour être conservé, traité ou communiqué.

Représentation conventionnelle d'un information sous une forme convenant à son traitement par ordinateur. (ex: SOS)

Connaissance (Knowledge)

Ce que l'on a appris par l'étude ou la pratique. (ex : En cas d'alerte, ...).

la connaissance inclut la généralisation et l'abstraction d'un grand volume de données [Wiederhold, 1986].

[Wiederhold, 1986]: "Knowledge versus data". In "On knowledge base management systems". Springer-Verlag. Pp 77-82. 1986.

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Connaissances et agents

� Raisonnement intelligent n'est rien sans connaissances (expertise)

� Nécessité d'une représentation des connaissances

� Nécessité de développement des algorithmes / heuristiques pour le traitement de ces représentations

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Connaissance et raisonnement

Connaissance � de donnée et information. Nouvelles

connaissances peuvent être créées depuis des connaissances à l'aide de raisonnements.

RaisonnementPenser de manière cohérente et logique.

Inférence logique

Le processus de création de connaissances implicites depuis des connaissances explicites.

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Représentation des connaissances.

� Knowledge Representation : KR.

� Représentation : une relation entre 2 domaines :

� Le domaine à représenter (ex: le nombre 7, le concept de femme),

� le domaine représenté est bien souvent plus concret et accessible que le premier domaine (les symboles "7" ou "VII", le symbole "O+").

� KR ="the field of study concerned with using formal symbols to represent a collection of propositions believed by some agent."

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Apport de la logique

� On peut utiliser la logique dans le contexte de la KR mais certaines approches réfutent l'utilisation de logiques.

� "According to one view, logic is the study of entailment relations � languages, truth conditions, and rules of inference". [R. Brachman, H. Lesvesque].

R. Bra c hm a n , H. Le s ve s q u e : Kn o wle d g e re p re s e n ta t ion a n d re a s o n in g � Morg a n Ka u fm a n - 2 0 0 4 .

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2 approches

� Symbolique : il existe une correspondance entre les éléments du modèle et la représentation symbolique. L'algorithme manipulant ces connaissances exploite directement cette correspondance.

� Approche inspirée concepts biologiques : les correspondances entre les deux modèles (réel et représenté), autres que les entrées et sorties, sont très difficiles à mettre en évidence. Le processus de résolution n'exploite donc aucune correspondance et les méthodes les plus utilisées sont les statistiques et les probabilités. Autres exemples : les réseaux de neurones et les algorithmes génétiques.

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Approche symbolique

� 2 classes :� Une approche basée sur les règles dans laquelle on

retrouve les sous-ensembles de la programmation logique et les systèmes experts.

� Une approche basée sur le concept d'objet dans laquelle on retrouve les sous-ensembles des réseaux sémantiques, les cadres, les scripts, les logiques de descriptions, les graphes conceptuels, les espaces conceptuels et les systèmes hybrides.

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Base de connaissances (KB)

� Une description (simplifiée, abstraite) d'un domaine.

� Une structure symbolique avec des règles formelles de manipulation de ces symboles.

� Nécessité d'un lien avec le domaine référent (interprétation)

� Contient des données intensionnelles et extensionnelles.

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Représentation des connaissances

� Comment représenter et utiliser l'information dans des modèles informatiques

� Deux domaines principaux :� Conception de formats pour décrire

l'information� Des langages généraux (logique des prédicats).

� Encodage de la connaissance� Identifier et décrire des vocabulaires (ontologies).

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Solution simple

� On programme la connaissance nécessaire dans le système. Par exemple en Lisp ou Prolog.

� Cette approche possède des défauts :� Le système est basé sur les connaissances

du développeurs.� impossible d'implémenter des modules

pour l'explication des comportements "intelligents".

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Un système de KR

� La connaissance n'est pas programmée dans le système mais elle est explicitement et déclarativement représentée dans le système, en utilisant un langage formel : une formalisme de représentation des connaissances.

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Opérations de base d'un KB

� Tell� Ajouter une entrée dans le KB

� Fonctionnalités liées� Ajouter des entrées dérivées� Tester la cohérence de l'ensemble

� Untell� Supprimer une entrée de la KB� Fonctionnalités liées

� Supprimer les entrées dérivées

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Opérations de base d'un KB

� Ask � Questionner la KB� Pour savoir si une entrée est une

conséquence logique de la KB

� Pour obtenir des résultats respectant la satisfaction de contraintes

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O.Curé [51 ]

KR et Base de données

� Base de données : connaissances concrètes� Pas de disjonctions, ni de quantificateurs

(sauf dans le schéma)

� KR : connaissances abstraites� Expressivité� Raisonnement

� Base de données déductives est un juste milieu

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O.Curé [52 ]

Réseaux sémantiques

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O.Curé [53 ]

Introduction

� Une idée de Quillian (1966), issue de ses travaux sur les modèles de mémoires associatives.

