Forschungszentrum Informatik. Universität Karlsruhe (TH) Semantic Web. Alexander Maedche (FZI)

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1 Forschungszentrum Informatik Universität Karlsruhe (TH) Semantic Web Alexander Maedche (FZI)

2 Programm Motivation Ursprung & Geschichte des (Semantic) Web Semantic Web am Beispiel Ontologien und Metadaten Repräsentationsstandard im Semantic Web RDF & RDF-Schema OWL Semantic Web Anwendungen Zusammenfassung und Referenzen Informationsintegration und Web-Portale 2

3 Motivation

4 Geschichte des (Semantic) Web XXX Information Management: A Proposal, Tim Berners- Lee, CERN, 1989 Informationsintegration und Web-Portale 4

5 Motivation (I) Das WWW ist ein Erfolg, gemessen an der Anzahl Benutzer und der Menge verfügbarer Dokumente. Zielgerichteter Zugriff auf Informationen ist problematisch, da Inhalte im Web vom Menschen interpretiert, kombiniert und aufbereitet werden müssen. Das Semantic Web: Ein Meta-Web, aufbauend auf dem WWW, welches die Inhalte auch für Maschinen verarbeitbar und interpretierbar macht. Informationsintegration und Web-Portale 5

6 Motivation (II) Das Web Paradoxon : Stärke: Erstaunlich große Menge an Inhalten Schwäche: Unfähigkeit diese Inhalte zielgerichtet zuzugreifen. Automatisierungsgrad ist gering. Vision: Web-Inhalte maschinenverstehbar Unterstützung einer signifikant höhere Ebene der Automatisierung Nutzung von Web-Diensten oberhalb von den Web-Inhalten, Verwendung von Agenten und anderen intelligenten Technologien Informationsintegration und Web-Portale 6

7 Vom WWW zum Semantic Web Web of documents What do the links mean? Informationsintegration und Web-Portale Web of objects Meaning explicitly represented 7

8 Das Semantic Web am Beispiel TOP NAME subclassof subclassof SYMMETRIC NAME domain PROJEKT range ARBEITET-IN domain PERSON subclassof domain range KOOPERIERT- MIT Ontologie WISS. MITARBEITER DAML Darpa Agent Markup Language HTML mit Hyperlinks URI-DAMLPROJ ARBEITET-IN URI-SHA Relationale ARBEITET-IN KOOPERIERT- MIT Metadaten URI-STEFAND Informationsintegration und Web-Portale 8

9 Ontologien und Metadaten

10 Ontologien Ontologie ist ursprünglich eine philosophische Disziplin. Menschen benötigen Worte, um zu kommunizieren. Die Abbildung von Worten auf Dinge ist nur indirekt möglich und geschieht über Begriffsbildung: BEGRIFF erweckt bezieht sich Jaguar Wort steht für [Ogden, Richards, 1923] Ding Informationsintegration und Web-Portale 10

11 Ontologien Konzeptuelle Datenmodelliernug ist bekannt aus Disziplinen wie Software engineering (=> UML) Datenbank- und Informationssystemen (=> ER-Modellierung) Ontologien sind konzeptuelle Datenmodelle für das WWW mit folgenden Eigenschaften: haben formale Semantik sind maschinenverarbeitbar repräsentieren ein geteiltes Verständnis einer Community sind domänenspezifisch (manchmal sogar anwendungsspezifisch) sind sehr dynamisch (ändern sich häufiger als klassische konzeptuelle Datenmodelle) Informationsintegration und Web-Portale 11

12 Ontologien - Definition Ontology of an OI-model, O(OIM):=(C, P, S, T, INV, H C, H P, domain, range, mincard, maxcard) C? E set of concepts P? E set of properties S? P set of symmetric properties T? P set of transitive properties INV? P x P symmetric relation of inverse properties H C concept hierarchy H P property hierarchy domain : P? 2 C \ { Ø } set of domain concepts range : P? (2 C \ { Ø })? { L } set of domain concepts mincard : C x P? N 0 minimum cardinality maxcard : C x P? N 0 minimum cardinality Informationsintegration und Web-Portale 12

13 Metadaten Metadaten sind Daten über Daten, z.b. Klassifikations- und Verschlagwortungssysteme in Bibliotheken Die Yahoo-Strukturierung CDDB Titel/Interpreteninformation über Musikstücken Dateieigenschaften in Microsoft Office... Metadaten können als Instanzen einer Ontologie betrachtet werden. Die Trennung zwischen Ontologien und Instanzen ist nicht offensichtlich. Ontologien sind insofern auch Metadaten. Informationsintegration und Web-Portale 13

14 Metadaten - Definition Instance pool of an OI-model, IP(OIM) := (I, L, instconc, instprop) I? E set of instances L is set of literal values, L n E = Ø instconc : C? 2 I relates concepts with instances instprop : P x I? 2 I? L relates instances through properties Informationsintegration und Web-Portale 14

