Ontologien in OWL. FH Brandenburg. Dipl. Inform. I. Boersch FB Informatik und Medien. Ontologie und die beiden Versprechen des SemanticWeb RDF, RDFS

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1 Ontologie und die beiden Versprechen des SemanticWeb RDF, RDFS Web Ontology Language OWL OWL lesen Sprachkonstrukte Ontologien in OWL OWL Reasoner sind zurückhaltend: Die Open World Assumption FH Brandenburg Dipl. Inform. FB Informatik und Medien Übung: Mit dem Tool Protege eine Pizza belegen Jun 13 2

2 Was ist eine Ontologie? Eine Ontologie ist eine formale,, explizite Spezifikation einer gemeinsamen Konzeptualisierung. maschinenverständlich, geeignet zur Inferenz, Dokument Personen einigen sich über Begrifflichkeiten, kontrolliertes Vokabular Konzepte und Beziehungen, nicht mehr Eine Möglichkeit zur Repräsentation von Ontologien sind Terminologien, also Mengen von Konzept und Rollendefinitionen in beschreibungslogischen Ausdrücken Ontologiesprachen OWL bzw. OWL 2 sind Grundlage des Semantic Web 3

3 = PRÜFUNGSRELEVANT 4

4 Wozu das Ganze? Die Visionen des Semantic Web Terminologien in Form des Semantic Web bieten als Mehrwert : 1. Vernetzung von Wissen mit Hilfe eindeutiger Begriffe (URI,gemeinsame OWL Ontologie als Vokabular, weltweit) 2. Inferenz in semantischen Netzen (maschinelle Inferenz!) Sie möchten etwas beschreiben. Dann sollten Sie sich fragen: Gibt es dafür eine fertige Ontologie? Beispiel: The Friend of a Friend (FOAF) project describing people, the links between them and the things they create and do 5

5 Examples of OWL ontology applications i in Life Science Open Biomedical Ontologies Consortium, see Gene Ontology (GO) Microarray Gene Expression Data (MGED) ontology. US National Cancer Institute (NCI), see NCI Thesaurus (NCIt) Terminologie der Krebsbehandlung, Klassen, EL++ EHROntology, see An electronic health record ontology based on openehr work Neurolex, Neuroscience Lexicon mit Semantic MediaWiki, OpenGALEN European Galen project, part of which has involved the construction of a large DL Knowledge Base describing medical terminology SNOMED CT 6

6 Die 1. Vision i Vernetzung 7

7 Die 1. Vision i Vernetzung 8

8 Die 1. Vision i Vernetzung 9

9 3 Wissensbasen When is a node in one graph the same node as a node in another graph? 10

10 Die gemeinsame Ontologie Same URI A node from one graph is merged with a node from another graph exactly, if they have the same URI. Verknüpfung von Wissensbasen Schon möglich mit semantischen Netzen, beschrieben in RDF und RDFS 11

11 Aktuelles Beispiel i : schema.org Kontrolliertes Vokabular Google + Microsoft + Yahoo Relativ kleine Monohierarchie von Konzepten Konzept Einfaches semantisches Netz in RDFS, d.h. mit beschränkter Semantik School Geerbte Relation adress School is_a EducationalOrganization 12

12 h School ist ein Konzept. Das Konzept heißt im Englischen School, eine Kurzbeschreibung ist A School, Webseite dazu (siehe vorige Folie) School ist Subklasse von EO eine spezielle Relation 13

13 Aktuelles Beispiel i : schema.org Zitat: tags, that webmasters can use to markup their pages in ways recognized by major search providers. Search engines including Bing, Google, Yahoo! and Yandex rely on this markup to improve the display of search results, making it easier for people to find the right web pages. ull.html ma.org/docs/fu 14

14 Von der Stringsuche zur semantischen Suche Zeichenkette Konzept 1 Konzept 2 15

15 Vernetzung: Phasenübergang nach Stuart Kauffmann Skizzieren ieren Sie den Verlauf der Kurve Sk [Ka uffmann, Der Öltropfen im Wasser] 16

16 Vernetzung: Phasenübergang nach Stuart Kauffmann Viele kleine Komponenten EINE große Komponente [Ka uffmann, Der Öltropfen im Wasser] 17

17 Für die 1. Vision der Vernetzung genügt die Wissensrepräsentation in semantischen Netzen (W3C Standards RDF und RDFS) Für die 2. Vision der maschinellen Inferenz sind Beschreibungslogiken notwendig (W3C Standards RDF, RDFS, OWL und OWL 2) 18

