Seminar:Semantic Web Technologien. RDF Schema (vs. XMLS), Ontologien und OWL

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1 Seminar:Semantic Web Technologien RDF Schema (vs. XMLS), Ontologien und OWL Lina Sun Matrikelnummer: Betreuer: Steffen Koch 1. August 2007

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 4 2 RDFS (Resource Description Framework Schema) Klassen rdfs:resource rdfs:class rdfs:literal rdfs:datatype rdf:xmlliteral rdf:property Properties rdfs:range rdfs:domain rdf:type rdfs:subclassof rdfs:subpropertyof rdfs:label rdfs:comment Weitere Vokabulare Die Klassen und Properties vom Container RDF Kollektion Das konkrete Vokabular Die Hilfsproperties Ein Beispiel RDFS vs. XMLS 10 4 Ontologien 10 5 OWL(Web Ontology Language) Klassen und Individuen owl:class owl:thing Individuen Properties Datentypeigenschaften Objekteigenschaften Properties mit eigenem Merkmal TransitiveProperty SymmetricProperty FunctionalProperty inverseof

3 5.3.5 InverseFunctionalProperty Weitere Vorkabulare Zusammenfassung 14 3

4 1 Einleitung Seit der Entwicklung der Internet-Webseiten spielt die Semantik eine wichtige Rolle. Das folgend Bild zeigt die Semantik Web Architektur. Abbildung 1: Die Abbildung der Architektur von Semantk Web Um die Informationen zwischen verschiedenen Anwendungen besser austauschen und verarbeiten zu können, ist es wichtig, deren Semantik z.b.mit Hilfe von Semantic Web - Technologien beschreiben zu können. XML (extensible Markup Language) ist eine Metasprache, d.h. eine Sprache zur Definition von Sprachen. Sie definiert die Elemente und formt einen Syntaxbaum. RDF (Resource Description Framework) definiert eine Infrastruktur, die es ermöglicht, die Semantik in XML-Dokument hineinzulegen, die für eine echte Bedeutungsverarbeitung notwendig ist. OWL (Web Ontology Language) ist eine formale Sprache zur Beschreibung von Ontologien. 2 RDFS (Resource Description Framework Schema) RDFS ist eine Schema-Spezifikationssprache, um Metadaten zu beschreiben. RDF ist ebenfalls eine Beschreibung für Metadaten[5]. Aber es ist nicht genug. RDF Properties können als die Attribute von Ressourcen gesehen werden und haben eigene Werte. RDF Properties realisieren auch die Beziehungen zwischen den Ressourcen. Aber RDF bietet keinen Mechanismus zur Darstellung dieser Properties und der Beziehungen zwischen 4

5 dieser Properties und anderer Ressourcen. RDFS bietet diesen Mechanismus. RDFS definiert Klassen und Properties, welche wiederum Klassen, Properties und andere Ressourcen beschreiben können. Es ist die Erweiterung von RDF und verwendet RDF-Syntax[1]. Der Kern des RDFS -Vokabulars wird durch das Namespace-Präfix, das hier informell rdfs identifiziert. Dieser Namespace wird durch die URI identifiziert und mit dem Präfix verbunden. Ein weiter Namespace ist der RDF Namespace mit dem Präfix rdf und der URI Klassen Ressourcen können in Gruppen aufgeteilt werden. Diese Gruppen werden als Klassen bezeichnet. Die Entitäten in einer Klasse sind die Instanzen von dieser Klasse. Klassen selbst sind auch Ressourcen. Sie werden durch eine URI von RDF identifiziert und mit den Properties von RDF beschriebt. Beispielsweise wird eine Klasse mit einer Instanz durch rdf:type verbunden rdfs:resource Als rdfs:resource alles bezeichnet, was mit RDF beschriebt werden kann. Es ist die oberste Klasse, alle anderen Klassen sind die Instanzen von Ihr. Mit einer Ausnanme: rdfs:resource ist eine Instanz von rdfs:class rdfs:class rdfs:class ist die Klasse aller Klassen. Sie dient in Verbindung mit rdf:type zur Erzeugung von Instanzen rdfs:literal rdfs:literal ist Klasse für alle Literale, also Zeichenketten, Integer... Die Literale können explizit oder ein Typ sein. Beispielsweise ist Tim Bray ein explizites Literal und String ein Typ als Literal, d.h. Jede im Typ String ist eine Instanz von Literal String. rdfs:literal ist eine Instanz von rdfs:class und ist eine Subklasse von rdfs:resource rdfs:datatype rdfs:datatype ist eine Klasse für den Datentyp. Alle Instanzen von rdfs:datatype korrespondieren mit dem RDF-Model eines Datentyps. rdfs:datatype ist nicht nur eine Instanz sondern auch eine Subklasse von rdfs:class. Jede Instanz von rdfs:datatype ist eine Subklasse von rdfs:literal rdf:xmlliteral rdfs:xmlliteral ist die Klasse der XML Literale. Sie ist eine Instanz von rdf:datatype und eine Subklasse von rdfs:literal. 5