15 Integriertes Beispiel HR PERSON << transitive >> subtopic TOPIC domain range RESEARCHER AUTHOR TOPIC Bob Alice programming subtopic Java domain range range has-author domain DOCUMENT domain has-topic inverse range domain Name range LITERAL has-written has-author doc1 has-topic has-written name Semantic Web Vision DOCUMENT Concept Property Instance subconcept Property instance Informationsintegration und Web-Portale 15

16 Ontologie- und Metadaten-Werkzeug (I) Download unter: Informationsintegration und Web-Portale 16

17 Ontologie- und Metadaten-Werkzeug (II) Download unter: Informationsintegration und Web-Portale 17

18 Repräsentationsstandards im Semantic Web

19 Standards XML wurde bereits in vorhergegangenen Vorlesungen vorgestellt. Im folgenden: Einführung in das Resource Description Framework (RDF), welches seit 1999 W3C Recommendation zur Metadatenrepräsentation ist. RDF ist ein Metadatenmodell oberhalb von XML. Vorstellungen aktueller W3C Aktivitäten im Feld Repräsentationsstandards für Ontologien: RDF-Schema, OWL Informationsintegration und Web-Portale 19

20 Sprachenpyramide Proof Trust RDF Rules Ontology Signature Encryption URI XML Namespaces Unicode See Informationsintegration und Web-Portale 20

21 Anwendungen oberhalb von XML Informationsintegration und Web-Portale 21

22 RDF RDF: Standard für Metadatenrepräsentation Basis für interoperable Anwendungen Kosteneffektive Entwicklung von Werkzeugen und Anwendungen Versucht einen unterschiedlichste Anwender zu befriedigen: Digitale Bibliotheken, Content Rating, B2B Szenarien, etc. RDF besteht aus zwei Teilen. Das RDF Datenmodell Die RDF Syntaxvarianten Informationsintegration und Web-Portale 22

23 RDF Datenmodell Ressourcen Eine Ressource ist ein Ding (Dokument, Person, etc.), über welches man sprechen kann. Ressourcen haben URI s (Uniform Resource Identifiers) RDF Definitionen sind ebenfalls Ressourcen Properties Definieren Beziehungen zu anderen Ressourcen oder atomare Werten Statements (Aussagen) Ressource hat Property mit Wert (Werte können Ressourcen sein oder atomare Literale) Informationsintegration und Web-Portale 23

24 Ein einfaches Beispiel Statement: Ora Lassila is the creator of the resource Struktur: Resource (subject) Property (predicate) Value (object) "Ora Lassila Gerichteter Graph: s:creator Ora Lassila Informationsintegration und Web-Portale 24

25 RDF Syntax I Datenmodell ist unabhängig von der Syntax Spezifikation unterstützt verschiedene Repräsentationen, eine davon ist XML! Generelle Form: Starts an RDF-Description <rdf:rdf> <rdf:description about=" <s:creator>ora Lassila</s:Creator> <s:createdwith rdf:resource= /> </rdf:description> </rdf:rdf> Literal Subject (OID) Properties Resource (possibly another RDF-description) Informationsintegration und Web-Portale 25

26 Entsprechender Graph s:creator s:createdwith Ora Lassila <rdf:rdf> <rdf:description about=" <s:creator>ora Lassila</s:Creator> <s:createdwith rdf:resource= /> </rdf:description> </rdf:rdf> Informationsintegration und Web-Portale 26

27 Beispiel x: x: x:rudi x:supervises x:raphael x: x: x:advises x:name x:firstn x:lastn Raphael Volz rdf:type x:daniel x:student x: Informationsintegration und Web-Portale 27

28 RDF Schema RDF definiert nur das Datenmodell Für die Definition von Vokabularen für das Datenmodell wird jedoch eine Ontologiesprache benötigt RDF-Schema ist eine auf RDF aufbauende, einfache Ontologiesprache, welche ontologische Web Ressourcen beschreibt RDF-Schema fügt RDF ein einfaches Typsystem hinzu und ist insofern eine einfache Ontologierepräsentationssprache. Informationsintegration und Web-Portale 28

29 RDF-Schema: Beispiel Declaration of properties x:professor rdfs:domain x: x:advises rdfs:range rdfs:range rdf:literal x:student x:phd-student rdfs:domain rdfs:subpropertyof Declaration of classes rdfs:class x:employee x:responsible_for rdfs:subpropertyof x:supervises x:employee rdfs:domain rdfs:range subclass x:employee x:student instantiation x:professor x:tutor x:phd-student x:rudi x:raphael x:daniel Informationsintegration und Web-Portale 29