18 RDF Ressource Description Framework Was lässt sich in RDF beschreiben? 1) Beziehungen zwischen Instanzen In DL: eine Assertion die Rollenzuweisung R(b,c) Die Instanz b steht zur Instanz c in der Rolle R Beispiel: istvatervon(paul,anna) o Die Instanz paul steht zur Instanz anna in der Relation istvatervon 2) Klassenzugehörigkeit (=Instanziierung) Konstrukt rdf:type Beziehung = Relation = Rolle instance_of, In DL: eine Assertion die Konzeptzuweisung C(a) Beispiel: Professor(uhlig) o Die Instanz uhlig gehört zur Klasse Professor Das war s für RDF. 19

19 RDF Was lässt sich in RDF beschreiben? R(b,c) und C(a) Beschreibung eines konkreten Zustands in der Anwendungsdomäne mit Hilfe von Konzepten und Rollen aus der TBox die Verbindung zwischen Begriffswelt und realer (wahrgenommener) Welt Wie wird dieser Teil des Wissens bezeichnet? Die ABox einer Ontologie lässt sich in RDF beschreiben Erst RDFS ermöglicht einfache Konstrukte in der TBox > Terminologisches i Wissen 20

20 Beschreibungsschichten im Semantic Web RDF: Repräsentation von Fakten über Instanzen nicht über Klassen RDFS: einfache Aussagen über Klassen, Rollen mit Semantik OWL und OWL2: komplexe Aussagen über Klassen und Rollen Versuchen Sie nicht, diese Abbildung zu interpretieren 21

21 RDFS RDF Vocabulary Description Language oder kurz: RDF Schema schema# Welche zusätzliche Ausdruckskraft bringt RDFS? 22

22 RDFS: Klassen Klassen (Konzepte) mit DL Semantik rdfs:class Die Klasse aller Klassen (Etwas ist eine Klasse) Beispiel: Professor ist eine Klasse Genauer: Professor ist eine Instanz von rdfs:class (und damit eine Klasse) rdf:type Instanziierung, möglich ist sogar Mehrfachklassifikation Beispiel: fred _ schulze ist eine Instanz eines Professors rdfs:subclassof The subject is a subclass of a class. (Abstraktionsrelation is_a, Teilmenge, DL: Konzeptinklusion, Mehrfachvererbung erlaubt) Beispiel: Professor ist eine Unterklasse von Lehrender Diese Liste wurde erzeugt mit der SPARQL-Anfrage: PREFIX rdfs: < select?label?comment from < {?EtwasAusRDFS rdfs:label?label.?etwasausrdfs rdfs:comment?comment} limit 50 23

23 RDFS: Properties Properties (Beziehungen, Relationen, Rollen): rdf:property (etwas ist eine Relation) Beispiel: istvatervon ist eine Rolle rdfs:domain A domain of the subject property, p Klassenvorgabe für die linke Seite einer Rolle, Definitionsbereich einer Rolle Beispiel: Die Rolle istvatervon geht immer von einer Person aus rdfs:range A range of the subject property, p Klassenvorgabe für die rechte Seite einer Rolle, Wertebereich einer Rolle Beispiel: Die Rolle istvatervon zeigt immer auf ein Kind rdfs:subpropertyof The subject is a subproperty of a property, Spezialisierung von Relationen, Teilmenge, Rolleninklusion Beispiel: Die Rolle istvatervon ist Subproperty der Rolle istvorfahrevon >Übung Diese Liste wurde erzeugt mit der SPARQL-Anfrage: PREFIX rdfs: < select?label?comment from < {?EtwasAusRDFS rdfs:label?label.?etwasausrdfs rdfs:comment?comment} limit 50 24

24 RDFS [] Andere: rdfs:label A human readable name for the subject. rdfs:comment A description of the subject resource. rdfs:seealso Further information about the subject resource. (Assoziationsrelation) rdfs:isdefinedby The definition of the subject resource, Verweis auf eine externe Definition, die nicht in RDF vorliegt, subproperty of seealso rdfs:resource The class resource, everything. rdfs:member A member of the subject resource. rdfs:literal The class of literal values, eg. textual strings and integers. rdfs:datatype The class of RDF datatypes. rdfs:container The class of RDF containers. rdfs: ContainerMembershipProperty The class of container membership properties, rdf:_1, rdf:_2,..., all of which are sub properties of 'member'. Diese Liste wurde erzeugt mit der SPARQL-Anfrage: PREFIX rdfs: < select?label?comment from < {?EtwasAusRDFS rdfs:label?label.?etwasausrdfs rdfs:comment?comment} limit 50 25

25 Beispiel i rdfs:subclassof TBox: Es gibt die 5 Klassen: Motorvehicle, Truck, Van, PassengerVehicle, Minivan Es gibt 5 Subklassenbeziehungen: Truck is_a MotorVehicle u.s.w. 26