6 2.1.6 rdf:property rdf:property ist die Klasse der Eigenschaften und eine Instanz von rdfs:class. 2.2 Properties Properties beschreiben die Beziehung zwischen den Subjekt- und Objekt-Ressourcen. Mittels einiger Properties werden die Hierarchien von der Klassen und Properties aufgebaut, z.b. rdfs:subclassof, rdfs:subpropertyof rdfs:range rdfs:range legt den Wertebereich einer Eigenschaft fest und ist eine Instanz von rdf:property. rdfs:range ist eine Instanz von rdf:property. Auf die Properties und das Selbst ist rdfs:range verwendbar. rdfs:range von rdfs:range ist die Klasse rdfs:class, d.h. jede Ressource, die der Wert eines rdfs:range Properties ist, ist eine Instanz von rdfs:class. rdfs:domain von rdfs:range ist die Klasse rdf:property, d.h. jede Ressource mit einem rdfs:range Property ist eine Instanz von rdf:property rdfs:domain rdfs:domain legt den Anwendungsbereich einer Eigenschaft in Bezug auf eine Klasse fest und ist eine Instanz von rdf:property. Auf die Properties und das Selbst ist rdfs:domain verwendbar. rdfs:domain von rdfs:domain ist die Klasse rdf:property, d.h. jede Ressource mit einem rdfs:domain Property ist eine Instanz von rdf:property. rdfs:range von rdfs:domain ist die Klasse rdfs:class, d.h. jede Ressource, die der Wert eines rdfs:domain Property ist, ist eine Instanz von rdfs:class rdf:type rdf:type ist eine Instanz von rdf:property. Durch rdf:type verbindet eine Klasse zu einer Instanz. rdfs:domain von rdf:type ist rdfs:resource. rdfs:range von rdf:type ist rdfs:class rdfs:subclassof rdfs:subclassof ist die (Unter-)Beziehung zwischen Klassen und eine Instanz von rdf:property. Dieses Property ist transitiv, d.h. C1 ist eine Subklasse von C2 und C2 ist eine Subklasse von C3, dann ist C1 auch eine Subklasse von C3. Außerdem sind C1, C2 und C3 die Instanzen von rdfs:class. rdfs:domain von rdfs:subclassof ist rdfs:class. rdfs:range von rdfs:subclassof ist rdfs:class rdfs:subpropertyof Rdfs:subPropertyOf ist die (Unter-)Beziehung zwischen Properties und eine Instanz von rdf:property. Dieses Property ist transitiv, d.h. P1 ist ein Subproperty von P2 und P2 6

7 ist ein Subproperty von P3, dann ist P1 auch ein Subproperty von P3. Außerdem sind P1, P2 und P3 die Instanzen von rdf:property. rdfs:domain von rdfs:subpropertyof ist rdf:property. rdfs:range von rdfs:subpropertyof ist rdf:property rdfs:label rdfs:label ist eine Instanz von rdf:property und bietet die von Menschen lesbarer Namen einer Ressource. rdfs:domain von rdfs:label ist rdfs:resource. rdfs:range von rdfs:label ist rdfs:literal rdfs:comment rdfs:comment ist eine Instanz von rdf:property und bietet die von Menschen lesbare Beschreibungen einer Ressource. rdfs:domain von rdfs:comment ist rdfs:resource. rdfs:range von rdfs:comment ist rdfs:literal. 2.3 Weitere Vokabulare Weil RDFS eine Erweiterung von RDF ist, dann finden sich Konzepte aus RDF auch in RDFS, z.b. Container und Kollektion Die Klassen und Properties vom Container rdfs:container: eine Superklasse von der Container-Klassen in RDF, z.b. rdf:bag, rdf:seq, rdf:alt. rdf:bag: eine Klasse vom Bag Container in RDF. Die rdf:bag Klasse repräsentiert einen ungeordneten Container. rdf:seq: eine Klasse vom Sequence Container in RDF. Die rdf:seq Klasse repräsentiert Container, in dem die Elemente geordnet sind. rdf:alt: eine Klasse vom Alternative Container in der RDF. Die rdf:alt Klasse repräsentiert einen Container von alternativen Ressourcen RDF Kollektion Der Container eignet sich für eine Menge, die nicht abgeschlossen ist, die Kollektion hingegen für die abgeschlossene Menge. rdf:list: eine Instanz von rdfs:class und eine Beschreibung zu der Liste. rdf:first: eine Instanz von rdf:property und die first-element-beziehung. rdfs:domain von rdf:first ist rdf:list. rdfs:range von rdf:first ist rdfs:resource. 7