30 Schichten (I) S subclassof (rdfs:subclassof) R domain (rdfs:domain) D range (rdfs:range) T instanceof (rdf:type) T rdfs:class S rdfs:resource S rdf:property RDF/RDFS representation vocabulary appl:organisation appl:man S T T appl:person S T D R appl:woman T T T appl:marriedwith appl:firstname appl:lastname application specific schema and namespace appl:firstname appl:lastname appl:marriedwith appl:firstname William Smith Susan Smith appl:lastname Informationsintegration und Web-Portale 30 application specific actual data (relationalm metadata)

31 Erweiterungen von RDF-Schema RDF-Schema ist nicht genug: Explizite Semantik nur für manche Primitive Fragwürdiges Metamodell Nur domain/range Einschränkungen von Properties Keine Äquivalenz und Disjunktheit Keine einfachen Axiommuster wie Inverse, Symmetrie, Transitivität Keine allgemeinen Regeln Keine Möglichkeit Klassen automatisch zu berechnen (Subsumption) Informationsintegration und Web-Portale 31

32 Schichten (II) subclassof (rdfs:subclassof) instanceof (rdf:type) rdfs:class rdfs:resource rdf:property RDF/RDFS layer and namespace o:partition o:composition o:partofrel o:asymmetric o:relation o:reflexive o:transitive o:irreflexive o:symmetric o:isinverserelationof ontology meta layer and namespace appl:organisation rdfs:domain appl:person rdfs:range appl:man appl:woman appl:marriedwith Application-specific schema and namespace Informationsintegration appl:firstname und Web-Portale appl:lastname appl:firstname appl:lastname 32 William Smith appl:marriedwith Susan Smith Applicationspecific actual data

33 OWL Entwicklungen in Europe und USA: OIL Ontology Inference Layer DAML-ONT Darpa Agent Markup Language Kombination: DAML+OIL Resultiert in W3C Web Ontology Working Group OWL Web Ontology Language ist derzeitig in der Arbeit Informationsintegration und Web-Portale 33

34 OWL Again: A layered approach Informationsintegration und Web-Portale 34

35 Anwendungen

36 OntoWeb Community Portal { } Partipating Site n Content Syndication... { } Partipating Site 2 { } Partipating Site 1 OntoWeb Community Informationsintegration und Web-Portale 36

37 VISION Next Generation KM Informationsintegration und Web-Portale 37

38 Ontologging Anwendung von Semantic Web Technologien im Bereich des intranet-basierten Wissensmanagement realisiert Ansatz: Lege oberhalb eines Dokumentmanagementsystems und einer Standardsuchmaschine einen Ontologie. Verwende Metadaten zur Suche. Biete zusätzlich Mehrwertdienste an (z.b. Benachrichtungsagenten) Informationsintegration und Web-Portale 38

39 DCX Semantic Integration Anwendung bei DaimlerChrysler: Informationen über Bestandteile eines PKWs liegen in verschiedenen Systemen (CAD, PDM, etc.) vor. Ansatz: Jedes der verschiedenen System wird inhaltlich remodelliert. Die semantischen Datenmodelle werden zusammengeführt. Ingenieure können über Intranetanwenung semantische Relationen zwischen den Bauteilen explorieren. Informationsintegration und Web-Portale 39

40 Weitere Anwendungsfelder Web Services: Wurden hier in der Vorlesung bereits eingeführt Konkretes Bsp.: UDDI beschränkt sich auf keyword-basierte Suche da kein explizit anfragbares Metadatenmodell existiert. Semantic Web Technologien könnten den Zugriff auf UDDI Service Registry verbessern. Multimedia Anwendungen Suche auf Bild-, Audio- und Videodateien via Metadaten E-Learning Dynamische Konfiguration von Kursprogrammen Informationsintegration und Web-Portale 40

41 Zusammenfassung Das Semantic Web ist eine Vision des W3C welches maschinenverarbeitbare und interpretierbare Inhalte ermöglichen soll Anwendungen der Semantic Web Technologien sind weitreichend Wesentliche Herausforderungen für das Semantic Web sind: Generierung von Ontologien und Metadaten Management von verteilten Ontologien und Metadaten / Interoperabilität zwischen Ontologien Skalierung Proof, d.h. Erklärungskomponenten Trust Informationsintegration und Web-Portale 41

42 Web-Referenzen URLs: Semantic Web Roadmap: Software: Informationsintegration und Web-Portale 42

43 Literatur D. Fensel, J. Hendler, H. Lieberman, and W. Wahlster (eds.): Semantic Web Technology, to appear in: MIT Press, Boston, J. Hjelm: Creating the Semantic Web with RDF: Professional Developer's Guide, Wiley, T. Berners-Lee, J. Hendler and O. Lassila, The Semantic Web, Scientific American, [online: J. Heflin and J. Hendler: A Portrait of the Semantic Web in Action. IEEE Intelligent Systems, 16(2):54-59, Informationsintegration und Web-Portale 43