26 Instanziierung: Motorvehicle is_a rdfs_class <?xml version="1.0"?> <!DOCTYPE rdf:rdf [<!ENTITY xsd " <rdf:rdf xmlns:rdf=" rdf syntax ns#" syntax ns# xmlns:rdfs=" schema#" xml:base=" <rdf:description rdf:id="motorvehicle"> oo <rdf:type rdf:resource=" schema#class"/> </rdf:description> Klassenhierarchie, <rdf:description rdf:id="passengervehicle"> g Abstraktion <rdf:type rdf:resource=" schema#class"/> <rdfs:subclassof rdf:resource="#motorvehicle"/> </rdf:description> <rdf:description rdf:id="truck"> <rdf:type rdf:resource=" schema#class"/> <rdfs:subclassof rdf:resource="#motorvehicle"/> </rdf:description> Mehrfachvererbung <rdf:description rdf:id="van"> <rdf:type rdf:resource=" schema#class"/> <rdfs:subclassof rdf:resource="#motorvehicle"/> </rdf:description> <rdf:description rdf:id="minivan"> <rdf:type rdf:resource=" schema#class"/> <rdfs:subclassof rdf:resource="#van"/> <rdfs:subclassof rdf:resource="#passengervehicle"/> </rdf:description> </rdf:rdf> 27

27 RDFS: Zwei Relationen definieren i Relation <rdf:property rdf:id="registeredto"> registeredto <rdfs:domain rdf:resource="#motorvehicle"/> Vorwärtsdeklaration <rdfs:range rdf:resource="#person"/> </rdf:property> Vorwärtsdeklaration Klasse <rdf:property rdf:id="rearseatlegroom"> <rdfs:domain rdf:resource="#passengervehicle"/> <rdfs:range rdf:resource="&xsd;integer"/> </rdf:property> <rdfs:class rdf:id="person"/> Abstrakte Rolle (zeigt auf eine Klasse) Konkrete Rolle (zeigt auf einen vordefinierten Datentyp) Datentyp <rdfs:datatype rdf:about="&xsd;integer"/> <rdf:property rdf:id="driver"> <rdfs:domain rdf:resource="#motorvehicle"/> </rdf:property> Rollenhierarchie <rdf:property rdf:id="primarydriver"> <rdfs:subpropertyof rdf:resource="#driver"/> </rdf:property> /d opety 28

28 Ausdruckstärke k von RDFS 29

29 Semantische Ausdruckstärke k von RDFS 1. Definition von Klassen ( = Konzept) A ist ein Klasse 2. Klassenhierarchie: is a Beziehung rdfs:subclassof 3. Definition von Rollen ( R ist eine Rolle ) mit Domain und Range 4. Rollenhierarchie/ inklusion rdfs:subproperty 5. ABox aus RDF Fazit RDF + RDFS geeignet für einfache Ontologien (wie bspw. schema.org) Vorteil: effizientes Schlussfolgern Nachteil: beschränkte Ausdruckskraft Fehlend: Existenz, Kardinalität, R inverse, transitiv, symmetrisch Rückgriff auf mächtigere Sprachen, wie OWL 30

30 Nachfolgende Folien sind angelehnt an [AIFB]: [AIFB] Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren (AIFB) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT): web grundlagen.de/wiki/swebt1_ws09/10 31

31 32

32 OWL Web Ontology Language w3 W3c Recommendation seit 2004 Untermenge der Prädikatenlogik erster Stufe Drei Varianten OWL Lite < OWL DL < OWL Full Praktisch relevant: OWL DL ist entscheidbar Entspricht Beschreibungslogik 33

33 [AIFB] OWL Varianten OWL Full Enthält OWL DL und OWL Lite Enthält als einzige OWL Teilsprache ganz RDFS Unentscheidbar. Wird durch aktuelle Softwarewerkzeuge nur bedingt unterstützt. OWL DL Enthält OWL Lite Entscheidbar. Wird von aktuellen Softwarewerkzeugen fast vollständig unterstützt. OWL Lite Entscheidbar. Wenig ausdrucksstark. 34

34 OWL DL OWL Lite RDF(S) 35

35 Vokabular von OWL owl:alldifferent owl:functionalproperty owl:allvaluesfrom owl:hasvalue owl:annotationproperty owl:imports owl:backwardcompatiblewith owl:incompatiblewith owl:cardinality owl:intersectionof owl:class owl:inversefunctionalproperty owl:complementof owl:inverseof owl:datatypeproperty ld t t owl:maxcardinality lit owl:deprecatedclass owl:mincardinality owl:deprecatedproperty owl:nothing owl:datarange owl:objectproperty owl:differentfrom owl:oneof owl:disjointwith owl:onproperty owl:distinctmembers owl:ontology owl:ontologyproperty owl:equivalentclass owl:priorversion owl:equivalentproperty owl:restriction owl:sameas owl:somevaluesfrom owl:symmetricproperty owl:thing owl:transitiveproperty owl:unionof owl:versioninfo rdf:list rdf:nil rdf:type rdfs:comment rdfs:datatype rdfs:domain rdfs:label rdfs:literal rdfs:rangerange rdfs:subclassof rdfs:subpropertyof DL Semantik definiert unter: owl semantics / w3 owl / 36

