Anwendungsfall: Semantische Prozessmodellierung (C. Schäfer) Gruppenübung: Spezifikationsgerechte Anfrage an eigene Ontologie

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1 Agenda SPARQL Abfragesprache für Ontologien Anfragen in semantischen Netzen W3C-Spezifikation von SPARQL Einfache SPARQL-Anfragen Komplexe Graph-Muster Filter in SPARQL Ausgabe und Darstellung der Ergebnisse Anwendungsfall: Semantische Prozessmodellierung (C. Schäfer) Gruppenübung: Spezifikationsgerechte Anfrage an eigene Ontologie Dr. Vera Meister Folie 1

2 Quellen 1) Pascal Hitzler, Marcus Krötzsch, Stephan Rudolph: Semantic Web Grundlagen, Springer, Heidelberg 2008 Kap. 7 2) Klaus Reichenberger: Kompendium Semantische Netze, Springer, Heidelberg 2010 Kap. 2 3) Eric Prud'hommeaux, Andy Seaborne: SPARQL Query Language for RDF - W3C Recommendation, 15 January 2008, 4) Markus Krötzsch: Semantic Web Grundlagen Webseite zum Buch, Vorlesung, , 5) Oliver Thomas, Michael Fellmann: Semantische Prozessmodellierung Konzeption und informationstechnische Unterstützung einer ontologiebasierten Repräsentation von Geschäftsprozessen, Wirtschaftsinformatik 6/2009, S Dr. Vera Meister Folie 2

3 Graph-basierte Folgerungen Universal AG Crema 2010 Geschäftsbereich Küchengeräte Abteilung Wasserkocher beschäftigt AP Filter Projekt Crema 2010 entwickelt Fehler tritt auf bei Heizkessel 2010 Heizkesseldichtung veschmutzt Abteilung Kaffeemaschinen beschäftigt leitet hat Expertise in Paula Person AP Heizkessel Entkalkung Fehler tritt auf bei Fehler tritt auf bei Heizkesseldichtung HD-20X Heizkesseldichtung veschlissen Dr. Vera Meister Folie 3

4 Logische Schlüsse in OWL Asserted Model Inferred Model Dr. Vera Meister Folie 4

5 Abfragen über RDF(S) und OWL Wie kann man auf in RDF oder OWL spezifizierte Informationen zugreifen? Abfrage von Informationen in RDF(S) Einfache Folgerung RDF-Folgerung RDFS-Folgerung Folgt ein bestimmter RDF-Graph aus einem gegebenen? Abfrage von Informationen in OWL Logisches Schließen Folgt eine Subklassen-Beziehung aus einer OWL-Ontologie? Welches sind die Instanzen einer Klasse einer OWL-Ontologie? Dr. Vera Meister Folie 5

6 Anforderungen an Anfragesprache Kommt die Zeichenkette fehler in der Crema-Ontologie vor? Welche Eigenschaften verbinden die Individuen Paula Person und Entkalkung? Welche Pizzas haben einen Kaloriengehalt unter 450 kcal? Solche Anfragen sind weder in RDF noch in OWL ausdrückbar. Anforderungen: Große Ausdruckstärke zur Beschreibung der gefragten Information Möglichkeiten zur Formatierung, Einschränkung und Manipulation der Ergebnisse Dr. Vera Meister Folie 6

7 W3C-Spezifikation von SPARQL SPARQL steht für SPARQL Protocol And RDF Query Language W3C-Spezifikation (seit 15. Januar 2008) Anfragsprache zur Abfrage von Instanzen aus RDF-Dokumenten große praktische Bedeutung Teile der SPARQL-Spezifikation SPARQL Query Language for RDF: Anfragesprache SPARQL Protocol for RDF: Übermittlung von Anfragen und Ergebnissen SPARQL Query Results XML Format: Ergebnisdarstellung in XML Dr. Vera Meister Folie 7

