Spatial Knowledge Representation for Human-Robot Interaction

							Connecting Language to the World: 
       Ontology Baseline

                     Scott Farrar
           Project I1­[OntoSpace]
Brief overview of I1­[Ontospace]

 I1 is a sub­project within the SFB/TR­­
 Spatial Cognition: Reasoning, Action, 
 Interaction
 other members: John Bateman, Kerstin 
 Fischer, Reinhard Moratz, Thora Tenbrink
I1 primary deliverable

  Ontologies for spatially­aware systems 
  and NL components.
  A registry of inter­ontology mappings that 
  allows for communication between 
  spatially­aware systems and NL 
  components.
Modeling space in the SBF/TR

 To illuminate the relationship between the 
 spatially­aware systems and the natural 
 language components (world/language).
 To facilitate the information exchange 
 between individual spatially­aware 
 systems (software integration).
 To investigate certain issues concerning 
 spatial reasoning in robots.
 e tio f -[Otopc] thr ro c sin n loie
Rla noI1 n Saetoo ep jetsu goto g s
Goals of presentation
 To present a review of the major 
 ontologies available for reuse within the 
 SFB and beyond 
 Discuss some basic parameters 
 important to ontology building in general.
 Discuss the parameters important for the 
 SFB— spatial aspects of ontology 
 building.
Major issues within the ontology 
community

  Philosophical approach
  Meta­level distinctions
  Ontological primitives
  Set theory vs. mereology
  Representation
Philosophical approach

 What are the categories and relations 
 supposed to be modelling?
   the world­­realism (Husserl, Ingarden, Smith)
   concepts­­conceptualism (commonsense 
   realism) (Hayes, Guarino et al.)
Meta­level distinctions

  formal vs. material level in ontology
    member, familyMember
  perspective
    endurantism (3­D), perdurantism (4­D) 
  granularity
    microscopic, mesoscopic, macroscopic
Ontological primitives

  Intra­ontological
    universals, particulars
    subsumption, instantiation
  Trans­ontological
    [more later… ]
Set theory vs. mereology

 domain­independent tools/theories
 set theory (ST)
   Primitives are those from ST: union, 
   intersection, subset, urelements.
 mereology
   Primitives are those from classical 
   mereology: part, interiorPart
Representation

 logical language
   expressiveness
   computational tractability
 first­order logic (SUO­KIF, CycL)
 description logic (OWL)
The leading candidates

 OpenCyc
 SUMO
 DOLCE
 BFO
OpenCyc

 Cycorp
 http://www.opencyc.org
 6,000 categories and relations
 60,000 assertions about those c’s and r’s.
 sort of free
 bundled with the OpenCyc KB system
OpenCyc

 Based on set theory— everything is either 
 an instance or subset of Thing.
 Thing partitioned into:
   SetOrCollection: the collection of sets; 
   instances have members, not parts. 
 and
   Individual: the collection of individuals; 
   instances have parts, not members.
OpenCyc— Top level
OpenCyc

 Entities in OpenCyc are considered to be 
 “concepts”, not necessarily dependent on 
 the human mind— commonsense view of 
 the world.
 OpenCyc is actually mixture of realism 
 and conceptualism.
 Compare FoodGroup to SpatialThing­
 Localized
OpenCyc

 Intricate arrangement of all categories, 
 relations, and assertions in the system of 
 microtheories.
 Everything in OpenCyc is a member of 
 some microtheory.
 KB partition based on shared 
 assumptions, fields of study, and/or 
 sources of knowledge.
 See taxonomy of microtheories…
OpenCyc




    and more than 200 others…
OpenCyc summary

 Philosophical approach— mixed (realism, 
 conceptualism)
 Meta­level distinctions (formal, material, 
 highly granular)
 Ontological primitives (microtheories)
 Set theory vs. mereology— strongly set 
 theoretic
 Representation— CycL (first­order logic)
SUMO

 Suggest Upper Merged Ontology
 http://ontology.teknowledge.com
 1019 categories and relations, 4181 
 axioms, and 822 implication rules.
 Developed by IEEE working group, 
 administered by Teknowledge
 sort of free
 Partial SUMO taxonomy
                                     Entity
                              is­a               is­a


                   Physical                         Abstract



         Object      Process
                                      Relation
                                                                   Attribute
                                                    Proposition
Region        Agent
                                                                  Quantity
                        Collection     SetOrClass
  SelfConnected­
  Object
SUMO

 Informally modular
   structural ontology
   base ontology
   set theory
   mereotopology
   numeric, temporal
   objects, process
SUMO

  Encoded in SUO­KIF
(<=>
       (instance ?PHYS Physical)
       (exists (?LOC ?TIME)
             (and
                    (located ?PHYS ?LOC)
                    (time ?PHYS ?TIME))))
“All physical entities are located in time and space”
SUMO summary