36 Vokabular von OWL mit Bezug zu DL owl:alldifferent owl:functionalproperty owl:allvaluesfrom owl:hasvalue owl:annotationproperty owl:imports owl:backwardcompatiblewith owl:incompatiblewith owl:cardinality owl:intersectionof owl:class owl:inversefunctionalproperty owl:complementof owl:inverseof owl:datatypeproperty ld t t owl:maxcardinality lit owl:deprecatedclass owl:mincardinality owl:deprecatedproperty owl:nothing owl:datarange owl:objectproperty owl:differentfrom owl:oneof owl:disjointwith owl:onproperty owl:distinctmembers owl:ontology owl:ontologyproperty owl:equivalentclass owl:priorversion owl:equivalentproperty owl:restriction Syntaxbeispiele unter: ref/ w3 ref/ owl:sameas owl:somevaluesfrom owl:symmetricproperty owl:thing owl:transitiveproperty owl:unionof owl:versioninfo rdf:list rdf:nil rdf:type rdfs:comment rdfs:datatype rdfs:domain rdfs:label rdfs:literal rdfs:rangerange rdfs:subclassof rdfs:subpropertyof 37

37 DL in OWL Die Beschreibungslogik SHOIN(D) als Basis für die Ontologiesprache OWL S = ALC + transitive Hülle primitiver Rollen Erinnerung ALC: H O = Rollenhierarchie subproperty = Nominale = Namen von Objekten I = Inverse Rolle N (D) = Number restriction = konkrete Domäne = Datentypen 38

38 DL in OWL In OWL In OWL In OWL In OWL In OWL In OWL2 Nicht alle müssen verwendet werden.. 39

39 Anzeige der Ausdruckskraft k einer DL in Protege Protege zeigt zu einer geladenen Ontologie den verwendeten Umfang der beschreibungs logischen Konzepte (DL Metrik) Beispiel 40

40 Abspeichern einer Ontologie als File Verschiedene Serialisierungen von OWL Serialisierung RDF/XML muss von allen Tools implementiert werden Abb. Serialisierungen in Protege OWL Dokument besteht aus Kopf Wissensbasis o o TBox Abox 41

41 [AIFB] Kopf eines OWL Dokumentes [] Definition von Namespaces in der Wurzel <rdf:rdf xmlns =" grundlagen.de/beispielontologie#" xmlns:rdf =" rdf syntax ns#" xmlns:xsd =" w3 xmlns:rdfs =" schema#" xmlns:owl =" </rdf:rdf> 42

42 [AIFB] Kopf eines OWL Dokumentes [] Allgemeine Informationen <owl:ontology rdf:about=""> <rdfs:comment rdf:datatype=" > SWRC Ontologie in der Version vom Dezember 2005 </rdfs:comment> <owl:versioninfo>v0.5</owl:versioninfo> <owl:imports rdf:resource=" <owl:priorversion rdf:resource=" </owl:ontology> 43

43 [AIFB] Kopf eines OWL Dokumentes [] von RDFS geerbt rdfs:comment rdfs:label rdfs:seealso rdfs:isdefinedby außerdem owl:imports für Versionierung owl:versioninfo owl:priorversion owl:backwardcompatiblewith owl:incompatiblewith owl:deprecatedclass owl:deprecatedproperty 44

44 OWL Wissensbasis i Beschreibt ein kontrolliertes Vokabular mit Hilfe von Klassen (Konzepte, Begriffe) Rollen (Relationen, Beziehungen, Eigenschaften, Properties) Individuen (Instanzen, Objekte der realen Welt wie Du und ich) Klassen zerfallen in OWL in o o die eigentlichen Konzepte und Datentypen. Diese betrachten wir nicht weiter. 45

45 OWL Wissensbasis i OWL Wissensbasen bestehen aus 2 Teilen: TBox: Axiome, die die Struktur der zu modellierenden Domäne beschreiben Abox: Axiome, die konkrete Situationen (Daten) beschreiben: 46

46 OWL lesen Ein Schnappschuss der Sprachkonstrukte 47

47 Sprachkonstrukte kt in OWL Konstruktoren zur Beschreibung komplexer Konzepte und Rollen aus einfachen Konzepten und Rollen Konzeptkonstruktoren (Descriptions) 1 2 Rollenkonstruktoren Axiome zum Ausdruck von Fakten über Konzepte, Rollen und Individuen Über Konzepte o o C ist Unterklasse von <Konzeptkonstruktor> C und D sind äquivalent o C und D haben keine gemeinsamen Elemente Über Rollen o R hat Domain und Range o R ist eine Funktion, ist transitiv Über Individuen o a it ist ein C, a ist verschieden von b 48