8 Einfache Anfragen Eine einfache Beispielanfrage: PREFIX uni: < SELECT?arbeitspaket?expertise WHERE {?mitarbeiter uni:hatname "Paula Person".?mitarbeiter uni:leitet?arbeitspaket.?mitarbeiter uni:hatexpertisein?expertise. } Hauptbestandteil ist ein Anfragemuster (WHERE) - Anfragemuster verwenden die Turtle-Syntax für RDF - Muster dürfen Variablen enthalten (?variable) Kurzschreibweisen für URIs möglich (PREFIX) Anfrageergebnis durch Auswahl von Variablen (SELECT) Dr. Vera Meister Folie 8

9 Beispielergebnis Beispiel uni: uni:pperson uni:hatname "Paula Person" ; uni:leitet uni:apcr10-x314 ; uni:hatexpertisein uni:entkalkung, uni:projektmgt. Ergebnis der Anfrage: Tabelle mit einer Zeile je Ergebnis arbeitspaket expertise Dr. Vera Meister Folie 9

10 Einfache Graph-Muster Die grundlegenden Anfragemuster sind einfache Graph-Muster Menge von RDF-Tripeln in Turtle-Syntax Turtle-Abkürzungen (mittels, und ;) zulässig Variablen werden durch? oder $ gekennzeichnet (?variable hat gleiche Bedeutung wie $variable) Variablen zulässig als Subjekt, Prädikat oder Objekt Die folgende Anfrage ist semantisch äquivalent zur vorherigen; sie ist zulässig aber schlecht lesbar: PREFIX uni: < SELECT?jd08vw?pw0815 WHERE {?XX2711 uni:hatname "Paula Person".?XX2711 uni:leitet?jd08vw.?xx2711 uni:hatexpertisein?pw0815. } Dr. Vera Meister Folie 10

11 xsd: ex: < ex:bsp1 ex:p "test". ex:bsp2 ex:p "test"^^xsd:string. ex:bsp3 ex:p ex:bsp4 ex:p "42"^^xsd:integer. Was liefert eine Anfrage mit folgendem Muster? {?subject < "test". } ex:bsp1 als einziges Ergebnis genaue Übereinstimmung der Datentypen gefordert aber: Abkürzung für Zahlenwerte möglich {?subject < 42. } Dr. Vera Meister Folie 11

12 Gruppierende Graph-Muster Einfache Graph-Muster können durch {...} gruppiert werden. PREFIX uni: < SELECT?arbeitspaket?expertise WHERE { {?mitarbeiter uni:hatname "Paula Person".?mitarbeiter uni:leitet?arbeitspaket. } { }?mitarbeiter uni:hatexpertisein?expertise. } sinnvoll erst bei Verwendung zusätzlicher Ausdrucksmittel z. B. für die Definition unterschiedlicher Bedingungen an Teilmuster Dr. Vera Meister Folie 12

13 Optionale Muster Das Schlüsselwort OPTIONAL erlaubt die Angabe optionaler Teile eines Musters. PREFIX ex: < SELECT?buch?titel?autor {?buch ex:verlegtbei < OPTIONAL {?buch ex:hattitel?titel. } OPTIONAL {?buch ex:hatautor?autor. } } buch titel autor "Titel1" "Titel2" "Titel3" _:a _:a Dr. Vera Meister Folie 13

14 Alternative Muster Das Schlüsselwort UNION erlaubt die Angabe alternativer Teile eines Musters. {?buch ex:verlegtbei < {?buch ex:hatautor?autor. } UNION {?buch ex:hatverfasser?autor. } } Ergebnis entspricht Vereinigung der Ergebnisse mit einer der beiden Bedingungen gleiche Variablennamen in beiden Teilen von UNION beeinflussen sich nicht Dr. Vera Meister Folie 14

15 Kombinierte Muster Wie sind Kombinationen von OPTIONAL und UNION zu verstehen? {?buch ex:verlegtbei < {?buch ex:hatautor?autor. } UNION {?buch ex:hatverfasser?autor. } OPTIONAL {?autor ex:hatnachname?name. } } Vereinigung zweier Muster mit angefügtem optionalem Muster f Vereinigung zweier Muster, wobei das zweite einen optionalen Teil hat Identisches Muster: {?buch ex:verlegtbei < { {?buch ex:hatautor?autor. } UNION {?buch ex:hatverfasser?autor. } } OPTIONAL {?autor ex:hatnachname?name. } } Dr. Vera Meister Folie 15