8 rdf:rest: eine Instanz von rdf:property und die rest-of-list-beziehung. rdfs:domain und rdfs:range von rdf:rest sind rdf:list. rdf:nil: eine Instanz von rdf:list, in der es keine Elemente gibt. Das folgend Bild zeigt die Beziehungen zwischen den Klassen: Abbildung 2: Eine Abbildung der Beziehungen zwischen Klassen Das konkrete Vokabular RDF definiert ein Vokabular für die Aussagen. Konkret beschreibt das Vokabular eine Aussage in RDFS. rdf:statement: eine Instanz von rdfs:class. Eine Aussage in RDF wird mit Hilfe des Tripelmodels formuliert. Es besteht aus dem Subjekt, dem Prädikat und dem Objekt[5]. rdf:subject: eine Instanz von rdf:property und ein Subjekt einer Aussage. rdfs:domain von rdf:subject ist rdf:statement. rdfs:range von rdf:subject ist rdfs:resource. 8

9 rdf:predicate: eine Instanz von rdf:property und ein Prädikat einer Aussage. rdfs:domain von rdf:predicate ist rdf:statement und rdfs:range ist rdfs:resource. rdf:object: eine Instanz von rdf:property und ein Objekt einer Aussage. rdfs:domain von rdf:object ist rdf:statement und rdfs:range ist rdfs:resource Die Hilfsproperties rdfs:seealso: eine Instanz von rdf:property, die eine Ressource zeigt, die dem Subjekt die zusätzlichen Information bietet. rdfs:domain und rdfs:range von rdfs:seealso sind rdfs:resource. rdfs:isdefinedby: eine Instanz von rdf:property, die eine das Subjekt zu definieren Ressource zeigt und ein Subproperty von rdfs:seealso. rdfs:domain und rdfs:range von rdfs:isdefinedby sind rdfs:resource. 2.4 Ein Beispiel Abbildung 3: Die Abbildung vom Beispiel In diesem Beispiel werden einige Klassen definiert und mittels rdfs:subclassof in einer Klassenhierarchie angeordnet (repräsentiert durch unbeschrifteten Pfeile). Einige dieser Klassen werden als Werte der Property rdf:type benutzt. Da auch Properties in RDFS eigenständige Ressourcen sind, können sie durch andere Properties beschrieben werden. Beispielhaft werden Constraints für das Property leader vorgestellt. 9

10 3 RDFS vs. XMLS Im RDFS kann man die Folgendes definieren[2]: Klassen und Subklassen, d.h. die Hierarchie von den Klasse Properties und Subproperties, d.h. die Hierarchie von den Properties Subjekt, Objekt und Prädikat für eine Aussage in RDF Constraints für ein Property, z.b. domain und range Im XMLS kann man die Folgende definieren[4]: die Struktur von einem XML-Dokument die Ordnung und Kombination von Tags in einem XML-Dokument Datentypen Zusammenfassend entspricht die Relation zwischen RDF und RDFS nicht der zwischen XML und XMLS[3]. 4 Ontologien Die Ontologie (von den griechischen Wörter on und logos) ist die Lehre vom Sein, bzw. von den grundsätzlichsten, allgemeinsten, elementarsten, fundamentalen und konstitutiven Eigenschaften, den Prinzipien, den grundsätzlichsten Wesens-, Ordnungs-und Begriffs-Bestimmungen des Seins. In den letzten Jahren spielen Ontologien eine wichtigen Rolle in Semantic Web. Hier ist Ontologie ein Fachbegriff aus der künstlichen Intelligenz. Eine Ontologie stellt eine Wissensrepräsentation eines formal definierten Systems von Begriffen und Relationen dar[6]. Die Daten können als Ontologiedaten formuliert werden und dieses Datenformat für die Austausch und die Verarbeitung ist besser und schneller als XML-Daten oder RDF- Daten. Das Vokabular der Ontologie besteht aus Klassen und Relationen. Z.B. in einem Model gibt es drei Entitäten, Angestellter, Manager und Projekt und die Relationen zwischen diesen Entitäten können mit Hilfe der Ontologie wie die Folgendes definiert werden: Ein Manager muss einen Angestellter sein und ein Angestellter arbeitet in einem Projekt und hat andere Mitarbeiter in diesem Projekt. Mit Hilfe der Ontologie werden die Informationen aus verschiedenen Entitäten als Einheit repräsentiert. Wenn die Interpretationsvorschriften für die Daten übereinstimmend sind, können die Anwendungen miteinander kommunizieren, z.b. verschiedene Suchenmaschinen. Weil Ontologie die Semantik in der Repräsentation einfügt, eignet sich dieses Datenformat für die Menschen ebenfalls für die Anwendungen. 10