48 1 Von DL zu OWL OWL DL: Konstruktion von Konzepten Abstrakte Syntax in OWL DL Syntax R ist eine Rolle, eine sogenannte ObjectProperty max Konstruktoren mit Datentypen sind hier weggelassen Details der abstrakten Syntax sind hier nicht wichtig, aber die Begriffe finden sich in der konkreten OWL Syntax wieder 49

49 1 OWL DL: Konstruktion von Konzepten Einfache Konstruktoren Beispiel einer Konjunktion: nktion: <owl:intersectionof rdf:parsetype="collection"> <owl:class rdf:about="#burgundy" /> <owl:class rdf:about="#whitewine" /> </owl:intersectionof> 50

50 1 OWL DL: Konstruktion von Konzepten Value Vl restriction i Entspricht owl:allvaluesfrom Alle Individuen, die zum gerade beschriebenen Konzept in der Relation R stehen, müssen zum Konzept C gehören Als unäres Prädikat: DL Beispiel: Welches Konzept wird hier beschrieben? <owl:restriction> <owl:onproperty rdf:resource="#hatkind" /> <owl:allvaluesfrom rdf:resource="#female" /> </owl:restriction> 51

51 1 OWL DL: Konstruktion von Konzepten Exists restriction i [AIFB] Entspricht owl:somevaluesfrom Es gibt mindestens ein Individuum, das zum gerade beschriebenen Konzept in der Relation R steht und zum Konzept C gehört Als unäres Prädikat: DL Beispiel: Welches Konzept wird hier beschrieben? <owl:restriction> <owl:onproperty rdf:resource= #hatpruefer"/> <owl:somevaluesfrom rdf:resource= #Person"/> </owl:restriction> >Übung 52

52 1 OWL DL: Konstruktion von Konzepten (Unqualifizierte) i numerische Restriktion i <owl:class rdf:about= ex:#animal"> <rdfs:subclassof> <owl:restriction> <owl:onproperty rdf:resource= ex:#hasgender"/> <owl:cardinality rdf:datatype="&xsd;nonnegativeinteger">1</owl:cardinality> </owl:restriction> </rdfs:subclassof> <rdfs:subclassof> <owl:restriction> <owl:onproperty rdf:resource= ex:#hashabitat"/> <owl:mincardinality rdf:datatype="&xsd;nonnegativeinteger">1</owl:mincardinality> </owl:restriction> </rdfs:subclassof> </owl:class> /koala.owl ege.stanford.e edu/plugins/ow wl/owl library/ Ein Tier hat ein Geschlecht und mindestens einen Lebensraum. Primitves Konzept Animal, Konzeptinklusion. 53

53 Sprachkonstrukte kt in OWL Konstruktoren zur Beschreibung komplexer Konzepte und Rollen aus einfachen Konzepten und Rollen Konzeptkonstruktoren (Descriptions) 2 Rollenkonstruktoren Axiome zum Ausdruck von Fakten über Konzepte, Rollen und Individuen Über Konzepte o o C ist Unterklasse von <Konzeptkonstruktor> C und D sind äquivalent o C und D haben keine gemeinsamen Elemente Über Rollen o R hat Domain und Range o R ist eine Funktion, ist transitiv Über Individuen o a it ist ein C, a ist verschieden von b 54

54 2 Von DL zu OWL OWL DL: Konstruktion von Rollen Abstrakte Syntax in OWL DL Syntax >Übung 55

55 Sprachkonstrukte kt in OWL Konstruktoren zur Beschreibung komplexer Konzepte und Rollen aus einfachen Konzepten und Rollen Konzeptkonstruktoren (Descriptions) Rollenkonstruktoren Axiome zum Ausdruck von Fakten über Konzepte, Rollen und Individuen 3 Über Konzepte o C ist Unterklasse von <Konzeptkonstruktor> o C und D sind äquivalent o C und D haben keine gemeinsamen Elemente Über Rollen o R hat Domain und Range o R ist eine Funktion, ist transitiv Über Individuen o a it ist ein C, a ist verschieden von b 56

56 3 OWL DL: Axiome über Konzepte Abstrakte Syntax in OWL DL Syntax 57

57 3 OWL DL: Axiome über Konzepte Klassenhierarchie und definitiond ii [AIFB] 58

58 3 OWL DL: Axiome über Konzepte Klassenhierarchie [AIFB] <owl:class rdf:id= Professor"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#fachbereichsmitglied"/> </owl:class> <owl:class rdf:id=" Fachbereichsmitglied "> <rdfs:subclassof rdf:resource="#person"/> </owl:class> Es folgt durch Inferenz, dass Professor eine Subklasse von Person ist. >Übung 59