16 Regeln für kombinierte Muster Allgemeine Regeln OPTIONAL bezieht sich immer auf genau ein gruppierendes Muster rechts davon. OPTIONAL und UNION sind gleichwertig und beziehen sich auf jeweils alle links davon stehenden Ausdrücke (linksassoziativ) { {s1 p1 o1} OPTIONAL {s2 p2 o2} UNION {s3 p3 o3} OPTIONAL {s4 p4 o4} OPTIONAL {s5 p5 o5} } bedeutet { { { { {s1 p1 o1} OPTIONAL {s2 p2 o2} } UNION {s3 p3 o3} } OPTIONAL {s4 p4 o4} } OPTIONAL {s5 p5 o5} } Dr. Vera Meister Folie 16

17 Nutzen von Filtern Viele Anfragen sind auch mit komplexen Graph-Mustern nicht möglich: o Welche Personen sind zwischen 18 und 23 Jahre alt? o Der Nachname welcher Personen enthält einen Bindestrich? o Welche Texte in deutscher Sprache sind in der Ontologie angegeben? Filter sind ein allgemeiner Mechanismus für solche Ausdrucksmittel. Dr. Vera Meister Folie 17

18 Filter in SPARQL PREFIX ex: < SELECT?buch WHERE {?buch ex:verlegtbei < ex:hatpreis?preis FILTER (?preis < 35) } Schlüsselwort FILTER, gefolgt von Filterausdruck in Klammern Filterbedingungen liefern Wahrheitswerte (und ev. auch Fehler) viele Filterfunktionen nicht durch RDF spezifiziert Funktionen teils aus XQuery/XPath-Standard für XML übernommen Dr. Vera Meister Folie 18

19 Filterfunktionen: Vergleiche Vergleichoperatoren: <, =, >, <=, >=,!= Vergleich von Datenliteralen gemäß der jeweils natürlichen Reihenfolge Unterstützung für numerische Datentypen, xsd:datetime, xsd:string (alphabetische Ordnung), xsd:boolean (1 > 0) für andere Typen und sonstige RDF-Elemente nur = und!= verfügbar kein Vergleich von Literalen inkompatibler Typen (z. B. xsd:string und xsd:integer) Dr. Vera Meister Folie 19

20 Filterfunktionen: Arithmetik Arithmetische Operatoren: +, -, *, / Unterstützung für numerische Datentypen Verwendung zur Kombination von Werten in Filterbedingungen FILTER(?gewicht/(?groesse *?groesse) >= 25 ) Dr. Vera Meister Folie 20

21 RDF-spezifische Filterfunktionen SPARQL unterstützt auch RDF-spezifische Filterfunktionen: BOUND(A) isuri(a) isblank(a) true falls A eine gebundene Variable ist true falls A eine URI ist true falls A ein leerer Knoten ist isliteral(a) true falls A ein RDF-Literal ist STR(A) LANG(A) lexikalische Darstellung (xsd:string) von RDF-Literalen oder URIs Sprachcode eines RDF-Literals (xsd:string) oder leerer String falls kein Sprachcode DATATYPE(A) Datentyp-URI eines RDF-Literals (xsd:string bei ungetypten Literalen ohne Sprachangabe) Dr. Vera Meister Folie 21

22 Weitere RDF-spezifische Filterfunktionen sameterm(a,b) true, falls A und B dieselben RDF-Terme sind. langmatches(a,b) true, falls die Sprachangabe A auf das Muster B passt REGEX(A,B) true, falls in der Zeichenkette A der reguläre Ausdruck B gefunden werden kann PREFIX ex: < SELECT?buch WHERE {?buch ex:hatrezension?text. FILTER ( langmatches( LANG(?text), "de") ) } Dr. Vera Meister Folie 22

23 Boolsche Operatoren in Filtern Filterbedingungen können mit Booleschen Operatoren verknüpft werden: &&,,! Teilweise auch durch Graph-Muster ausdrückbar: Konjunktion entspricht Angaben mehrerer Filter Disjunktion entspricht Anwendung von Filtern in alternativen Mustern Dr. Vera Meister Folie 23