 Philosophical approach— mixed, less 
 focus on realism
 Meta­level distinctions— formal, material
 Ontological primitives
 Set theory vs. mereology— set theory
 Representation— SUO­KIF (first­order 
 logic)
DOLCE

 Discriptive Ontology for Linguistic and 
 Cognitive Engineering
 http://www.loa­cnr.it/index.html
 Based on a particular research line within 
 ontology (Guarino, Masolo, Gangemi, 
 Colomb, et al.)
 Aimed at supporting the Semantic Web 
 (Wonderweb project)
DOLCE
DOLCE

 Axioms in DOLCE are represented in KIF 
 and OWL.
 Initial axiomatization of DOLCE appears 
 to be aimed the very upper formal level, 
 in contrast to SUMO.
 An example…
DOLCE
(D1)  RG: Rigid Universal
(defrelation RG (?w0 ?f) :=
  (and (UNIVERSAL ?f)
        (WORLD ?w0)
        (forall (?w ?x)
               (=> (and (WLDR ?w0 ?w) (WORLD ?w) 
                     (PARTICULAR ?x))
               (=> (?f ?w ?x)
                       (forall (?u)
                               (=> (and (WLDR ?w ?u) (WORLD ?u))
                                   (?f ?u ?x))))))))
DOLCE

 Introduces qualities and quality regions.
DOLCE summary

 Philosophical approach— conceptualism, 
 though more realism than 
 OpenCyc/SUMO.
 Meta­level distinctions— mostly formal
 Ontological primitives
 Set theory vs. mereology— strongly 
 mereological
 Representation— KIF (first­order logic); 
 OWL (but only the taxonomy+)
BFO

 Basic Formal Ontology 
 http://www.ifomis.uni­leipzig.de/
 Developed by IFOMIS in Leipzig
 Smith, Grenon, et al.
 Actually a framework of ontologies
 SNAP and SPAN
BFO

 “Perspectivalism maintains that there 
 may be alternative, equally legitimate 
 perspectives on reality. But 
 perspectivalism is constrained by realism: 
 …”

SNAP vs. SPAN
BFO— SNAP

 Time is not present.
 SNAP entities have other SNAP entities 
 as parts.
 Parthood behaves simply and reliably.
 the totality of space, my_hand, color_red, 
 point_233
BFO
BFO— SPAN

 SPAN entities are necessarily temporal.
 SPAN entities have other SNAN entities 
 as parts.
 Your childhood is part of your life; you are 
 not a part of your life.
 Time itself, space­time, the year 1971, 
 the shaving of my beard
BFO
BFO— relations

 (SNAP, SPAN), e.g., participant, as in 
 ‘the jumper is a participant in the jumping 
 event’
 (SNAP, SNAP), e.g., part, as in ‘the leg is 
 part of the table’
 (SPAN, SNAP), e.g., creation, as in 
 ‘burning creates ashes’
 (SPAN, SPAN), e.g., as in ‘the poor 
 driving caused an accident’
BFO summary

 Philosophical approach— realist
 Meta­level distinctions— formal
 Ontological primitives— trans­ontological 
 relations
 Set theory vs. mereology— strongly 
 mereological
 Representation— no implementation yet, 
 but will likely be some variant of first­
 order logic
SFB­specific issues

 Spatial categories and relations
 Reference systems
 Reasoning support
 others?
Quick overview of space

     Space has been approached either from 
     the standpoint of:
       traditional geometry— a set of points
or
       region calculus— a collection of primitive 
       regions
Areas of spatial concern

 qualitative reasoning
 surfaces, edges, boundaries
 topology— theory of boundaries, contact, 
 and separation (also mereotopolgy)
 commonsense reasoning with objects
 spatial relations— beyond above, 
 beside…
 path and reference systems
The leading candidates

 OpenCyc
 SUMO
 DOLCE (will not be presented)
 BFO (will not be presented)
 RCC (will not be presented)
OpenCyc— Space

 The structure of OpenCyc’s spatially­
 related categories are difficult to 
 visualize.
   lattice structure
   cut across microtheories
 Nevertheless, spatial entities and 
 relations can be discussed separately.
   SpatialThing
   spatiallyRelated
OpenCyc
Subsumed by SpatialThing
 BiologicalLivingObject   GeometricThing­
 Border                   Localized
 CavityInterior­Generic   InformationBearingThing
 CavityOrContainer        PartiallyTangible
 CloudlikeObject          Path­Spatial
 Configuration            Place
 CustomarySystemOfLinks   SomethingToWear
 EmptyRegion­Generic      SpaceRegion­Empirical
 Event­Localized          SpatialPathSystem
 Food                     Trajectory
 GeographicalThing
OpenCyc— SpaceRegion