59 3 OWL DL: Axiome über Konzepte Klassenäquivalenz l [AIFB] Nur damit können wir neue komplexe Klassen definieren: <owl:class rdf:about= # #JemandNurMitToechtern >? > <owl:equivalentclass> <owl:restriction> <owl:onproperty rdf:resource= #hatkind"/> <owl:allvaluesfrom rdf:resource= #Female"/> </owl:restriction> </owl:equivalentclass> <rdfs:subclassof rdf:resource="&owl;thing"/> </owl:class> 60

60 3 OWL DL: Axiome über Konzepte Disjunkte Klassen [AIFB] <owl:class rdf:id="professor"> <rdfs:subclassof rdf:resource= "# Fachbereichsmitglied "/> </owl:class> <owl:class rdf:id="buch"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#publikation"/> </owl:class> <owl:class rdf:about="# Fachbereichsmitglied "> <owl:disjointwith rdf:resource="#publikation"/> </owl:class> Es folgt durch Inferenz, dass Professor und Buch ebenfalls disjunkte Klassen sind. >Übung 61

61 Sprachkonstrukte kt in OWL Konstruktoren zur Beschreibung komplexer Konzepte und Rollen aus einfachen Konzepten und Rollen Konzeptkonstruktoren (Descriptions) Rollenkonstruktoren Axiome zum Ausdruck von Fakten über Konzepte, Rollen und Individuen 4 Über Konzepte o o C ist Unterklasse von <Konzeptkonstruktor> C und D sind äquivalent o C und D haben keine gemeinsamen Elemente Über Rollen o R hat Domain und Range o R ist eine Funktion, ist transitiv Über Individuen o a it ist ein C, a ist verschieden von b 62

62 4 Von DL zu OWL OWL DL: Axiome über Rollen Abstrakte Syntax in OWL DL Syntax 63

63 4 OWL DL: Axiome über Rollen Domain und Range (noch aus RDFS) Beispiel: Eine Relation haschildren, die als Definitionsbereich (Domain) und als Wertebereich (Range) Objekte der Klasse Animals erlaubt: <owl:objectproperty rdf:about= ex:#haschildren"> <rdfs:range rdf:resource= ex:#animal"/> <rdfs:domain rdf:resource= ex:#animal ex:#animal"/> </owl:objectproperty> <owl:objectproperty rdf:about= ex:#hasdegree"> <rdfs:range rdf:resource= ex:#degree"/> <rdfs:domain rdf:resource= ex:#person"/> </owl:objectproperty> Range: Stellen wir uns ein Konzept vor, von dem Relationen haschildren nur zu Animals führen (JemandNurMitAnimalsAlsKind). Alle Konzepte sollen in dieses Konzept gehören > Damit treffen wir eine Aussage über haschildren: haschildren zeigt nur auf Animals Domain: Stellen wir uns die Konzepte vor, von denen mindestens eine haschildren Relation ausgeht. Alle diese Konzepte sollen Animals sein > Damit Aussage über haschildren: haschildren geht nur von Animals aus >Übung 64 Aus rotege.stanfor rd.edu/plugins s/owl/owl libra ary/koala.owl

64 4 OWL DL: Axiome über Rollen ObjectProperty und DatatypeProperty In OWL gibt es zwei Arten von Rollen: Abstrakte Rollen : Klasse > Klasse (ObjectProperty) Konkrete Rollen: Klasse > Datentyp (DatatypeProperty) tical Guide To Building OWL Ontologies Using Protege e 4 and CO OD DE Tools 65 A Prac

65 4 OWL DL: Axiome über Rollen Abstrakte Rollen ObjectProperty Abstrakte Rollen sind Rollen zwischen Klassen Beispiel: abstrakte Rolle Mitgliedschaft <owl:objectproperty rdf:id= Mitgliedschaft"/> Domain und Range abstrakter Rollen <owl:objectproperty rdf:id= Mitgliedschaft"> <rdfs:domain rdf:resource="#person"/> <rdfs:range rdf:resource="#organisation"/> </owl:objectproperty> Mitgliedschaft besteht zwischen einer Person und einer Organisation. 66

66 4 OWL DL: Axiome über Rollen Konkrete Rollen DatatypeProperty Konkrete Rollen haben als Range einen vordefinierten Datentypen Beispiel: konkrete Rolle Vorname <owl:datatypeproperty rdf:id="vorname"/> Domain und Range konkreter Rollen <owl:datatypeproperty rdf:id="vorname"> <rdfs:domain rdf:resource="#person" /> <rdfs:range rdf:resource="&xsd;string"/> </owl:datatypeproperty> Viele XML Datentypen können verwendet werden, bspw. integer und string Der Vorname einer Person ist eine Zeichenkette. 67