24 Ausgabeformatierung mit SELECT Das Ausgabeformat SELECT liefert die Ergebnisse in Tabellen. SELECT <Variablenliste> oder SELECT * Vorteil einfache sequentielle Abarbeitung von Ergebnissen Nachteil Struktur/Beziehungen der Objekte im Ergebnis nicht offensichtlich Dr. Vera Meister Folie 24

25 Ausgabeformatierung mit CONSTRUCT Das Ausgabeformat CONSTRUCT kodiert die Ergebnisse als RDF-Graphen. CONSTRUCT <RDF-Schablone in Turtle> Vorteil stukturiertes Ergebnis mit Beziehungen zwischen Elementen Nachteile sequentielle Abarbeitung von Ergebnissen erschwert keine Behandlung von ungebundenen Variablen Dr. Vera Meister Folie 25

26 Weitere Formate: ASK und DESCRIBE SPARQL unterstützt zwei weitere Ausgabeformate: ASK prüft nur, ob es Ergebnisse gibt, keine Parameter DESCRIBE (informativ) liefert zu jeder gefundenen URI eine RDF-Beschreibung (anwendungsabhängig) Dr. Vera Meister Folie 26

27 Nutzen von Modifikatoren Ausgabeformate definieren grundlegende Formatierungseinstellungen für Ergebnisse. Bislang gibt es keine Möglichkeit der Feineinstellung von: o Abfragen definierter Teile der Ergebnismenge o Ordnung bzw. Sortierung der Ergebnisse o automatischer Entfernung wiederholter Ergebniszeilen Modifikatoren der Lösungssequenz bieten solche Ausdrucksmittel. Dr. Vera Meister Folie 27

28 Ergebnisse sortieren Sortierung von Ergebnissen mit Schlüsselwort ORDER BY SELECT?buch,?preis WHERE {?buch < } ORDER BY?preis Sortierung wie bei Filter-Vergleichsoperatoren Sortierung von URIs alphabetisch als Zeichenketten Reihenfolge zwischen unterschiedlichen Arten von Elementen: ungebundene Variable < leere Knoten < URIs < RDF-Literale nicht jede denkbare Variante durch Spezifikation definiert Voreinstellung: ORDER BY DESC, Alternative: ORDER BY ASC hierarchische Ordnungskriterien: kommagetrennte Aufzählung Dr. Vera Meister Folie 28

29 LIMIT, OFFSET und DISTINCT Einschränkungen der Ergebnismenge durch Modifikatoren LIMIT: maximale Anzahl von Ergebnissen (Tabellenzeilen) OFFSET: Position des ersten gelieferten Ergebnisses SELECT DISTINCT: Entfernung von doppelten Tabellenzeilen SELECT DISTINCT?buch,?preis WHERE {?buch < } ORDER BY?preis LIMIT 5 OFFSET 25 LIMIT und OFFSET nur mit ORDER BY sinnvoll! Dr. Vera Meister Folie 29

30 Kombination von Modifikatoren Modifikatoren werden in einer bestimmten Reihenfolge abgearbeitet. 1. Sortierung gemäß ORDER BY 2. Entfernung der nicht ausgewählten Variablen 3. Entfernung doppelter Ergebnisse (DISTINCT) 4. Enfernung der ersten OFFSET Ergebnisse 5. Entfernung aller Ergebnisse bis auf LIMIT Sortierung auch nach nicht ausgewählten Variablen möglich ORDER BY nicht nur für SELECT relevant Dr. Vera Meister Folie 30

31 SPARQL-Elemente im Überblick Grundstruktur PREFIX WHERE Ausgabeformate SELECT CONSTRUCT ASK DESCRIBE Graph-Muster Einfache Graph-Muster { } OPTIONAL UNION Filter BOUND isuri isblank isliteral STR LANG DATATYPE sameterm langmatches REGEX Modifikatoren ORDER BY LIMIT OFFSET DISTINCT Dr. Vera Meister Folie 31

32 Gruppenübung Entwickeln Sie spezifikationsgerechte Anfragen an Ihre Projekt- Ontologie bzw. passen Sie Ihre Spezifikation dementsprechend an. Kompetenzziel Welche Art Wissen soll mit Hilfe der Ontologie erschlossen werden? Dr. Vera Meister Folie 32