11 5 OWL(Web Ontology Language) Die Sprache OWL ist eine formale Sprache zur Beschreibung von Ontologien. OWL ist eine Erweiterung von RDF und basiert technisch auf der RDF-Syntax. Weil die Beziehung in einer Ontologie der wichtigst Begriff ist, beschreibt OWL die Beziehungen zwischen Klassen oder Properties. Es gibt drei verschiedene Varianten von OWL, OWL-Lite, OWL-DL, OWL-Full. OWL- Lite ist die einfachste Sprachebene. Die Wahl der Sprachebene hängt von der Komplexität und der für Ihr semantisches Modell erforderlichen Detailliertheit ab[8]. OWL Lite (für Taxonomien) OWL DL (effektiv entscheidbar, Description Logics) OWL Full (Ontologien höher Ordnung) Die Relationen der drei Sprachversionen ist folgt definiert[7]: Jede gültige OWL Lite Ontologie ist eine gültige OWL DL Ontologie. Jede gültige OWL DL Ontologie ist eine gültige OWL Full Ontologie. Jede zulässige OWL Lite Konklusion ist eine zulässige OWL DL Konklusion. Jede zulässige OWL DL Konklusion ist eine zulässige OWL Full Konklusion. 5.1 Klassen und Individuen owl:class In einem OWL Dokument kann man eine Klasse wie folgt definieren: <owl:class rdf:id="classname"/> Die Bezeichnung sollte immer mit Hilfe vonrdf:id erfolgen. OWL selbst kann die Hierarchie von Klassen nicht definieren, aber ist OWL die Erweiterung von RDF und mittels des RDFS Vokabulars kann OWL die Klassenhierarchie realisieren. <owl:class rdf:id="stadt"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#ort"/> </owl:class> owl:thing Jede Klasse ist eine Subklasse von der Klasse owl:thing und jedes Individuum in OWL ist eine Instanz von der Klasse owl:thing. 11

12 5.1.3 Individuen In OWL kann man die Individuen in einer Klasse definieren. <Stadt rdf:id="berlin"/> In diesem Beispiel wird ein Individuum Berlin in der Klasse Stadt definiert. 5.2 Properties Es gibt zwei Eigenschaften, Objekteigenschaften und Datentypeigenschaften. Datentypeigenschaften: die Relationen zwischen Instanz von Klassen und RDF Literale und XMLS datatype Objekteigenschaften: die Relationen zwischen Instanzen von zwei Klassen Datentypeigenschaften <owl:datatypeproperty rdf:id="alter"> <rdfs:domain rdf:resource="#person" /> <rdfs:range rdf:resource="&xsd;positiveinterger"/> </owl:datatypeproperty> In diesem Beispiel verbindet die Klasse Person zu die positive ganze Zahl mit dem Property Alter. Die folgenden Datentypen kann man in OWL verwenden: xsd:string xsd:normalizedstring xsd:boolean xsd:decimal xsd:float xsd:double xsd:integer xsd:nonnegativeinteger xsd:nonpositiveinteger xsd:negativeinteger xsd:long xsd:int xsd:short xsd:byte xsd:unsignedlong xsd:unsignedint xsd:unsignedshort xsd:unsignedbyte xsd:hexbinary xsd:base64binary xsd:datetime xsd:time xsd:date xsd:gyearmonth xsd:gyear xsd:gmonthday xsd:gday xsd:gmonth xsd:anyuri xsd:token xsd:language xsd:nmtoken xsd:name xsd:ncname rdfs:literal Tabelle 1: Datentypen in OWL Objekteigenschaften Ein Eigenschaft kann einige Constraints haben, z.b. domain und range. 12