67 4 OWL DL: Axiome über Rollen Weitere Aussagen über Rollen ObjectProperties ObjectProperties (Rollen zwischen Klassen) können markiert werden als : transitiv, symmetrisch, funktional und inverse funktional. Beispiel: Die abstrakte Rolle grenztan ist symmetrisch >Übung Einschränkung: Damit die OWL DL entscheidbar bleibt, können diese Eigenschaften nicht beliebig kombiniert werden. Es muss gelten: Properties, die als transitiv' markiert sind, können nicht in ihrer Cardinalität eingeschränkt werden, d.h. kein 'Functional' und keine 'min ' oder 'max Cardinality'. Dies gilt ebenso für ihre Superproperties und ihre Inversen. 68

68 4 OWL DL: Axiome über Rollen Beispiel i symmetrische Relation R, arb bra <owl:objectproperty rdf:id= grenztan"> <rdf:type rdf:resource="&owl;symmetricproperty" /> <rdfs:domain rdf:resource="#region" /> <rdfs:range rdf:resource="#region" /> </owl:objectproperty> <Region rdf:id= LandkreisTeltowFläming"> <locatedin rdf:resource="#bundeslandbrandenburg" /> <grenztan rdf:resource="#landkreiselbeelster " /> </Region> Es folgt durch Inferenz, dass auch LandkreisElbeElster an LandkreisTeltowFläming grenzt. 69

69 Sprachkonstrukte kt in OWL Konstruktoren zur Beschreibung komplexer Konzepte und Rollen aus einfachen Konzepten und Rollen Konzeptkonstruktoren (Descriptions) Rollenkonstruktoren Axiome zum Ausdruck von Fakten über Konzepte, Rollen und Individuen 5 Über Konzepte o o C ist Unterklasse von <Konzeptkonstruktor> C und D sind äquivalent o C und D haben keine gemeinsamen Elemente Über Rollen o R hat Domain und Range o R ist eine Funktion, ist transitiv Über Individuen o a it ist ein C, a ist verschieden von b 70

70 5 Von DL zu OWL Assertions in OWL DL (Fakten) ABox Abstrakte Syntax in OWL DL Syntax 71

71 5 Assertions in OWL DL (Fakten) Individuen id Konzeptzuweisung C(a) <rdf:description rdf:id="dietmaruhlig"> " <rdf:type rdf:resource="#professor"/> </rdf:description> gleichbedeutend: <Professor rdf:id="dietmaruhlig"/> 72

72 5 Assertions in OWL DL (Fakten) Individuen id und Rollen Rollenzuweisung R(b,c) <Person rdf:id= DietmarUhlig"> Di <istmitgliedvon rdf:resource="#fbium"/> <hatvorname rdf:datatype="&xsd;string">dietmar</hatvorname> </Person> 73

73 5 Owl:sameas Individuen sind identisch <rdf:description rdf:about="#william_ Jefferson_ Clinton"> <owl:sameas rdf:resource="#billclinton"/> </rdf:description> 74

74 OWL unterstützt XML Schema primitive Datentypen, bspw. integer, real, string Strenge Trennung zwischen Objekt' Klassen und Datentypen Disjunkte Interpretationsdomänen Disjunkte Objekt'Properties (Abstrakte Rollen) und Datentyp Properties (Konrete Rollen) 75

75 OWL 2 W3C Standard seit Oktober 2009 OWL 2 ist entscheidbar Von SHOIN(D) zu SROIQ(D) 76

76 Wozu Terminologien in Form des Semantic Web bieten als Mehrwert : Vernetzung von Wissen mit Hilfe eindeutiger Begriffe (URI,gemeinsame OWL Ontologie als Vokabular) Inferenz in semantischen Netzen Die TBox und die ABox beinhalten implizites Wissen dieses soll explizit und damit sichtbar ihtb gemacht werden 77

77 Anfragen an Ontologien Wissensbasis einer DL besteht aus TBox und ABox OWL Full ist eine Teilmenge der Prädikatenlogik 1. Stufe (PL1, FOL) Diese ist unentscheidbar, d.h. die Inferenzalgorithmen terminieren nicht immer Wie löst OWL DL dieses Problem? Einschänkung der Ausdruckskraft führt zur Entscheidbarkeit: OWL Lite ist entscheidbar, SHIF(D) aber nicht ausdrucksstark OWL DL ist entscheidbar, SHOIN(D) 78