 SpaceRegion is subsumed by 
 SpatialThing…
OpenCyc— Space
OpenCyc— Relations

spatiallyRelated 
  aligned
  connectedTo
  hasBeenIn
  parallelObjects
  notFarFrom
  connectedTo
  spatiallyDisjoint
  physicalParts­disjoint
  onSamePlanetSurfaceAs
OpenCyc— Granularity
touches                         touches (cont.)
   above­Touching                  hangsFrom
       groundOf                    hangsAround
       in­Floating                 in­Held
       on­Physical                 in­ImmersedGeneric
   adjacentTo                          in­ImmersedFully
       bordersOn                       in­ImmersedPartly
       spaceRegionPortals          in­Snugly
   alignedAlongSurface             touchesAtEnd
       connectedAlongSurface       touchesDirectly
       sheetSurfaceTouches         wearer
   connectedAtContact              wearsClothing
       connectedAlongSurface       wornOn
       connectedAtContact
       connectedAtEnd
       in­Embedded
       pipesDirectlyConnected
OpenCyc— Path systems

 OpenCyc has a rich 
 inventory of 
 categories related 
 to paths and path 
 systems, based on 
 graph theory.
OpenCyc— PathSystem
Path­Spatial can be anything…
   EdgeOnObject
   Path­Customary
       CordlikeObject
       FlowPath
       PathArtifact
   Portal
       Doorway
       PipeEndToCavityJunction
       WindowPortal
   SolidSurfacePathThroughAir
       PathForWheeledVehicles
           Railroad
           Roadway
OpenCyc— Observations

 OpenCyc 
   is neatly, sometimes not so neatly, partitioned 
   into microtheories.
   covers many subdomains related to space.
   is axiomatically impoverished, though future 
   releases are supposed to include the axioms.
OpenCyc— Observations

 Whereas OpenCyc has a rich inventory of 
 spatial categories and relations, it seems more 
 like an extension of a lexical resource such as 
 WordNet than an ontology.
 OpenCyc is useful as a measure for breadth, 
 though the quality of breadth is questionable in 
 many cases.
 Particularly useful may be OpenCyc’s rich 
 vocabulary for paths and path systems.
SUMO— Space
SUMO— Parts and wholes
SUMO— Parts and wholes

(<=>
   (instance ?OBJ SelfConnectedObject)
   (forall (?PART1 ?PART2)
       (=>  (equal ?OBJ (MereologicalSumFn 
             ?PART1 ?PART2))
             (connected ?PART1 ?PART2))))

“A SCO is the sum of its parts which are all 
   connected.”
SUMO— Space
SUMO— Regions

(=>
  (instance ?REGION Region)
  (exists (?PHYS)
     (located ?PHYS ?REGION)))

“If something is a region, then there is 
    something located in that region.”
SUMO— Relations

 SUMO spatial relations are partially based on 
 the Allen axioms:
SUMO— Attributes
SUMO— Parts
SUMO— Observations

 SUMO 
   contains considerable breadth, but also depth 
   concerning certain aspects of  space.
   particularly rich concerning relations.
   axioms are included (Allen axioms for space).
   leans less towards the lexical semantics of 
   English than OpenCyc.
Summary

 The aims of the SFB/TR have been 
 introduced, with particular emphasis on 
 the creation of ontologies for spatially­
 aware systems.
 The basics of four ontologies have been 
 overviewed: OpenCyc, SUMO, DOLCE, 
 and BFO.
 Spatial aspects of OpenCyc and SUMO 
 have been presented.
Conclusions

 No single ontology satisfies the needs of the 
 SFB/TR in terms of an ontology for space.
 OpenCyc and SUMO lack the theoretical 
 consistency needed for scaling up to detailed 
 software integration.
 Both Open and SUMO rely on categories and 
 relations more appropriate for the lexical 
 semantics of English, not a general spatial 
 ontology.
Conclusions

 Neither DOLCE nor BFO are developed 
 enough to evaluate in terms of space.
 Even so, certain aspects of the reviewed 
 ontologies should be considered as 
 starting points for constructing a general 
 ontology for space.
Conclusions

 OpenCyc— microtheories, path systems, 
 breadth
 SUMO— commonsense mereology, 
 example axioms, spatial relations
 DOLCE— qualities/q. regions, basic 
 mereology
 BFO— perspectivalism, trans­ontological 
 relations, basic mereology, theories of 
 space/time
Next steps

 Consider the needs of the particular projects 
 within the SBF/TR; nail down a methodology for 
 incorporating experimental results.
 Determine weather or not DLs are adequate.
 Survey available ontologies for application 
 towards a linguistically motivated ontology (add 
 GUM, GOLD).
 Survey methods to relate ontologies; define the 
 relationship between linguistically motivated 
 ontology and ontology for space.