13 <owl:objectproperty rdf:id="wohntin"> <rdfs:domain rdf:resource="#person"/> <rdfs:range rdf:resource="#gebiet"/> </owl:objectproperty> In diesem Beispiel hat das Property wohntin einen Definitionsbereich der Klasse Person und ein Wertbereich von der Klasse Gebiet. Mittels rdfs:subpropertyof kann man eine Hierarchie von Properties aufbauen. 5.3 Properties mit eigenem Merkmal In OWL haben einige Properties Merkmale wie transitiv, symmetrisch und invers TransitiveProperty Wenn ein Property P tranisitiv ist, dann gilt für beliebige Resourcen x, y und z: P(x, y) und P(y, z) => P(x, z) Zum Beispiel ist das Property liegtin transitiv. Wenn Shanghai in China liegt und China in Asien liegt, dann liegt Shanghai auch in Asien. <owl:transitiveproperty rdf:id="liegtin"> <rdfs:domain rdf:resource="#gebiet"/> <rdfs:range rdf:resource="#gebiet"/> </owl:transitiveproperty> SymmetricProperty Wenn ein Property P symmetrisch ist, dann gilt für beliebige x, y : P(x, y) iff. P(y, x) So ist z.b. das Property NachbarVon symmetrisch. Wenn A ein Nachbar von B ist, dann bestimmt es, dass B auch ein Nachbar von A ist FunctionalProperty Wenn ein Property P functional ist, dann gilt für beliebige x, y, z: P(x, y) and P(x, z) => y=z Z.B. das Property besitztausweisnr ist ein FunctionalProperty. Jeder Wert im Definiertionsbereich vom Property besitztausweisnr hat einen und nur einen Wert im Wertebereich, d.h. das Property ist eindeutig inverseof Wenn ein Property P1 als Umkehrfunktion von P2 bezeichnet wird, dann gilt für beliebige x und y: P1(x,y) iff P2(y,x). 13

14 <owl:inverseof rdf:id="identifiziertperson"> <owl:inverseof rdf:resource="besitztausweisnr"/> </owl:inverseof> In diesem Beispiel ist das Property identifiziertperson die Umkehrfunktion vom Property besitztausweisnr InverseFunctionalProperty Wenn ein Property P InverseFunctional ist, dann für alle x, y und z gilt es: P(y, x) und P(z, x) => y=z. owl:inversefunctional deutet daran, dass ein Wert im Wertebereich eine einzige Identität im Definitionsbereich zeigt. <owl:objectproperty rdf:id="hasmaker" /> <owl:objectproperty rdf:id="produceswine"> <rdf:type rdf:resource="&owl;inversefunctionalproperty"/> <owl:inverseof rdf:resource="#hasmaker" /> </owl:objectproperty> In diesem Beispiel hat jeder Wein einen einzigen Produzent. 5.4 Weitere Vorkabulare owl:sameclassas: definiert eine Klasse als ein Synonym von anderer Klasse owl:samepropertyas: definiert ein Property als ein Synonym von anderem Property owl:differentfrom: definiert zwei verschiedene Individuen in einer Klasse owl:disjointwith: definiert eine Disjunktion von einer Menge der Klasse owl:complementof : definiert eine Klasse als ein Komplement von anderer Klasse 6 Zusammenfassung Mit XML, RDF und OWL kann eine Anwendung oder ein Computer die Informationen nicht nur auf der lexikalischer oder der syntaktischen Ebene sondern auch auf der semantischen Ebene verstehen und automatisch verarbeiten. Im Gegensatz zu XML kann mit Hilfe von OWL die Kommunikation nicht nur zwischen dem Mensch und der Anwendung, sondern auch zwischen den Anwendungen automatisch erfolgen. 14

15 Literatur [1] D. Brickley, R.V. Guha. RDF Vocabulary Description Language 1.0: RDF Schema [2] wikipedia RDFS-Webseite. [3] XMLS Part 0:Primer Second Edition. [4] XML Schema. [5] Graham Klyne, Jeremy J.Carroll. Resource Description Framework(RDF): Concepts and AbstractSyntax. [6] Wikipedia Ontologien-Webseite. [7] Smith, C. Welty,D. L. McGuinness. OWL Web Ontology Language Guide. [8] Wikipedia OWL-Webseite. 15

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