� A l'origine, ils sont utilisés dans des recherches liées à la compréhension du langage naturel.

� Les réseaux sémantiques se présentent comme des ensembles de points ou noeuds étiquetés.

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O.Curé [54 ]

Noeud

� Chaque noeud représente un concept :� Objet, fait ou situation

� Une notion générale de logique (non, et, ou, ..)

� Un sous-réseau.

� Les noeuds sont reliés par des arcs orientés figurant les relations sémantiques qui existent entre les noeuds.

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O.Curé [55 ]

Exemple

� Représentation de la phrase "Jeanne aime Noé".

jeanne Noéaime

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Relations "isa" et "ako"

� Un concept est relié au réseau ou à la famille à laquelle il appartient par deux types de liens :

� "est-un" (isa) décrit le fait qu'un concept est considéré comme une "instance" d'une famille d'objets. Correspond à l'appartenance (�) en théorie des ensembles.

� "sorte-de" (a kind of � ako) décrit le fait que le réseau considéré est un sous-réseau ou encore qu'il fait partie de la famille d'un réseau donné. Correspond à l'inclusion (�)en théorie des ensembles.

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O.Curé [57 ]

Exemple

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O.Curé [58 ]

Hiérarchies

� Les types de relations "isa" et "ako" définissent une structure hiérarchique entre réseaux et sous-réseaux sémantiques.

� "Noe" est :� Soit un élément particulier de l'ensemble

des "hommes" qui est un sous-ensemble des "humains".

� Soit le sous-ensemble des "humains" qui se nomment "Noe".

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O.Curé [59 ]

Héritage

� Par héritage, "Noe" possède une barbe et des cheveux.

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O.Curé [60 ]

Agent et objet

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O.Curé [61 ]

Nomenclature

� Les réseaux sémantiques sont bien adaptés à la représentation de classifications. Les liens sont alors limités exclusivement aux relations hiérarchiques du type "isa" et "ako".

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O.Curé [62 ]

Unification

� Les représentations en réseaux sémantiques ne sont utilisables qu'à la condition de disposer de procédures pour les manipuler.

� Ces procédures sont chargées d'instancier par des constantes les variables du réseau, c'est-à-dire les noeuds étiquetés par des variables.

� Elles fonctionnent comme des algorithmes d'unification.

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O.Curé [63 ]

Frames -Représentation centrée

objet

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O.Curé [64 ]

Présentation

� Développé par M.Minsky (fin de 70s).� C'est une méthode, un modèle de

représentation� Elle s'oppose aux représentations

relationnelles dans lesquelles un objet est décrit à travers ses propriétés disséminées dans des règles ou formules logiques.

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O.Curé [65 ]

Frame (ou schéma)

� Un frame est une structure de données représentant une situation prototypique.

� C'est le fruit des réflexions de Minsky sur les systèmes de perception et de vision. Exemple : représenter les différentes perspectives d'un cube.

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O.Curé [66 ]

Définition

� Un frame est défini par son nom et la liste de ses attributs (slots).

� Chaque attribut est lui-même décrit par un ensemble de facettes et leurs valeurs.

(schéma

(attribut-1 (facette-1 valeur-1) ...

(facette-n valeur-n))

...

(attribut-k (facette-1k valeur-1k)...)

)

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O.Curé [67 ]

Classe et instance

� Un frame décrit une famille ou classe.� Un objet particulier de cette classe est

décrit lui-même par un schéma, dit schéma d'instance, qui diffère du schéma de classe par la valeur donnée aux attributs.

� Une instance peut-être complète ou partielle. Elle hérite du schéma de sa classe à l'aide de la liaison "est_un" (isa).

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O.Curé [68 ]

Définition d'une facette

� L'ensemble des facettes d'un attribut décrit les diverses connaissances ou points de vues sur cet attribut :� Sa nature� Sa valeur� Sa valeur par défaut� Des moyens d'obtenir sa valeur.

� Les valeurs sont elle-mêmes des frames ou des références à des frames.

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O.Curé [69 ]

Exemple

(personne#1

(est-un (valeur Personne))

(nom (valeur "Arthur"))

(a-pour-père (valeur personne#10))

(date-naissance (valeur date#2)) )

(date#2

(est-un (valeur Date))

(jour (valeur 14))

(mois (valeur "juillet"))

(année (valeur 1950)) )

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O.Curé [70 ]

Exemple (suite)

(Personne

(nom (doit-être chaîne))

(âge (doit-être entier) (intervalle 1 120))

(a-pour-père (doit-être Personne))

(grand-père-de (liste-de personne))

(date-naissance (doit-être Date)) )

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O.Curé [71 ]

Facette -type

� Les facettes "liste-de" et "doit-être" permettent de définir le type des valeurs des attributs.