78 Anfragen an Ontologien Beispiel Anfrage an OWL DL Wissensbasis: Ist C eine Unterklasse von D? Sie bekommen auf jeden Fall eine Antwort in endlicher Zeit. (Entscheidbarkeit) Was bedeutet: Antwort = JA Was bedeutet: Antwort = NEIN 79

79 Open World Assumption Bei Anfragen an DL gilt die Open World Assumption open world: Das Wissen der Wissensbasis über die Welt ist unvollständig Was nicht beweisbar ist, ist nicht automatisch falsch. Auch wenn es keine Erklärung gibt, kann eine Aussage richtig sein. Anfrage (bspw. nach Instanzen) liefert nur beweisbare Antworten Sie kennen z.b. aus Prolog bisher die: Closed World Assumption Annahme: Alles Wissen ist in der Wissensbasis enthalten. Daraus folgt: Was nicht aus der Wissensbasis beweisbar ist, ist falsch. 80

80 Anfragen an Ontologien Beispiel Anfrage an OWL DL Wissensbasis: Ist C eine Unterklasse von D? Sie bekommen auf jeden Fall eine Antwort in endlicher Zeit. (Entscheidbarkeit) Was bedeutet: Antwort = JA Was bedeutet: Antwort = NEIN Was bedeutet: Antwort = JA Es lässt sich beweisen, dass C eine Unterklasse von D ist. Was bedeutet: Antwort = NEIN Es lässt sich nicht beweisen, dass C eine Unterklasse von D ist Die Annahme C sei keine Unterklasse von D führt nicht zu einem Widerspruch. Es lässt sich nicht beweisen, dass C eine Unterklasse von D ist aber auch nicht ausschließen. 82

81 Beispiel1 i Open World Assumption die TBox TBox 83

82 Beispiel1 i Open World Assumption die ABox ABox 84

83 Beispiel1 i Open World Assumption die Anfragen Leicht Schwierig Schwierig Leicht ABox TBox 85

84 Beispiel1 i Open World Assumption die Antworten t A(paul): Nein. Wäre Weiblich(andrea) noch bekannt, wäre die Antwort ebenfalls nein, denn es können unbekannte Söhne existieren. A(fred): Nein. Zwar gilt für alle bekannten Kinder (das sind null) von fred, dass sie weiblich sind, aber es können unbekannte Söhne existieren. B(paul): Nein. Paul gehört zwar zum Konzept derer, die mindestens ein weibliches Kind haben (rechte Seite der Inklusion), von dem das Konzept B eine Unterklasse ist. Ob er aber zum Konzept B gehört, ist unbekannt. B könnte bspw. das Konzept der Personen mit zwei klugen Töchtern sein. B(fred): Nein: Ob fred überhaupt eine Tochter hat, ist nicht bekannt, und über die Zugehörigkeit zu B ebenfalls nichts. Er könnte aber durchaus zu B gehören. Das Antworten bei OWA sind erkennbar zurückhaltend, es wird nichts Falsches behauptet. Das hat den großen Vorteil, dass das System bei Erweiterung der Wissensbasis (neues Wissen) seine alten Antworten niemals widerrufen muss. 86

85 Beispiel2 i Open World Assumption TBox und Frage 87

86 Beispiel2 i Open World Assumption Antwort t Nein. Solange nicht gesagt wird, dass eine MargheritaPizza nur die beiden Toppings Tomate und Mozzarella haben kann, könnte sie auch andere, fleischhaltige Toppings haben und ist somit nicht automatisch eine vegetarische Pizza Heilung durch Closure (Angabe aller Möglichkeiten) von hastopping: 88

87 Fazit Was leisten formale Ontologien? Was leisten formale Ontologien nicht? 89

88 Was leisten formale Ontologien? Repräsentation Exakte, logikbasierte Beschreibungen von Konzepten und Relationen, die durch konkrete Objekte der Welt instanziiert werden (Konzeptualisierung) Vernetzung Einigung über kontrollierte (mächtige und vernetzte) Vokabularien Vernetzung ng verteilter Wissensbasen Konsistenz von Begriffen Inferenz Verwendung von maschinellem Schließen, z.b. basierend auf Beschreibungslogiken (OWL DL, OWL 2) Automatisches Einordnen neuer Konzepte, Automatisches Erstellen von Hierarchien, Konsistenzprüfung, Erfüllbarkeit 90

89 Was leisten formale Ontologien nicht? iht? Keine Repräsentation Unsicheren Wissens (Wahrscheinlichkeiten, Sicherheiten) Unscharfen Wissens (Fuzzy) Prozeduralen Wissen (Regeln, RIF, SWRL) Vollständigkeit und Konsistenz nur in begrenzten Wissensgebieten Semantische Webtechnologien sind der Anfang, das menschliche Wissen in großem Umfang für Maschinen zu erschließen. 91