� Type simple : entier, réel, booléen et chaîne.

� Type défini par un frame : référence à une instance de ce frame ou d'un frame plus spécifique.

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O.Curé [72 ]

Facette -valeur

� Les facettes qui décrivent un moyen d'obtenir la valeur d'un attribut sont :� "valeur" : précise la valeur de l'attribut

� "si-besoin" : permet d'associer des méthodes de calcul des valeurs (attachement procédural).

� "défaut" : permet d'associer une valeur par défaut qui sera retenue en cas d'absence d'autres informations sur la valeur de l'attribut.

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O.Curé [73 ]

Exemple

(Personne

(âge (doit-être entier)

(si-besoin (compter-années date-jour date-

naissance)) )

(Planète

(atmosphère (doit-être booléen)

(défaut faux)) )

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O.Curé [74 ]

Réflexes

� Les facettes "si-ajout", "si-modif" et "si-supprime" sont suivies de la description d'une procédure, appelée respectivement en cas d'ajout, de modification et de suppression d'une valeur de l'attribut.

� Appelées aussi "démon", les procédures réflexes sont déclenchées lorsqu'une valeur est effectivement donnée à une attribut.

� Elles permettent de maintenir la cohérence de la base d'instances en propageant les modifications.

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O.Curé [75 ]

Exemple

(Carré

(largeur (doit-être réel)

(si-modif (calcule-surface largeur)) )

(surface (doit-être réel)) )

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O.Curé [76 ]

Restriciton

� Les facettes de restriction de type permettent de décrire des contraintes auxquelles la valeur de l'attribut doit obéir.

� "domaine" ou "restriction" : une liste de prédicats décrivant des contraintes sur la valeur de l'attribut.

� "intervalle" : intervalle des valeurs admissibles.

� "possibilité" : un ensemble de valeurs possibles.

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O.Curé [77 ]

Exemple

(Jour

(nom (possible (dimanche lundi mardi mercredi

jeudi vendredi samedi)) )

(numéro (restriction

(plus-grand-que 0)

(plus-petit-que 31))) )

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O.Curé [78 ]

Constat

� Structure objet efficace mais sémantique problématique.

� Insatisfaisant d'avoir les sémantiques des frames et de la hiérarchie des frames spécifiées opérationnellement.

� Confusion entre assertions et descriptions des classes.

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O.Curé [79 ]

Solution

� Assigner une sémantique déclarative aux frames en appliquant des méthodes basées sur la logique des prédicats.

� Avantages des frames sur FOL :� Une manière orientée objet et concise pour

représenter la connaissance.

� Nécessite uniquement un fragment de FOL et profite des caractéristiques des systèmes de frames pour le raisonnement.

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O.Curé [80 ]

Représentation des connaissances et bases de

données relationnelles� Le modèle de données d'une base de

données relationnelle (BDR) représente des connaissances, d'une manière élégante, pratique mais limitée.

� Une BDR représente une réalité externe : un domaine et un ensemble de relations sur ce domaine.

� Un schéma représente des données additionnelles à celles stockées explicitement dans les tables.

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O.Curé [81 ]

KR et BDR (2)

� Les données du schéma sont donc des méta-données qui décrivent les relations, les attributs, le domaine, les types (entiers, chaînes de caractères).

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O.Curé [82 ]

Requêtes

� SQL est dérivé de l'algèbre relationnel et du calcul relationnel (plus l'aggrégation).

� Assez expressif mais le support de la récursivité est très faible.

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O.Curé [83 ]

Contrainte d'intégrité

� Présence optionnelle dans le schéma� Prévention de l'éxécution de certains

modifications non désirables.� Exemple : clé primaire, clé étrangère, etc..

� Les CI sont des conditions qui doivent être vraies dans les états valides d'une BD.

� Les CI imposent une forme de sémantique aux données.

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O.Curé [84 ]

CI (2)

� Les connaissances contenues dans les CI est :� implicites,

� synthétiques,

� des méta-données

� Pourquoi ne pas utiliser ces connaissances dans le processus de réponse à des requêtes ?

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O.Curé [85 ]

CI (3)

� Exemple : une relation sur des employés

Nom Poste Salaire

Durand pdg 70000

Dupont r&d 30000

Martin pdg 80000

Serre dir. ag. 50000

CI : �x,�y,�z (employe(x,y,z) �� y=pdg � z>60000

Requête : Obtenir le nom des employés avec un salaire<40000

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O.Curé [86 ]

CI (4)

� Requête initiale :

SELECT nom FROM employe WHERE salaire

<40000;

� Réécriture en :

SELECT nom FROM employe WHERE salaire

<40000 AND poste!='pdg';

� Equivalence des requêtes.

� Optimisation sémantique de requêtes (basée sur la sémantique des données).